微机电惯性器件的配对筛选方法
技术领域
本发明涉及惯性导航技术领域，尤其涉及微机电惯性器件的配对筛选方法。
背景技术
微机电惯性器件是以测量载体在惯性空间内转动运动和位置运动为目的的微机电系统。在许多运动体上，特别是高速度、高动态的飞行器上，广泛使用微机电惯导系统，以降低成本和减小飞行器的体积。
但这些飞行器对测量精度的要求很高，现有的提高测量精度的方法是：将两个相同型号的陀螺仪或者加速度计同轴反向冗余安装，飞行器采集两个陀螺仪或者加速度计的输出值后做“平均”，用以消除零位误差，经过滤波后即可作为惯导系统的一个“轴”的输出值。
虽然两个相同型号的陀螺仪或者加速度计同轴反向冗余安装后可以降低力学环境，例如振动，造成的误差。但是，对于同轴反向冗余安装的配对器件，如果它们在温度变化条件下的误差特征不同，工作时间越长，产生的误差越大。特别是误差特征随温度变化规律性不强的器件参与了配对，对测量精度产生的不利影响更大，也更难以补偿消除。即使在上电初期，进行过较长时间的“归零”处理，也无助于减小后续使用误差。
因此，提出一种能够配对筛选出两个在相同温度条件下，随时间变化表现出相似的特征的微机电惯性器件的方法是非常有必要的。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供了微机电惯性器件的配对筛选方法，能够在批量生产中提高配对筛选效率，通过低精度的微机电惯性器件实现高精度的测量结果，降低惯导系统的成本。
为实现上述目的，本发明提供了微机电惯性器件的配对筛选方法，所述配对筛选方法包括：
在每个设定采样环境条件下，处理器发送上电控制信号，对各待测微机电惯性器件的样本进行上电，根据预设采样次数和预设采样总时长得到采样频率，并根据上电时间和所述采样频率计算得到多个采样时刻；
采样单元在每个采样时刻采集每个所述样本的实测温度数据和上电零位输出值，生成每个所述样本的一个采样数据发送给所述处理器；所述一个采样数据包括一个样本的器件ID、采样时刻、实测温度数据和上电零位输出值；
所述处理器对每个器件ID建立所述器件ID的多个采样数据和当前设定采样环境的温度节点的第一对应关系；
所述处理器对每个器件ID对应的多个实测温度数据和多个上电零位输出值分别进行平均值计算，得到在当前的温度节点下，每个器件ID对应的平均实测温度数据和第一上电零位平均输出值；
所述处理器对全部样本的第一上电零位平均输出值进行平均值计算，得到在当前的温度节点下，全部样本的第二上电零位平均输出值；
所述处理器对每个器件ID对应的平均实测温度数据和第二上电零位平均输出值进行二次最小二乘法拟合处理，得到每个器件ID对应的在所述温度节点下的上电零位拟合输出值；
所述处理器根据全部设定采样环境条件下的各个器件ID的上电零位拟合输出值进行每个器件ID的上电零位离散程度计算，得到每个器件ID对应的离散程度值，并得到离散程度均值；
所述处理器根据每个器件ID的上电零位离散程度值和离散程度均值的偏离量对全部样本进行有效性筛选处理；
所述处理器对筛选为有效的样本的集合中的任意两个样本的实测温度数据和上电零位输出值进行一阶、二阶最小二乘法拟合处理，并根据拟合度确定所述有效的样本的集合中的配对样本；所述配对样本包括两个样本。
优选的，在所述处理器发送上电控制信号之前，所述配对筛选方法还包括：
放置所述样本的试验箱根据接收到的温控指令进行升温或降温；
所述试验箱的温度传感器实时检测试验箱内的温度，得到实时测试温度，发送给处理器；
所述处理器判断所述实时测试温度是否等于任一所述温度节点对应的温度值，且判断当前温度节点是否为预设温度端点；
当实时测试温度等于一个温度节点对应的温度值，且不是预设温度端点时，所述处理器向所述试验箱发送保温指令，用以所述试验箱在所述一个温度节点对应的温度值上对样品进行保温；当保温持续时长达到预设时长时,所述处理器生成上电控制信号，用以控制全部待测微机电惯性器件的样本上电；
当所述测试温度等于预设温度端点时，所述处理器生成停止升温或停止降温的控制指令，并且根据预设温度端点偏离调整值，生成温控指令。
优选的，所述采样时刻具有对应的采样顺序编号；所述根据预设采样次数和预设采样总时长得到采样频率，并根据上电时间和所述采样频率计算得到多个采样时刻具体包括：
根据公式
其中，i为温度节点的编号，tik为第i个温度节点的第k个采样时刻，ti0为第i个温度节点的上电时间，Δt为预设采样总时长，n为预设采样次数，k为采样顺序编号，k＝1,2,3,……,n。
优选的，所述处理器对每个器件ID对应的平均实测温度数据和第二上电零位平均输出值进行二次最小二乘法拟合处理，得到每个器件ID对应的在所述温度节点下的上电零位拟合输出值具体包括：
根据公式
其中，i为温度节点的编号，
进一步优选的，所述处理器根据全部设定采样环境条件下的各个器件ID的上电零位拟合输出值进行每个器件ID的上电零位离散程度计算，得到每个器件ID对应的离散程度值，并得到离散程度均值具体包括：
根据公式
其中，m为样本的编号，i为温度节点的编号，VARm为第m个样本的离散程度值，
根据公式
其中，
进一步优选的，所述处理器根据每个器件ID的上电零位离散程度值和离散程度均值的偏离量对全部样本进行有效性筛选处理具体包括：
根据公式
其中，
进一步优选的，所述配对筛选方法还包括：
所述处理器统计并判断所述有效的样本的数量为偶数或者奇数；
当所述有效的样本的数量为偶数时，根据公式
其中，s1为有效的样本的数量，N为组合数量。
进一步优选的，所述处理器对筛选为有效的样本的集合中的任意两个样本的实测温度数据和上电零位输出值进行一阶、二阶最小二乘法拟合处理，并根据拟合度确定所述有效的样本的集合中的配对样本具体包括：
根据公式
其中，m为样本的编号，
根据公式
根据公式
其中，m1为一个样本的编号，m2为另一个样本的编号，
根据公式
其中，
根据公式
根据公式
其中，pμ1为一阶拟合差异系数，pμ2为二阶拟合差异系数，
进一步优选的，所述配对筛选方法还包括：
当
根据公式
其中，
根据公式
根据公式
其中，
进一步优选的，
其中，
本发明实施例提供的微机电惯性器件的配对筛选方法，能够在批量生产中提高配对筛选效率，通过低精度的微机电惯性器件实现高精度的测量结果，降低惯导系统的成本。
附图说明
图1为本发明实施例提供的微机电惯性器件的配对筛选系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的待测微机电惯性器件的安装示意图；
图3为本发明实施例提供的试验箱的温度节点的示意图；
图4为本发明实施例提供的试验箱的升降温控制方法；
图5为本发明实施例提供的微机电惯性器件的配对筛选方法的流程图；
图6为本发明实施例提供的第一配对示意图；
图7为本发明实施例提供的第二配对示意图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
本发明提供的微机电惯性器件的配对筛选方法，能够在批量生产中提高配对筛选效率，通过低精度的微机电惯性器件实现高精度的测量结果，降低惯导系统的成本。
为便于理解本发明，首先说明本发明提供的微机电惯性器件的配对筛选方法的工作原理：提取多个不同温度下待测微机电惯性器件的上电零位输出值，构建温度与上电零位输出值的数学关系，最终根据数学关系的变化趋势进行配对，筛选出两个在相同温度条件下，随时间变化表现相似的微机电惯性器件。
图1为本发明实施例提供的微机电惯性器件的配对筛选系统的结构示意图，如图1所示，对实现本发明提供的微机电惯性器件的配对筛选方法的微机电惯性器件的配对筛选系统进行说明。微机电惯性器件的配对筛选系统包括试验箱1隔振平台2测试底板3、通过线缆与测试底板连接的测试设备4、安装在测试底板上的温度传感器5(图中未示出)。
隔振平台2和测试底板3放置在试验箱1内，隔振平台2用于隔离外部振动，测试底板3用于批量安装待测微机电惯性器件。试验箱1用于升温、降温、保温，为待测微机电惯性器件提供温度环境。测试设备4的采样单元采集待测微机电惯性器件的上电零位输出值和实测温度数据，测试设备4的处理器通过分析自动生成配对组合。测试设备4还可以同时与多个测试底板连接。
图2为本发明实施例提供的待测微机电惯性器件的安装示意图，如图2所示，每个待测微机电惯性器件安装在测试底板3的一个指定位置。通过温度传感器5监测指定位置的温度实现监测每个待测微机电惯性器件的实测温度数据。
图3为本发明实施例提供的试验箱的温度节点的示意图，图4为本发明实施例提供的试验箱的升降温控制方法，结合图3和图4所示，说明试验箱的升降温控制方法。
步骤S1，放置样本的试验箱根据接收到的温控指令进行升温或降温；
步骤S2，试验箱的温度传感器实时检测试验箱内的温度，得到实时测试温度，发送给处理器；
步骤S3，处理器判断实时测试温度是否等于任一温度节点对应的温度值；
当实时测试温度不等于任一温度节点对应的温度值时，执行步骤S9，试验箱继续升温或降温；当实时测试温等于任一温度节点对应的温度值时，执行步骤S4，处理器判断当前温度节点是否为预设温度端点；
当当前温度节点不是预设温度端点时，执行步骤S5；当当前温度节点是预设温度端点时，执行步骤S10，处理器生成停止升温或停止降温的控制指令，并且根据预设温度端点偏离调整值，生成温控指令。
步骤S5，处理器向试验箱发送保温指令，用以试验箱在一个温度节点对应的温度值上对样品进行保温；
步骤S6，处理器判断保温持续时长是否达到预设时长；
当保温持续时长达到预设时长时,执行步骤S7，处理器生成上电控制信号，用以控制全部待测微机电惯性器件的样本上电；
当保温持续时长未达到预设时长时,执行步骤S8，试验箱继续处于保温状态。
在一个具体的例子中，如图3所示，试验箱的升温与降温过程均以10℃为梯度。为了增加采样密度，同时保证高效率配对，将升温与降温过程间隔5℃错开，并设置在以5℃为整数倍的温度处保持温度，直到待测微机电惯性器件内外温度达到平衡，再继续升温或降温。
在达到温度平衡状态后，即试验箱处于保温状态的持续时长达到预设时长时，处理器生成上电控制信号，用以控制全部待测微机电惯性器件上电，直到采样时间达到规定时间后断电，试验箱继续升温或降温,等待到达下一个温度节点。
图5为本发明实施例提供的微机电惯性器件的配对筛选方法的流程图，结合图5，说明本发明的配对筛选方法的具体步骤。
步骤101，在每个设定采样环境条件下，处理器发送上电控制信号，对各待测微机电惯性器件的样本进行上电，根据预设采样次数和预设采样总时长得到采样频率，并根据上电时间和采样频率计算得到多个采样时刻；
具体的，根据式1计算采样时刻：
其中,i为温度节点的编号，tik为第i个温度节点的第k个采样时刻，ti0为第i个温度节点的上电时间，Δt为预设采样总时长，n为预设采样次数，k为采样顺序编号，k＝1,2,3,……,n。
步骤102，采样单元在每个采样时刻采集每个样本的实测温度数据和上电零位输出值，生成每个样本的一个采样数据发送给处理器；
具体的，一个采样数据包括一个样本的器件ID、采样时刻、实测温度数据和上电零位输出值。
步骤103，处理器对每个器件ID建立器件ID的多个采样数据和当前设定采样环境的温度节点的第一对应关系；
具体的，温度节点与每个样本的器件ID、采样时刻、实测温度数据和上电零位输出值相对应。每个样本在一个温度节点有多个采样时刻，每个样本在一个采样时刻有一个对应的实测温度数据和一个对应的上电零位输出值。
步骤104，处理器对每个器件ID对应的多个实测温度数据和多个上电零位输出值分别进行平均值计算，得到在当前的温度节点下，每个器件ID对应的平均实测温度数据和第一上电零位平均输出值；
具体的，根据式2计算平均实测温度数据：
其中，k为实测温度数据对应的采样时刻的顺序编号，k＝1,2,3,......,n，n为采样次数，i为样本的编号，
以上为在一个温度节点下，计算每个样本的平均实测温度数据的方法，经过多次计算，得到每个样本的在不同温度节点下的平均实测温度数据。
根据式3计算第一上电零位平均输出值：
其中，k为实测温度数据对应采样时刻的顺序编号，k＝1,2,3,......,n，n为采样次数，i为温度节点的编号，
步骤105，处理器对全部样本的第一上电零位平均输出值进行平均值计算，得到在当前的温度节点下，全部样本的第二上电零位平均输出值；
具体的，根据式4计算全部样本的第二上电零位平均输出值：
其中，m为样本的编号，s为样本的数量，i为温度节点编号，
步骤106，处理器对每个器件ID对应的平均实测温度数据和第二上电零位平均输出值进行二次最小二乘法拟合处理，得到每个器件ID对应的在温度节点下的上电零位拟合输出值；
具体的，根据式5计算上电零位拟合输出值：
其中，i为温度节点的编号，
步骤107，处理器根据全部设定采样环境条件下的各个器件ID的上电零位拟合输出值进行每个器件ID的上电零位离散程度计算，得到每个器件ID对应的离散程度值，并得到离散程度均值；
具体的，根据式6计算每个样本的离散程度值：
其中，m为样本的编号，i为温度节点的编号，VARm为第m个样本的离散程度值，
根据式7计算离散程度均值：
其中，
步骤108，处理器根据每个器件ID的上电零位离散程度值和离散程度均值的偏离量对全部样本进行有效性筛选处理；
具体的，根据式8确定有效的样本：
其中，
确定有效的样本后，根据有效的样本的数量计算配对组合的组合数量。
处理器统计并判断有效的样本的数量为偶数或者奇数；
当有效的样本的数量为偶数时，根据式9确定配对组合的组合数量：
当有效的样本的数量为奇数时，根据式10确定配对组合的组合数量：
其中，s1为有效的样本的数量，N为组合数量。
在一个具体的例子中，图6为本发明实施例提供的第一配对示意图，有效的样本的数量为奇数时，以s1＝5为例，其配对过程的树状图如图6所示。
在另一个具体的例子中，图7为本发明实施例提供的第二配对示意图，有效的样本的数量为偶数时，以s1＝6为例，其配对过程的树状图如图7所示。
步骤109，处理器对筛选为有效的样本的集合中的任意两个样本的实测温度数据和上电零位输出值进行一阶、二阶最小二乘法拟合处理，并根据拟合度确定有效的样本的集合中的配对样本。
具体的，配对样本包括两个样本。
根据式11计算每个样本在全部温度节点下的一阶拟合度：
根据式12，计算每个样本在全部温度节点下的二阶拟合度：
其中，m为样本的编号，
通过一阶、二阶最小二乘法拟合处理，得到每个被测试品上电零位与温度的一阶、二阶拟合曲线。拟合曲线体现了样本的上电零位输出值的变化趋势，上电零位输出值变化趋势越相近的两个样本的匹配程度越高。上述一阶拟合系数和二阶拟合系数体现了拟合曲线的变化趋势，以下通过对一阶拟合系数和二阶拟合系数的分析，确定上电零位输出值变化趋势相近的两个样本。
根据式13计算一阶拟合差异值：
根据式14计算二阶拟合差异值：
其中，m1为一个样本的编号，m2为另一个样本的编号，
将
根据式15计算第m1个样本和第m2个样本的一阶匹配度:
根据式16计算第m1个样本和第m2个样本的二阶匹配度:
其中，
根据式17计算一阶拟合差异系数:
根据式18计算二阶拟合差异系数:
其中，pμ1为一阶拟合差异系数，pμ2为二阶拟合差异系数，
当
以下计算最优配对：根据式19计算全部配对组合的二阶匹配度均值:
其中，
根据式20计算二阶匹配度标准差:
其中，
配对方案的评价指标主要有两个：二阶匹配度均值
根据式21，确定配对样本:
其中，
最终得到的配对样本就是该批次待测微机电惯性器件在相同温度条件下随时间变化趋势，表现特征最为相似的两个样本。采用这两个样本同轴反向冗余安装在飞行器上，可以减小误差，提高测量结果精度。
本发明的微机电惯性器件的配对筛选方法，能够在批量生产中提高配对筛选效率，通过低精度的微机电惯性器件实现高精度的测量结果，降低惯导系统的成本。
专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
