自動駕駛基礎(chǔ) 慣性測量單元(IMU)

現(xiàn)在隨著陀螺儀的發(fā)展，技術(shù)越來越成熟，陀螺儀的結(jié)構(gòu)和原理都有著很大的變化。由于設(shè)備對偏轉(zhuǎn)度的要求越來越精準(zhǔn)，已經(jīng)出現(xiàn)了高精度陀螺儀這一概念，完全不局限在傳統(tǒng)的機械陀螺儀當(dāng)中。所以，對于陀螺儀的分類，除了上述按照陀螺儀的發(fā)展階段以及技術(shù)特點的分類外，還可以按照陀螺儀的精度性能來分類。

陀螺漂移是陀螺儀性能高低的主要表征。陀螺漂移是由于制造上的缺陷及干擾產(chǎn)生的偏離穩(wěn)定的輸出，用度/小時表示。按照精度性能，陀螺儀可分為以下三類：

1. 高精度陀螺（慣性級）

陀螺漂移率優(yōu)于0.001度/小時（1σ），主要用于洲際導(dǎo)彈、核潛艇、遠(yuǎn)程運載火箭、戰(zhàn)略轟炸機等戰(zhàn)略武器。

2. 中精度陀螺（導(dǎo)航級）

陀螺漂移率優(yōu)于0.01度/小時（1σ），用于戰(zhàn)術(shù)飛機、水面艦船、先進(jìn)戰(zhàn)車以及各類新型導(dǎo)彈等的導(dǎo)航與制導(dǎo)。

3. 低精度陀螺（速率級）

陀螺漂移率為0.1~1度/小時（1σ），用于工作時間較短的、精度要求相對較低的慣性系統(tǒng)，如各類戰(zhàn)術(shù)武器、各種穩(wěn)瞄平臺、無人運載器、飛機航姿系統(tǒng)等。

以漂移率優(yōu)于0.01度/小時（1σ）的導(dǎo)航級陀螺為例，它能使用戶獲得大約1海里/小時的位置精度和1毫弧度的方位精度。而漂移優(yōu)于0.01度/小時的概念是，它必須能測量1/1000的地球自轉(zhuǎn)角速率（地球自轉(zhuǎn)角速率為15.0411度/小時）。這意味著，這種儀表應(yīng)能測量相當(dāng)于每3年（幾乎1000天）旋轉(zhuǎn)1圈的物體的旋轉(zhuǎn)角速度。如果是在捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的機械編排下，它還必須能測量運載體全部的旋轉(zhuǎn)角速率，這個角速率可能是3000度/秒（約107度/小時）或更高。因而，導(dǎo)航級陀螺必須具有10-2~107度/小時的動態(tài)范圍，跨度約為9個數(shù)量級。大多數(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)還要求這種測量非常頻繁地進(jìn)行，為100~200次/秒。如此苛刻的要求就是陀螺儀表如此復(fù)雜和昂貴的原因。

下面就來介紹一下，近年來成功開發(fā)的高精度陀螺儀。

一.靜電陀螺儀

雖然傳統(tǒng)的機械陀螺儀已經(jīng)滿足不了用戶、或是場景變換上的精度需求了，但并不意味著包含轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的陀螺儀已經(jīng)完全退出了高精度陀螺儀隊伍當(dāng)中。其身為機械陀螺儀的升級版本，靜電陀螺儀利用電場克服了轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的摩擦力，大大提高了陀螺儀的精度?？上a(chǎn)難度較大，限制了其大規(guī)模的應(yīng)用。

二.壓電陀螺儀

對于經(jīng)常接觸傳感器的人都會知道，在需要完成測壓力這一任務(wù)的時候，我們基本會采用壓電傳感器。但對壓電陀螺儀并不清楚，壓電陀螺儀是一種振動陀螺，依靠壓電材料的壓電效應(yīng)，當(dāng)角速度不同時，貼在不同方向上的壓電薄片的電壓也出現(xiàn)偏差，依此測量角速度。作為高精度陀螺儀，壓電陀螺儀的抗干擾能力也十分強大，甚至經(jīng)受的動態(tài)核爆實驗也沒有損壞，因此多用在軍工方面。

三. 光纖陀螺儀

光纖陀螺儀可謂順應(yīng)著時代的陀螺儀潮流而誕生，其具有精度高，體積小等特點，而且在成本方面也非常低，占據(jù)著絕大的地位，幾乎完美。該種類的高精度陀螺儀利用的是光在轉(zhuǎn)動光纖線圈內(nèi)光程隨角速度大小的變化，利用干涉來顯現(xiàn)出來。目前光纖陀螺儀由于精度和價格的原因，往往在使用者的首選名單之中。

四.高精度MEMS微機械陀螺儀

說到微機械陀螺儀，很多人認(rèn)為是低成本低精度要求的產(chǎn)品，因為MEMS陀螺儀的產(chǎn)生和發(fā)展，才使的這一技術(shù)應(yīng)用到對成本特別敏感的智能手機等移動設(shè)備中，并促進(jìn)了慣性導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展。

單軸和雙軸MEMS角速度傳感器（陀螺傳感器）產(chǎn)品主要用于游戲機、輸入設(shè)備、導(dǎo)航儀、PND（Portable Navigation Device）及數(shù)碼相機等。單軸產(chǎn)品可檢測偏擺方向。雙軸產(chǎn)品備有可檢測俯仰方向及滾轉(zhuǎn)方向的品種，以及可檢測俯仰方向及偏擺方向的品種。可檢測的角速度因品種而異，最大為30～6000度/秒。輸出為模擬信號。各產(chǎn)品備有對各軸信號進(jìn)行1倍（無放大）輸出和放大至4倍的兩個端口。降低了溫度誤差以及隨時間變化的誤差。零點溫度漂移為0.05度/秒/℃。噪聲方面，可檢測的角速度為最大30度/秒的品種控制在了0.014度/秒/√Hz。

但是實際上，MEMS陀螺儀經(jīng)過系統(tǒng)級校準(zhǔn)，也是可以做成高精度的產(chǎn)品的，并在逐步替代光纖陀螺儀。

高精度陀螺儀是隨著科技的發(fā)展，時代的需要下的產(chǎn)物，只有技術(shù)的不斷完善，或是有新的研發(fā)，這才是時代的潮流。

下面是常見的陀螺儀性能指標(biāo)與解釋

零偏

零偏，又稱為零位漂移或零位偏移或零偏穩(wěn)定性，也可簡稱零漂或漂移率，英文中稱為drift 或bias drift。零偏應(yīng)理解為陀螺儀的輸出信號圍繞其均值的起伏或波動，習(xí)慣上用標(biāo)準(zhǔn)差（σ）或均方根（RMS ）表示，一般折算為等效輸入角速率(°/ h) 。在角速度輸入為零時，陀螺儀的輸出是一條復(fù)合白噪聲信號緩慢變化的曲線，曲線的峰-峰值就是零偏值（drift ），如下圖所示。在整個性能指標(biāo)集中，零偏是評價陀螺儀性能優(yōu)劣的最重要指標(biāo)。

分辨率

陀螺儀中的分辨率是用白噪聲定義的，如圖2-6 中所示，可以用角隨機游走來表示，可以簡化為一定帶寬下測得的零偏穩(wěn)定性與監(jiān)測帶寬的平方根之比，其單位為 °??1 °。角度隨機游走表征了長時間累積的角度誤差。角隨機游動系數(shù)反映了陀螺在此處鍵入公式。的研制水平，也反映了陀螺可檢測的最小角速率能力，并間接反映了與光子、電子的散粒噪聲效應(yīng)所限定的檢測極限的距離。據(jù)此可推算出采用現(xiàn)有方案和元器件構(gòu)成的陀螺是否還有提高性能的潛力。

標(biāo)度因子

標(biāo)度因子是陀螺儀輸出量與輸入角速率變化的比值，通常用某一特定的直線斜率表示，該斜率是根據(jù)整個正(或負(fù)) 輸入角速率范圍內(nèi)測得的輸入/輸出數(shù)據(jù)，通過最小二乘法擬合求出的直線斜率。對應(yīng)于正輸入和負(fù)輸入有不同的刻度因子稱為刻度因子不對稱，其表明輸入輸出之間的斜率關(guān)系在零輸入點不連續(xù)。一般用刻度因子穩(wěn)定性來衡量刻度因子存在的誤差特性，它是指陀螺在不同輸入角速率情況下能夠通過標(biāo)稱刻度因子獲得精確輸出的能力。非線性往往與刻度因子相關(guān)，是指由實際輸入輸出關(guān)系確定的實際刻度因子與標(biāo)稱刻度因子相比存在的非線性特征，有時還會采用線性度，其指陀螺輸入輸出曲線與標(biāo)稱直線的偏離程度，通常以滿量程輸出的百分比表示。

動態(tài)范圍

陀螺在正、反方向能檢測到的輸入角速率的最大值表示了陀螺的測量范圍。該最大值除以閥值即為陀螺的動態(tài)范圍，該值越大表示陀螺敏感速率的能力越強。

帶寬

帶寬是指陀螺能夠精確測量輸入角速度的頻率范圍，這個頻段范圍越大表明陀螺的動態(tài)響應(yīng)能力越強。對于開環(huán)模式工作的陀螺，帶寬定義為響應(yīng)相位從0到滯后90度對應(yīng)的頻段，也可等同定義為振幅響應(yīng)比為0.5 即3dB 點對應(yīng)的頻段。對于閉環(huán)模式工作的陀螺，帶寬定義為控制及解調(diào)電路的帶寬，一般指解調(diào)電路中使用的低通濾波器的截至頻率。電路帶寬實際上是反映該電路對輸入信號的響應(yīng)速度，帶寬越寬，響應(yīng)速度越快，允許通過的信號頻率越高，若頻率為某一值的正弦波信號通過電路時其能量被消耗一半，則這個頻率便是此電路的帶寬。