基于MEMS加速度计的水平倾角仪误差补偿方法及系统
专利汇可以提供基于MEMS加速度计的水平倾角仪误差补偿方法及系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 请求 保护一种基于MEMS 加速 度计 的 水 平倾 角 仪误差补偿方法及系统，包括以下步骤：(1)完成水平倾角仪的 硬件 平台设计；(2)基于设计的十二 位置 静态翻滚方案，采集每一位置下MEMS加速度计三轴输出值并做均值化处理，建立基于十二位置法的MEMS加速度计误差补偿模型，对加速度计预处理，将预处理后的MEMS加速度计三轴输出值作为RBF神经网络的输入，而真实值作为网络的输出，经训练后建立基于RBF神经网络的MEMS加速度计误差补偿模型，进一步提高MEMS加速度计的输出 精度 ；(3)利用补偿后的MEMS加速度计三轴测量值与 重 力 加速度 之间的三角函数关系解算出水平倾角；(4)提出采用最小二乘法建立水平倾角仪测量误差与 温度 之间的函数关系式，用于水平倾角仪的温度补偿，本发明精确度高。，下面是基于MEMS加速度计的水平倾角仪误差补偿方法及系统专利的具体信息内容。
1.一种基于MEMS加速度计的水平倾角仪误差补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、首先将倾角仪固定在转台台面处，通过翻转转台，固定在转台台面的倾角仪处于十二个不同位置，采集每一位置下的MEMS加速度计三轴输出值；
步骤2、其次，对采集到的MEMS加速度计三轴输出值进行均值化处理，利用十二位置下MEMS加速度计三轴输出值以及对应的标称重力加速度值建立MEMS加速度计的误差补偿模型，对加速度计预处理；
步骤3、然后将预处理后的MEMS加速度计三轴输出值作为RBF神经网络的输入，而三轴真实值作为网络的输出，建立基于RBF神经网络的MEMS加速度计误差补偿模型；
步骤4、最后，利用MEMS加速度计测量值与重力加速度之间的三角函数关系解算出水平倾角，提出利用最小二乘法建立倾角仪测量误差与温度之间的函数关系式，实现对水平倾角仪的温度补偿。
2.根据权利要求1所述的一种基于MEMS加速度计的水平倾角仪误差补偿方法，其特征在于，所述步骤1中，整个系统的ARM处理器作为水平倾角仪的处理中心，通过SPI通信总线采集传感器数据，对数据进行均值滤波以及十二位置法标定，然后将处理后数据通过三角函数等式解算出水平倾角，并利用最小二乘法建立水平倾角仪测量误差关于温度的函数关系式，完成倾角仪的温度补偿，最后利用串口将倾角信息传至上位机做界面显示。
3.根据权利要求1所述的一种基于MEMS加速度计的水平倾角仪误差补偿方法，其特征在于，所述步骤2中，建立MEMS加速度计的误差模型，如公式(1)所示：
公式(1)中Ax、Ay、Az为MEMS加速度计的输出值，ax、ay、az为MEMS加速度计的真实值，ai0(i＝x,y,z)是MEMS加速度计的零偏值，x、y、z分别表示加速度计三个轴，ki(i＝x,y,z)为MEMS加速度计的比例因子，kij(i,j＝x,y,z)为MEMS加速度计的安装误差。
4.根据权利要求3所述的一种基于MEMS加速度计的水平倾角仪误差补偿方法，其特征在于，步骤2十二位置静态翻滚方案，具体包括：利用倾角仪在10秒内以50Hz的采样频率采集每一位置处的MEMS加速度计三轴输出值，在位置1、3、5、7、9、11处，对X、Y、Z轴的输出值分别取均值后可表示为：
其中， 表示第一个位置下的加速度计X轴输出值的均值； 表示第一个位置下，当X轴有输入加速度时，Z轴检测到的加速度与输入加速度的比值； 表示第一个位置下的加速度计X轴的零偏值；
由公式(2)、公式(3)以及公式(4)可得加速度计误差系数为：
同理，在位置2、4、6、8、10、12处也得到一组加速度计误差系数为：
由公式(5)～(10)可得最终的加速度计误差系数为：
令公式(11)～(13)中的α＝β＝0.5。
5.根据权利要求4所述的一种基于MEMS加速度计的水平倾角仪误差补偿方法，其特征在于，所述步骤3利用上述误差补偿方法对MEMS加速度计预处理，经预处理后的加速度计三轴输出值作为RBF神经网络的输入，而网络的输出即为三轴的真实值，即设定RBF神经网络输入层为3，输出层为3，在十二位置下采集的样本数为6000个，随机选取5900个样本数，先代入基于十二位置法的加速度计误差补偿模型中，其输出值与对应的真实值用于训练网络，而剩余的100个样本数用于验证训练后网络的性能，所设加速度计RBF神经网络的均方误差目标为0.001(g)，当训练周期循环至150次时，其均方误差逐渐减少并趋于收敛，从而能够确定网络中的参数，即隐含层到输出层的连接权值ω，隐含层节点的中心c和宽度r，公式(14)为RBF神经网络的激励函数，以及公式(15)为输出层单元的线性组合；
其中，||·||为欧氏距离；c和r是径向基函数的参数，分别代表高斯RBF的中心和宽度；
其中，ωj是隐含层和输出层之间的权重；m是隐含单元的数目。
6.根据权利要求5所述的一种基于MEMS加速度计的水平倾角仪误差补偿方法，其特征在于，所述步骤4中，在步骤3的基础上，利用当地的重力加速度以及MEMS加速度计的测量值建立三角函数等式，可以解算出水平倾角θx、θy，如公式(16)、(17)所示：
公式(16)、(17)中，G为当地的重力加速度， 分别为加速度计的X、Y轴的输
出值。
7.根据权利要求6所述的一种基于MEMS加速度计的水平倾角仪误差补偿方法，其特征在于，所述步骤4中，将水平倾角仪放置在高低温箱内的单轴转台平面，此时倾角仪测量误差等于其实际输出值，提出利用最小二乘法建立温度与倾角仪测量误差的函数关系式，如公式(18)所示：
θi0＝k0+k1T+k2T2+…+knTn (i＝x,y) (18)
其中，T为加速度计内置温度传感器测量所得；θi0(i＝x,y)为水平倾角仪的输出值；kj(j＝1,…,n)为待定系数；n表示待定系数的个数；
通过控制系统所处环境温度范围为65℃～-20℃，步长为5℃，待温度稳定后采集倾角仪中加速度计X轴和Y轴方向的输出值，利用最小二乘法进行多项式拟合，，选择2次阶作为多项式的最高阶，拟合后的多项式如公式(19)、(20)所示：
θx0＝0.5061403-0.0090204T+0.0000471T2 (19)
θx0＝-0.8580211+0.0065228T+0.0000131T2 (20)
可以得到经温补后，水平倾角仪的测量式，如公式(21)所示：
其中，θx,final、θy,final分别为温补后水平倾角仪的输出值；θx、θy分别为温补前水平倾角仪的输出值；θx0、θy0为水平倾角仪测量误差。
8.一种基于MEMS加速度计的水平倾角仪误差补偿系统，其特征在于，包括：
采集模块：用于将倾角仪固定在十二位置转台台面处，采集MEMS加速度计三轴的输出值；
预处理模块：用于对采集到的MEMS加速度计三轴输出值进行均值化处理，利用十二位置静态翻滚方案建立MEMS加速度计的误差补偿模型，对加速度计预处理；
误差补偿模块：用于然后将预处理后的MEMS加速度计三轴输出值作为RBF神经网络的输入，而三轴真实值作为网络的输出，建立基于RBF神经网络的MEMS加速度计误差补偿模型；
温度补偿模块：利用MEMS加速度计测量值与重力加速度之间的三角函数关系解算出水平倾角，提出利用最小二乘法建立倾角仪测量误差与温度之间的函数关系式，实现对水平倾角仪的温度补偿。
基于MEMS加速度计的水平倾角仪误差补偿方法及系统
技术领域
背景技术
2012(09):146-148.]设计的基于MEMS陀螺和加速度计的倾角仪，虽然高精度的陀螺倾角仪测量精度很高，但是其测量误差会随时间累积，且价格昂贵；Schmidt R等人[Schmidt R,O'Leary P,Ritt R,et al.MEMS based inclinometers:Noise characteristics and suitable signal processing[C]//2017IEEE International Instrumentation and Measurement Technology Conference(I2MTC).IEEE,2017.]虽然对倾角仪的传感源做了离线的标定补偿，但没有考虑传感源的随机误差以及温度对其影响，倾角仪精度还有待提高，而本发明先是通过均值滤波对加速度计三轴输出值做预处理，削弱随机误差的影响，然后将处理后的加速度计三轴输出值作为RBF神经网络的输入，而三轴真实值作为网络的输出，进一步消除随机误差的影响；并建立水平倾角仪测量误差关于温度的函数关系式，消除温度对倾角仪输出的影响。
发明内容
附图说明
具体实施方式
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