本發(fā)明涉及無人機的慣性導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于MEMS傳感器陣列的高精度慣性量測量方法及測量系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

無人機是一種由無線電遙控設(shè)備或自身程序控制裝置操縱的無人駕駛飛行器。目前，隨著科技的發(fā)展，無人機技術(shù)日趨成熟，無人機以其速度快、操作靈活的特點被廣泛應(yīng)用。民用領(lǐng)域、地圖測繪無人機、地質(zhì)勘測無人機、災(zāi)害監(jiān)測無人機、氣象探測無人機、空中交通管制無人機、邊境控制無人機、通信中繼無人機、農(nóng)藥噴灑無人機、救援無人機的研究和應(yīng)用在國內(nèi)外都在不斷的發(fā)展中。

在無人機控制系統(tǒng)中，慣性測量裝置是其中的核心部件，可以獲得無人飛行器的姿態(tài)信息及位置信息，從而實現(xiàn)完全自我導(dǎo)航。隨著技術(shù)的發(fā)展，目前微慣性器件已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。

慣性測量裝置的具體工作原理如下：陀螺儀檢測飛行器的三軸角速率，加速度計檢測飛行器沿著三軸運動的線性加速度，控制器分別對陀螺儀和加速計測量出的數(shù)據(jù)信號進行分析處理，得出飛行器的瞬時航行速度信息，推算出飛行器航行的距離和位置。

現(xiàn)有慣性測量裝置所采用的傳感器包括低成本MEMS（即微機電系統(tǒng)，Microelectro Mechanical Systems）傳感器和高精度MEMS傳感器，低成本MEMS傳感器的體積小、重量輕、性能穩(wěn)定，但是精度不高，尤其是低成本MEMS加速度計，在無人機震動較大時，加速度計噪聲往往很大，大大降低了慣性測量裝置測量的準確性；而高精度MEMS傳感器的價格較為昂貴，是低成本MEMS傳感器的十倍，甚至是二十倍以上，因此成本較高。

由此可見，能否基于現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種成本低且精度高的慣性量測量方法及測量系統(tǒng)，成為目前亟待解決的技術(shù)問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決上述技術(shù)問題，提供一種基于MEMS傳感器陣列的高精度慣性量測量方法和測量系統(tǒng)，其能更佳準確地測量飛行器的慣性量，實現(xiàn)精準控制，降低了成本。

為了達到上述技術(shù)效果，本發(fā)明包括以下技術(shù)方案：

一種基于MEMS傳感器陣列的高精度慣性量測量方法，包括如下步驟：

S1、構(gòu)建三維空間正交坐標系，包括x方向、y方向和z方向；

S2、在無人機機體上設(shè)置多個相同型號的三軸MEMS慣性傳感器，所述三軸MEMS慣性傳感器包含x測量軸、y測量軸和z測量軸，三個測量軸的方向分別與三個坐標方向中的其一方向相同，每個坐標方向均含有x測量軸、y測量軸和z測量軸；

需要說明的是，三軸MEMS慣性傳感器設(shè)置在步驟S1構(gòu)建的三維空間正交坐標系內(nèi)，三個測量軸可以沿著空間坐標系下的x方向、y方向和z方向中的任一方向設(shè)置，本發(fā)明中所指的x方向、y方向和z方向均為x正方向、y正方向和z正方向，三個測量軸的方向均指正方向。

即對于同一傳感器，若x測量軸沿著y方向設(shè)置，則y測量軸可以沿著x方向或z方向設(shè)置，z測量軸可以沿著z測量軸或x測量軸方向設(shè)置，但需保證每個坐標方向上均含有x測量軸、y測量軸和z測量軸；在某些實施例中，同一坐標方向上含有相同數(shù)量的x測量軸、y測量軸和z測量軸時，測量精度較佳，且至少設(shè)有三個相同的三軸MEMS慣性傳感器。

S3、獲取空間坐標系下同時刻三個坐標方向上各傳感器的三軸測量值為

、、、…….,并對各測量值進行校準，校準后的測量值為：

其中,n為傳感器的個數(shù)，為校準矩陣，為三維列向量，為三維列向量，為高斯白噪聲；， 包含對傳感器量程和偏移的校準；

S4、采用自適應(yīng)加權(quán)平均算法對步驟S3所校準后的測量值進行融合計算，得出基于MEMS傳感器陣列的各坐標方向的慣性量融合值。

所采用的為低成本三軸MEMS慣性傳感器，且三個坐標方向的融合過程同時進行。

需要說明的是，校準矩陣需要標定得到，實質(zhì)上校準矩陣

其中，代表傳感器X軸上的量程增益，代表Y測量軸對X測量軸的交叉影響因子，代表X測量軸的偏移量；

對于三軸加速度計，通過六面校準法求取校準矩陣，將三軸加速度計放置在六個不同的位置，參閱圖5，得出六個不同方程：

由上面（1）-（6）公式兩兩相加可得：

通過上述公式可計算得到、和，從而得出：

==

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==

由此求得矩陣

針對三軸陀螺儀，在實際操作中，校準矩陣的求取較為簡單，校準矩陣為：

通過采集數(shù)據(jù)求平均值得到零偏、和，從而求取校準矩陣。

進一步地，所述步驟S4的具體融合過程為：

a）、多個相同傳感器噪聲特性相同，所產(chǎn)生的高斯白噪聲累計求和后噪聲相

互抵消，即=0；

b）、多個傳感器同時刻所測得數(shù)據(jù)的融合值為：

其中，，；

為多個傳感器同時刻所測得數(shù)據(jù)的融合值；

c）、各傳感器k時刻的方差為：

，

其中，=, 為期望值，為k-1時刻的融合值；

d）、各傳感器同一時刻的權(quán)重分別為、、……，權(quán)重與傳感器的方差滿足：

Var()為各傳感器的方差。

在一些實施例中，所述S2步驟中三軸MEMS慣性傳感器為多個相同的三軸陀螺儀和/或多個相同的三軸加速度計。即無人機上設(shè)有多個相同的三軸陀螺儀或多個相同的三軸加速度計，也可設(shè)置多個陀螺儀和多個加速度計，陀螺儀和加速度計分別采用S2～S5的步驟進行測量。至少采用三個陀螺儀或三個加速度計或三個陀螺儀和三個加速度計。

以上測量方法適用于陣列排布的三軸陀螺儀或陣列排布的三軸加速度計。所采用的三軸陀螺儀型號為L3G4200D，三軸加速度計的型號為ADXL345或其它型號低成本三軸加速度計。

在某些實施例中，所述S2步驟中的三軸MEMS慣性傳感器設(shè)置在三個兩兩正交的傳感器電路板上，每個傳感器電路板上設(shè)有多個相同的三軸MEMS慣性傳感器。

在一些實施例中，所述S2～S5步驟中三軸MEMS慣性傳感器輸出的數(shù)字信號傳輸給微處理器。

微處理器對每個坐標方向上傳感器測量軸所測量的數(shù)據(jù)進行加權(quán)平均融合，再進一步根據(jù)坐標系下x方向、y方向和z方向的融合值解算出無人機的飛行姿態(tài)；所述無人機飛行控制器與舵機控制模塊連接，所述舵機控制模塊用于控制無人機飛行控制器對無人機的飛行航道和飛行姿態(tài)自動進行調(diào)整。

所述微處理器采用的芯片為STM32F407VGT6。

我們還提供了一種基于MEMS傳感器陣列的高精度慣性量測量系統(tǒng)，包括慣性測量模塊和微處理器，所述慣性測量模塊包括三個兩兩正交的第一傳感器電路板、第二傳感器電路板和第三傳感器電路板，三個傳感器電路板上分別陣列排布有相同型號的三軸MEMS慣性傳感器，各傳感器分別與微處理器連接，所述微處理器與無人機飛行控制器連接。

在一些實施例中，所述三軸MEMS慣性傳感器為三軸陀螺儀和/或三軸角加速度計。

進一步地，在一些實施例中，所述第一傳感器電路板、第二傳感器電路板和第三傳感器電路板均為印刷電路板，所述第一傳感器電路板、第二傳感器電路板的一端分別豎直插接于水平設(shè)置的第三傳感器電路板上。

在一些實施例中，還包括電路板支撐架，所述電路板支撐架為立方體框架，三個傳感器電路板分別安裝在立方體框架上的三個兩兩正交的平面上。所采用的立方體框架為剛性框架，各電路板之間通過軟排線電連接，使得滿足兩兩正交的傳感器電路板所占的空間小，另一方面，大大提高了測量的精度。

在一些實施例中，所述第一傳感器電路板、第二傳感器電路板和第三傳感器電路板均容置于外殼內(nèi)。

采用上述技術(shù)方案，包括以下有益效果：本發(fā)明提供的基于MEMS傳感器陣列的高精度慣性量測量方法及測量系統(tǒng)，通過在三個兩兩正交的傳感器電路板上分別陣列排布相同型號的低成本三軸MEMS慣性傳感器，利用不同測量軸測量精度不同的特性以及在相同環(huán)境下傳感器測量噪聲具有相關(guān)性、求和后抵消高斯白噪聲，通過采用加權(quán)平均融合的方法獲取傳感器的精確測量值，在降低成本的同時更加準確地測量飛行器的慣性量，實現(xiàn)精準控制。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例基于MEMS傳感器陣列的高精度慣性量測量方法的流程圖；

圖2為本發(fā)明實施例1中慣性測量模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例1中另一種慣性測量模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為圖3中電路板支撐架的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為三軸加速度計獲取校準矩陣過程中的六個位置示意圖；

圖6為本發(fā)明實施例3中傳感器陣列排布示意圖。

圖中，

1、第一傳感器電路板；2、第二傳感器電路板；3、第三傳感器電路板；4、三軸MEMS慣性傳感器；5、電路板支撐架。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本實用 新型實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地 描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實 施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性 勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

在本發(fā)明中，術(shù)語“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“頂”、“底”、“內(nèi)”、“外”、“中”、“豎直”、“水平”、“橫向”、“縱向”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系。這些術(shù)語主要是為了更好地描述本發(fā)明及其實施例，并非用于限定所指示的裝置、元件或組成部分必須具有特定方位，或以特定方位進行構(gòu)造和操作。

并且，上述部分術(shù)語除了可以用于表示方位或位置關(guān)系以外，還可能用于表示其他含義，例如術(shù)語“上”在某些情況下也可能用于表示某種依附關(guān)系或連接關(guān)系。對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù)具體情況理解這些術(shù)語在本發(fā)明中的具體含義。

此外，術(shù)語“安裝”、“設(shè)置”、“設(shè)有”、“連接”、“相連”“套接”應(yīng)做廣義理解。例如，可以是固定連接，可拆卸連接，或整體式構(gòu)造；可以是機械連接，或電連接；可以是直接相連，或者是通過中間媒介間接相連，又或者是兩個裝置、元件或組成部分之間內(nèi)部的連通。對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語在本發(fā)明中的具體含義。

除非另有說明，“多個”的含義為兩個或兩個以上。

下面通過具體的實施例并結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步的詳細描述。

實施例1：

本發(fā)明實施例提供了一種無人機，在本較佳實施例中，所述無人機包括一種基于MEMS傳感器陣列的高精度慣性量測量系統(tǒng)，該測量系統(tǒng)包括慣性測量模塊和微處理器，所述慣性測量模塊包括三個兩兩正交的第一傳感器電路板1、第二傳感器電路板2和第三傳感器電路板3；在本較佳實施例中，所述第一傳感器電路板1、第二傳感器電路板2和第三傳感器電路板3均為印刷電路板，參閱圖2，所述第一傳感器電路板1、第二傳感器電路板2的一端分別豎直插接于水平設(shè)置的第三傳感器電路板3上。

在其他較佳實施例中，參閱圖3和4，還包括電路板支撐架5，所述電路板支撐架5為立方體框架，三個傳感器電路板分別安裝在立方體框架上的三個兩兩正交的平面上。所采用的立方體框架為剛性框架。

在本較佳實施例中，三個傳感器電路板上分別陣列排布有相同型號的三軸MEMS慣性傳感器4，各傳感器分別與微處理器連接，所述微處理器與無人機飛行控制器連接。

所述三軸MEMS慣性傳感器為三軸陀螺儀和/或三軸角加速度計。在本較佳實施例中，所采用的三軸陀螺儀型號為L3G4200D，三軸加速度計的型號為ADXL345；所述微處理器采用的芯片為STM32F407VGT6。

為了增強結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，所述第一傳感器電路板、第二傳感器電路板和第三傳感器電路板均容置于外殼內(nèi)。

實施例2：

本實施例還提供了基于MEMS傳感器陣列的高精度慣性量測量方法，參閱圖1，包括如下步驟：

S1、構(gòu)建三維空間正交坐標系，包括x方向、y方向和z方向；

S2、在無人機機體上設(shè)置多個相同型號的三軸MEMS慣性傳感器，所述三軸MEMS慣性傳感器包含x測量軸、y測量軸和z測量軸，三個測量軸的方向分別與三個坐標方向中的其一方向相同，每個坐標方向均含有x測量軸、y測量軸和z測量軸；

S3、獲取空間坐標系下同時刻三個坐標方向上各傳感器的三軸測量值為

、、、…….,并對各測量值進行校準，校準后的測量值為：

其中,n為傳感器的個數(shù)，為校準矩陣，為三維列向量，為三維列向量，為高斯白噪聲；， 包含對傳感器量程和偏移的校準；

S4、采用自適應(yīng)加權(quán)平均算法對步驟S3所校準后的測量值進行融合計算，得出基于MEMS傳感器陣列的各坐標方向的慣性量融合值。

在本較佳實施例中，所述步驟S3的具體融合過程為：

a）、多個相同傳感器噪聲特性相同，所產(chǎn)生的高斯白噪聲累計求和后噪聲相

互抵消，即=0；

b）、多個傳感器同時刻所測得數(shù)據(jù)的融合值為：

其中，，；

為多個傳感器同時刻所測得數(shù)據(jù)的融合值；

c）、各傳感器k時刻的方差為：

，

其中，=, 為期望值，為k-1時刻的融合值；

d）、各傳感器同一時刻的權(quán)重分別為、、……，權(quán)重與傳感器的方差滿足：

Var()為各傳感器的方差。

所述S2～S5步驟中三軸MEMS慣性傳感器輸出的數(shù)字信號傳送給微處理器，所述微處理器與無人機飛行控制器連接。微處理器對各坐標方向上相同傳感器測量軸測量的數(shù)據(jù)進行加權(quán)平均融合，再進一步根據(jù)x方向、y方向和z方向的融合值解算出無人機的飛行姿態(tài)；所述無人機飛行控制器與舵機控制模塊連接，所述舵機控制模塊用于控制無人機飛行控制器對無人機的飛行航道和飛行姿態(tài)自動進行調(diào)整。

在本較佳實施例中，所述三軸MEMS慣性傳感器為多個相同的三軸陀螺儀和/或多個相同的三軸加速度計。通過陣列排布的三軸陀螺儀精確地測得沿三個軸向運動的角速度，通過陣列排布的三軸加速度計精確獲取三個軸向運動的加速度。

所采用的三軸陀螺儀型號為L3G4200D，三軸加速度計的型號為ADXL345或其它型號低成本三軸加速度計。所述微處理器采用的芯片為STM32F407VGT6。

實施例3：

在本較佳實施例中，在實施例2的基礎(chǔ)上，所述S2步驟中的三軸MEMS慣性傳感器設(shè)置在三個兩兩正交的傳感器電路板上，每個傳感器電路板上設(shè)有多個相同的三軸MEMS慣性傳感器。在本實施例中，所述三軸MEMS慣性傳感器為三軸加速度計。

參閱圖6，三個兩兩正交的傳感器電路板構(gòu)成了測量正交坐標平面，包括第一傳感器電路板1、第二傳感器電路板2和第三傳感器電路板3，每個電路板上均陣列排布有多個等量且相同的傳感器，同一電路板上各傳感器的排列方式相同，即第一傳感器電路板1上傳感器X測量軸、y測量軸和z測量軸分別與空間坐標系的x方向、y方向和z方向一致, 第二傳感器電路板2上傳感器X測量軸、y測量軸和z測量軸分別與空間坐標系的y方向、z方向和x方向一致, 第三傳感器電路板3上傳感器X測量軸、y測量軸和z測量軸分別與空間坐標系的z方向、x方向和y方向一致；每個傳感器電路板上至少設(shè)有一個三軸MEMS慣性傳感器。

采用上述陣列排布方式，各傳感器所測得的數(shù)據(jù)經(jīng)過實施例2中的步驟融合后更加精確。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。