姿态传感器温度补偿方法研究
作者：贾培刚刘晓武武晓春
来源：《现代电子技术》2013年第20期
摘要：针对电子产品可能会出现随着环境温度的变化而产生测量误差的现象，在此选用姿态传感器在检测过程中出现这种误差的情况，提出了一种在软件方面利用最小二乘法进行温度补偿的方法。
该方法计算简单，补偿精度高。
通过实验数据验证表明，经过最小二乘法进行温度补偿后的检测精度，相比补偿前有了很大的提高。
因此在高精度技术要求的检测中，利用这种方法进行温度补偿后可精确地检测出载体的姿态角度。
关键词：姿态传感器；温度误差；温度补偿；最小二乘法
中图分类号： TN919⁃34； TP212.9 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2013）
20⁃0118⁃03
0 引言
随着微机电系统（MEMS）技术在微型化技术基础上，结合了电子、机械、材料等多种学科交叉融合的前沿科研领域的不断发展与成熟，从而出现了很多基于MEMS技术的传感器，此类传感器具有体积小、重量轻、低功耗、多功能等优点，在电子产品、航空航天、机械化工等行业中得到了广泛应用。
其中基于MEMS姿态传感器主要用于载体姿态的调整和倾角的检测，但是由于工作环境温度的改变，就会导致测量精度的变化，在一些高精度检测的要求下，则失去其检测的效果，所以必须采取相应措施来消除或者减少随温度变化而引起的误差[1]，即必须对传感器进行温度补偿。
传感器的温度补偿方法大致可以分为两种，即硬件补偿和软件补偿。
硬件补偿方法主要是改变电路来达到补偿效果[2]，但是这种方法会导致电路的复杂化，同时提高了成本。
软件补偿方法主要有最小二乘法、BP神经网络法、回归法等。
从计算的方便性和补偿精度的准确性两个方面，本文采取最小二乘法进行温度补偿。
1 姿态传感器的温度补偿原理
本文采用美国InvenSense公司生产的ITG⁃3205三轴陀螺仪芯片，该芯片中内嵌有数字输出温度传感器，因此可以随时检测出传感器所处的环境温度。
在不同的工作环境温度下，传感器实际角度输出值与理论角度输出值会出现一定的误差，称之为温度误差。
为了消除或者减少这种温度误差，利用最小二乘法进行曲线拟合，最终达到或接近理论角度输出值。
传感器根据输入的检测信号，通过姿态检测模块和温度检测模块采集相关数据，然后经过温度补偿模块进行相应的温度补偿，最后通过输出检测模块可得到预期的检测信号。
姿态传感器的温度补偿原理如框图1所示。
2 姿态传感器的温度补偿方法
在同一温度下，不同角度的理论值与输出值之间严格意义上是一种非线性关系，但是由于这种误差值相对不大，可以近似的认为是一种线性关系，即[y=mx+n]的线性关系。
通过最小二乘法进行线性拟合，可以得出参数m和n的值。
此时可以发现，在不同的温度下，所拟合出来的m和n值是随温度的变化而变化的。
在此情况下，必须找出温度分别与m和n之间的关系，为此同样可以根据最小二乘法再次进行曲线拟合，从而得出m值与温度之间的关系。
同理也可以得出n与温度之间的关系。
经过两次曲线拟合之后，可以得出理论值与输出值之间的误差有了明显的减小，并且满足预期的要求。
在实际应用中，为了达到高精度检测的要求，可以通过测量多组数据进行曲线拟合的方法来实现。
3 姿态传感器的实验数据处理
由于各轴的检测原理是相同的，因此本论文采用x轴的检测数据进行实验验证。
主要的实验仪器有被测姿态传感器、经纬仪、高低恒温箱、高精度角度检测仪等。
表1所得数据是未经温度补偿时的实验数据，即原始数据。
表1 原始数据
3.1 第一次线性拟合
由于按照最小二乘法的基本步骤进行拟合的计算量比较大，所以本文采用Matlab进行数据处理，这样不但可以减少复杂的计算过程，而且还可以保证较高的计算精度。
例如在温度T=-30 °C的条件下，以理论角度x为自变量，输出角度y为因变量，根据线性关系式[y=mx+n]，计算出参数m和n的值。
具体计算程序如下：
3.2 第二次曲线拟合
以参数m为因变量，温度t为自变量，根据曲线拟合式[mt=at2+bt+c]，利用Matlab求出a，b，c的值，最终确定m与t的函数关系式。
同理，可求得n与t的函数关系式。
具体计算程序如下：
4 实验数据的验证
传感器未经温度补偿时的输出为[y=mx+n]，即在t ℃时，无补偿输出为：
由于在实际检测过程中，被检测量为偏移角度，则理论角度应由已知检测量来表达，因此由式（3）可得：
一般情况下，取室温温度为25 °C时的输出为：
根据式（1）、（2）、（7）可得补偿后的输出值。
偿后的数据如表3所示。
在表1中未补偿前的最大误差角度为0.682 7°，表3中补偿后的最大误差角度为0.261 6°，相对减少的误差角度为0.421 1°。
5 结语
由表1和表3的数据对比结果可以看出，经过温度补偿后的姿态检测精度相比补偿前有了很大的提高。
由此说明，在环境温度变化的条件下，利用最小二乘法进行温度补偿，可以达到预期的效果，因此这种方法可以运用到工程实际中。
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