基于MEMS的慣性測(cè)量組合，實(shí)現(xiàn)中精度、低成本、高可靠性

MEMS傳感器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于航空航天、導(dǎo)航與制導(dǎo)控制以及生物醫(yī)療和生物醫(yī)學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域。隨著MEMS技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟，低成本、安裝體積小、中精度的慣性測(cè)量組合在實(shí)際應(yīng)用中展現(xiàn)出重要價(jià)值。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，面向系統(tǒng)的小型化需求，北京航天發(fā)射技術(shù)研究所和中國(guó)人民解放軍93160部隊(duì)的研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種基于MEMS的慣性測(cè)量組合，并通過(guò)建立誤差參數(shù)模型，對(duì)慣性測(cè)量組合的誤差進(jìn)行了標(biāo)定補(bǔ)償。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該慣性測(cè)量組合可以實(shí)現(xiàn)載體3個(gè)軸的視加速度以及繞軸運(yùn)動(dòng)的角速度等傳感器信息的輸出，主要性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)需求，未來(lái)有望在小型無(wú)人機(jī)、穩(wěn)定平臺(tái)等領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用。相關(guān)研究成果以“基于MEMS的慣性測(cè)量組合設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)”為題發(fā)表在《自動(dòng)化與儀表》期刊上。

該慣性測(cè)量組合包含以MEMS陀螺儀和石英加速度計(jì)為核心器件組合而成的慣性測(cè)量單元（IMU），以及通訊板和電源模塊。IMU是慣性測(cè)量組合的核心模塊，包括1個(gè)三軸MEMS陀螺儀和3個(gè)石英加速度計(jì)，它可以實(shí)時(shí)向外輸出載體沿3個(gè)載體軸的視加速度以及繞載體軸運(yùn)動(dòng)的角速度。利用數(shù)字信號(hào)處理（DSP）芯片對(duì)MEMS陀螺儀和加速度計(jì)的信號(hào)進(jìn)行采集，通過(guò)建立誤差模型進(jìn)行誤差標(biāo)定補(bǔ)償，標(biāo)定后的組合能夠?qū)崟r(shí)對(duì)外輸出三軸角速度和加速度等傳感器信息。

圖1 慣性測(cè)量組合結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 慣性測(cè)量組合原理框圖

通訊板是慣性測(cè)量組合的數(shù)據(jù)處理中心，一方面完成陀螺儀和加速度計(jì)等傳感器的數(shù)據(jù)解析和信號(hào)采集工作，另一方面對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波和誤差補(bǔ)償，最終按照通訊協(xié)議完成與上位機(jī)軟件之間的交互。與以往的定點(diǎn)DSP相比，該器件的精度高、成本低、功耗小、外設(shè)集成度高、數(shù)據(jù)以及程序存儲(chǔ)量大，適用于各種控制類工業(yè)設(shè)備。

圖3 通訊板電路原理框圖

為了提高加速度計(jì)的采樣精度，通訊板集成了電流-頻率轉(zhuǎn)換電路（I/F電路）的功能。采用模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）采樣方式，將高精度A/D轉(zhuǎn)換器應(yīng)用于加速度計(jì)輸出信號(hào)測(cè)量，可以通過(guò)新型模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)字信號(hào)處理理論解決“小體積、大動(dòng)態(tài)”的問(wèn)題。

圖4 加速度計(jì)A/D采樣電路

根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行的硬件平臺(tái)和軟件功能，慣性測(cè)量組合的軟件主要實(shí)現(xiàn)MEMS陀螺儀和3個(gè)加速度計(jì)的信號(hào)采集，進(jìn)行濾波處理后按規(guī)定的頻率上傳給上位機(jī)，軟件主要由串口通信模塊、參數(shù)輸入輸出模塊、信號(hào)濾波模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和CRC校驗(yàn)?zāi)K等組成。

圖5 軟件工作流程

由于慣性測(cè)量組合在制造和安裝等過(guò)程中不可避免的會(huì)帶來(lái)一定的誤差，需要建立誤差模型對(duì)誤差進(jìn)行標(biāo)定補(bǔ)償。在對(duì)慣性測(cè)量組合進(jìn)行誤差參數(shù)標(biāo)定之后，研究人員對(duì)慣性測(cè)量組合的主要性能指標(biāo)進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，陀螺儀的零偏重復(fù)性和穩(wěn)定性達(dá)到10°/h(1σ)，加速度計(jì)的零偏重復(fù)性達(dá)到40 μg(1σ)，穩(wěn)定性達(dá)到15 μg(1σ)。

表1 慣性測(cè)量組合主要性能指標(biāo)（1σ）

綜上所述，這項(xiàng)研究針對(duì)設(shè)備需求小型化的特點(diǎn)，基于MEMS傳感器設(shè)計(jì)了一款中精度、低成本、高可靠性的慣性測(cè)量組合，該慣性測(cè)量組合可以實(shí)現(xiàn)載體三軸角速度和加速度等傳感器信息，精度指標(biāo)滿足實(shí)際使用需要，未來(lái)有望應(yīng)用于小型無(wú)人機(jī)、穩(wěn)定平臺(tái)等領(lǐng)域。

論文信息：
DOI: 10.19557/j.cnki.1001-9944.2024.02.027

審核編輯：劉清