在自平衡制導(dǎo)控制系統(tǒng)中使用MEMS慣性測量單元

Ian Beavers

我在個(gè)人交通平臺(tái)的自平衡制導(dǎo)控制系統(tǒng)中使用MEMS慣性測量單元（IMU）。如果所有核心傳感器元件都在一塊硅片上，我是否可以期望消費(fèi)者針對IMU消除每個(gè)傳感器之間的所有未對準(zhǔn)誤差？

不，這通常不是對您的設(shè)計(jì)的安全期望。工業(yè)級(jí) IMU 使用具有最佳封裝和校準(zhǔn)功能的堅(jiān)固離散傳感器，與駐留在單片硅片上的面向消費(fèi)者的 IMU 相比，可提供更好的對準(zhǔn)精度。

面向消費(fèi)者和工業(yè)目標(biāo)的 IMU 傾向于以不同的方式指定軸對齊行為。消費(fèi)類 IMU 通常將所有未對準(zhǔn)誤差歸結(jié)為單個(gè)跨軸靈敏度規(guī)格。工業(yè)級(jí)目標(biāo)IMU，例如發(fā)布的ADIS16490，使用兩種不同的規(guī)格更直接地指定對準(zhǔn)精度：軸對軸未對準(zhǔn)誤差和軸到封裝未對準(zhǔn)誤差。軸到封裝未對準(zhǔn)誤差描述了每個(gè)軸的對準(zhǔn)與 IMU 封裝內(nèi)的機(jī)械特性的關(guān)系。軸到軸未對準(zhǔn)誤差描述了每個(gè)加速度計(jì)和陀螺儀軸的對準(zhǔn)在相互正交的理想情況下的擬合程度。這就是為什么軸到軸未對準(zhǔn)誤差通常也稱為正交誤差的原因。

我們可以看到跨軸靈敏度（CAS）和軸間對準(zhǔn)誤差（A2A_MAE）之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，如下所述：

非正交性的影響發(fā)生在傳感器軸之間、傳感器之間或傳感器與外殼之間的封裝未對準(zhǔn)。在工業(yè)目標(biāo)IMU上，這些規(guī)格在工廠校準(zhǔn)后在數(shù)據(jù)手冊中進(jìn)行了全面描述。對于分立元件，跨軸靈敏度規(guī)格不考慮與PCB的裝配差異。

理想情況下，陀螺儀和加速度計(jì)中的多個(gè)軸相互正交。然而，一個(gè)常見的誤解是，由于多軸陀螺儀或加速度計(jì)可以在一個(gè)分立的MEMS組件內(nèi)設(shè)計(jì)，因此每個(gè)軸彼此成90°完全正交。盡管這些設(shè)備中的所有慣性傳感器都位于一塊硅片上，但制造和制造差異引入的固有誤差仍會(huì)累積正交誤差。與完全校準(zhǔn)的工業(yè)目標(biāo)IMU相比，由此產(chǎn)生的等效對準(zhǔn)精度實(shí)際上并不令人印象深刻。

對消費(fèi)者目標(biāo)設(shè)備的快速調(diào)查顯示，跨軸靈敏度通常在1%至5%之間。使用上述關(guān)系，會(huì)導(dǎo)致等效軸到軸錯(cuò)位誤差為0.57°至2.87°。但是，它也可以以毫弧度為單位定義，等于0.057°。工業(yè)級(jí)IMU通常要精確得多。我們還可以使用這種關(guān)系將工業(yè)目標(biāo)IMU的軸間誤差轉(zhuǎn)換為0.018°的等效交叉軸靈敏度。

盡管沒有將所有慣性傳感器都放在一塊硅片上存在明顯的缺點(diǎn)，但ADIS16489工業(yè)級(jí)IMU的性能仍然比最好的消費(fèi)類器件高出~32×。

為了理解非正交誤差的影響，讓我們假設(shè)一個(gè)加速度計(jì)軸完全指向上方，并且設(shè)備正好水平。這個(gè)z軸上的加速度計(jì)理想地測量重力的總影響。如果其他兩個(gè)軸是完全正交的，它們將不會(huì)測量任何重力矢量。但是，如果存在非正交性誤差，則其他兩個(gè)水平軸將測量重力矢量的某些部分。例如，如果設(shè)備提供 1% 的跨軸靈敏度，則其對重力的等效響應(yīng)將為 10 mg。這相當(dāng)于0.6°的等效對準(zhǔn)誤差。相反，如果第一個(gè)軸與水平框架不正交，它將測量小于完整的重力矢量。

圖1.左側(cè)理想的 3 軸正交情況反映了矢量的真實(shí)影響。非正交誤差允許在所有軸上看到旋轉(zhuǎn)或力的泄漏。

正交誤差是加速度計(jì)總誤差中特別穩(wěn)定的分量。因此，它們可能會(huì)產(chǎn)生基于一次性校準(zhǔn)的校正。為了確定加速度計(jì)軸對的正交誤差，當(dāng)加速度計(jì)在所有可能的 90° 方向空間中旋轉(zhuǎn)時(shí)，測量每個(gè)軸對重力的靜態(tài)響應(yīng)。這可以使用精密萬向節(jié)支架或在已知的正交表面上完成。

在將元件安裝到PCB上后，在整個(gè)工作條件下有效校準(zhǔn)正交誤差可能是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的提議。慣性校準(zhǔn)需要觀察每個(gè)傳感器響應(yīng)，而設(shè)備正在經(jīng)歷良好控制的運(yùn)動(dòng)曲線。這些類型的運(yùn)動(dòng)曲線通常需要高度專業(yè)化的設(shè)備和專業(yè)知識(shí)才能隨著時(shí)間的推移有效運(yùn)行。與已經(jīng)預(yù)先校準(zhǔn)安裝的工業(yè)目標(biāo)IMU相比，PCB上安裝的每個(gè)消費(fèi)類MEMS器件都需要根據(jù)其他傳感器、環(huán)境性能和溫度進(jìn)行校準(zhǔn)。

工業(yè) IMU 由 3 個(gè)陀螺儀軸和 3 個(gè)加速度計(jì)軸組成，在將分立元件安裝在堅(jiān)固模塊的微型 PCB 上后，利用制造過程中的校準(zhǔn)步驟。這種單工廠校準(zhǔn)不僅可以識(shí)別和補(bǔ)償MEMS器件本身的非正交性，還可以識(shí)別和補(bǔ)償任何與裝配相關(guān)的偏斜。這最大限度地減少了與裝配差異、跨軸誤差和溫度相關(guān)的誤差。ADIS16489提供工廠校準(zhǔn)，可最大限度地減少平臺(tái)穩(wěn)定、導(dǎo)航或機(jī)器人應(yīng)用中的軸對準(zhǔn)誤差。ADIS16489采用數(shù)字三軸陀螺儀和三軸加速度計(jì)，提供僅為±0.018°軸間陀螺儀錯(cuò)位誤差和±0.035°加速度計(jì)軸間誤差。除了高性能傳感器參數(shù)外，ADIS16489還提供聚對二甲苯涂層，作為其內(nèi)部電路的防潮層。

審核編輯：郭婷