IMU | 慣導模塊指標參數與標定

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IMU原始數據

• 加計 3axis 原始數據，單位 m/s2
• 陀螺 3axis 原始數據，單位 deg/s

原始數據質量參數

• 加計/陀螺：
• 3個軸的零偏、零偏穩定性、零偏重復性、標度因數非線性度、隨機游走系數、噪聲標准差、正交耦合參數，溫補關系曲線等；

X項目中分別標定了 常值零偏、標度因數、安裝偏差角
共涉及到加計的 3個常值零偏、陀螺的3個常值零偏、陀螺的3個標度因數、兩個安裝偏差角；

• 溫度補償實現：

實現方式1：
采集大量數據，建立溫度與質量參數的數學模型，保存數學模型系數，供溫補使用；
實現方式2：
采集大量數據，以5度為步進，使用不同的溫度點進行標定，形成溫補參數列表進行保存；

IMU模塊（實例）

高精度數字慣性測量單元PA-IMU-03D系列（IMU PA-IMU-03D系列慣性測量單元是小型化、高性價比的測量元件，用於動態測量、定位和導航中，可給出空間所需的角速率和加速度參數,PA-IMU-03D采用密封設計，數字濾波，A/D轉換，溫度補償，起始誤差和軸向偏差的補償，具備了中等精度光纖陀螺產品的測量精度，最終經過串口輸出一組慣性測量數據。它可廣泛用於汽車電子、飛行器制導與控制、姿態參考系統、平台穩定、機器人、天線穩定、與GPS組合、通用航空等系統—）
此款PA-IMU-03D光纖 IMU 由三個單軸開環光纖陀螺儀及三個石英加速度計組合而成：

啟動時間 ≤5s
工作溫度 -40℃～60℃
存儲溫度 -50℃～70℃
量程 ±200°/s （各種量程可選擇）
零偏重復性 ≤0.3°/h
零偏穩定性 ≤0.3°/h
標度因數非線性度 ≤200ppm
標度因數重復性 ≤200ppm
帶寬 ≥300Hz
隨機游走系數 ≤0.05°/h

類型 石英加速度計
量程 ±10g （各種量程可選擇）
偏值 ≤1mg
偏值月綜合誤差 ＜5×10-5g（1σ）
偏值溫度系數 ≤50ug/℃
標度因數月綜合誤差 ＜80ppm（1σ）
標度因數溫度系數 ＜80ppm/℃

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組合定位模塊初始化

組合定位過程中對IMU/GNSS等模塊進行初始化，主要針對質量參數進行估計

【停車判斷】

• 空曠環境：
  可以依賴GPS、輪速輔助做停車判斷，動態GPS測速精度達到mm級別，通過GPS、輪速判斷停車比單純依靠IMU判斷要准確；
• 遮擋環境：
  如果有輪速可以輔助做停車判斷，則優先使用輪速做判斷；

【初始化策略】

• 靜態初始化：
  指的是進行姿態（水平角）、位置、速度、航向初始值獲取的過程；

IMU初始化：除了上面提到的姿態(水平角)的初始化外，還有固定零偏、噪聲的估計(這兩個值在車輛非靜止模式下比較難測出)

• 動態初始化：
  指的是跑車過程中通過GPS信號對IMU模塊的相對安裝位置進行估計，包括安裝偏差角等，完成自對准操作；

【初始化現狀】
車輛運行過程中，重啟設備，保持車輛動態不停車，車輛不能完成靜態初始化；

【存在問題】
IMU未實現靜態初始化，則不能有效的對IMU固定零偏、噪聲進行估計，所以該狀態在無輪速的遮擋環境下容易出現推算異常的問題（出錯概率完全取決於IMU的可靠程度）

初始化方案和用戶的實際使用場景、客戶的需求相關，追求便利的一定程度上會損失估計精度；

IMU模塊參數定義代碼參考

/**
 * @GNSS_INS.h
 * @berif: GNSS_INS variable define.
 */

#ifndef _GNSS_INS_H
#define _GNSS_INS_H

/* It's valid in 2037 years. */
typedef struct { /* time struct */
	long int time; /* time (s) expressed by standard time_t */
	double sec; /* fraction of second under 1 s */
} gtime_t;

namespace libGNSS_INS
{
	typedef struct
	{
		gtime_t time; //second
		double latitude;//deg
		double longitude;//deg
		double altitude;//m
		double heading;//deg

		double std_latitude;
		double std_longitude;
		double std_altitude;

		int position_status;//fixed float single...
		int heading_status;
	}GNSS_Data;

	typedef struct
	{
		gtime_t time;
		double gyro[3]; //deg/s
		double accel[3];//m/s2
	}IMU_Data;

	typedef struct
	{
		gtime_t time;

		double latitude; //deg
		double longitude;//deg
		double altitude;//m
		double heading;

		double roll;//deg
		double pitch;
		double yaw;

		double std_latitude;
		double std_longitude;
		double std_altitude;
		double std_heading;

//define the velocity or not.

		double std_roll;
		double std_pitch;
		double std_yaw;

		int position_status;//fixed float single...
		int heading_status;
	}GNSSINS_Data;

	typedef struct
	{
		//Algorithm  define some error status
		int accel_error;
		int gyro_error;
		int time_error;
		int arm_error;
	}Error_Flag;

	typedef struct
	{
		double X;
		double Y;
		double Z;

		double estimate_X;
		double estimate_Y;
		double estimate_Z;

//define the rotation installation deviation angle.
//define the vehicle arm lever.
//define output position coordinate.
	}Antenna_Arm;

	typedef struct
	{
		//Output Rate  HZ
		double Output_Rate;
		//Output Sample Rate (max)
		double OutputSample_Rate;

		//Accel. Range
		double Accel_Range;
		//Accel. In-Run Bias Stability (typ) g
		double AccelBias_Stability;
		//Accelerometer Velocity Random Walk (typ)  (m/s)/rthr
		double AccelVelocity_RandomWalk[3];
		//Noise Density (typ) g/rtHz
		double AccelNoise_Density;
		//Accelerometer Output Total Noise (typ) g
		double Accel_TotalNoise;
		//0G Offset Tempco (typ)  ppm/擄C
		double Accel_Tempco;
		//Accelerometer Non-Linearity (typ) % FSR
		double Accel_NonLinearity;
		//Accelerometer Axis to Axis Alignment (typ)
		double AccelAxistoAxis_Alignment;
		//Calibrated Temp Range
		double Accel_CalibratedTemperatureRange;

		//Gyro Input Range +/- (min) deg/s
		double GyroInput_Range;
		//Gyro In-Run Bias Stability (typ) deg/hr
		double GyroBias_Stability[3];
		//Gyro Angular Random Walk (typ) deg/rthr
		double GyroAngular_RandomWalk[3];
		//Gyro Noise Density (typ) (deg/s)/rtHz
		double GyroNoise_Density;
		//Gyro Linear G (typ) (deg/s)/g
		double GyroLinear_G;
		//Gyro Axis to Axis Alignment (typ) deg
		double GyroAxistoAxis_Alignment;
		//Gyro Bias Repeatability
		double GyroBias_Repeatability;
	}IMU_Model;

	class GNSS_INS
	{
	public:
		GNSS_INS();
		~GNSS_INS() = default;

		int SetIMUPar(IMU_Model *imu_par);
		void SetAntenna_Arm(Antenna_Arm arm);
		/**/
		int Calibration(GNSS_Data *gnss_data, IMU_Data *imu_data, Error_Flag* flag);

		int Init(GNSS_Data *gnss_data, IMU_Data *imu_data, Error_Flag* flag);

		void GetAntenna_Arm(Antenna_Arm* arm);

		// GNSS_Data 1/5HZ  
		// IMU_Data   100/200 HZ
		// GNSSINS_Data depend on IMU_Data 
		int Integration(GNSS_Data *gnss_data, IMU_Data *imu_data, GNSSINS_Data *integrate_result,Error_Flag* flag);

	private:
		//arm Parameters
		Antenna_Arm antenna_arm_;
		//IMU_Model
		IMU_Model imumode_;

		//Algorithm  add some variable
		double last_time_,cur_time_,dt_;
	};

}
#endif

/**
 * @GNSS_INS.c
 * @berif: GNSS_INS function define.
 */
#include <string.h>
#include "GNSS_INS.h"

namespace libGNSS_INS
{
	int GNSS_INS::Init(IMU_Model *init_par)
	{
		memcpy((unsigned char *)(&imumode_),init_par,sizeof(IMU_Model));
		return 0;
	}

	void GNSS_INS::GetAntenna_Arm(Antenna_Arm* arm)
	{
		memcpy((unsigned char *)(arm),&Antenna_Arm_,sizeof(Antenna_Arm));
	}

	void GNSS_INS::SetAntenna_Arm(Antenna_Arm arm)
	{
		memcpy((unsigned char *)(&Antenna_Arm_),&arm,sizeof(Antenna_Arm));
	}

	void GNSS_INS::SetCalibrationFlag(bool flag)
	{
		calibrationFlag_ = flag;
	}

	int Integration(GNSS_Data *gnss_data, IMU_Data *imu_data, GNSSINS_Data *integrate_result,Error_Flag* flag)
	{

	}
}