如何将3D加速计和陀螺仪组合使用

加速计和陀螺仪是获取无人机、蜂窝电话、汽车、接收机和移动物联网设备中加速和旋转信息的传感器选择。但加速计和陀螺仪都容易有误差，加速计可能出现噪音、陀螺仪可能出现漂移，因此要求设计师采用新颖的方法实现最高的精度。

方法之一是采用传感器融合。本文将对加速计和陀螺仪进行独立评估，以期发现这些噪声和漂移误差是如何发生的。接下来将介绍这两种传感器的示例，并说明如何利用传感器融合技术，将这两种传感器的结果结合在一起并减少这些误差的影响。

选择正确的传感器

加速计用于测量对物体施加的所有线性力，单位是毫伏/克 (mV/g)。移动的物体会展现出动态运动，例如加速度，并持续受到重力这一静态力。将加速计连接到物体上后，可以测量物体的加速度和作用于物体上的万有引力。但随着时间的推移，加速计容易出现位置误差。

图 1：配备 3D 加速计和 3D 陀螺仪传感器的无人机能够成功向地面控制装置提供位置反馈。（图片来源：维基百科和 STMicroelectronics）

陀螺仪可提供物体角速度随时间的变化率，单位是 mV/度/秒 (mV/deg/sec)。将陀螺仪连接到物体上后，传感器可以平稳测量物体的角度变化，但同加速计一样，随着时间的推移，陀螺仪也会出现稳定增大的角度误差。

很多加速计和陀螺仪采用微机电系统 (MEMS) 制造而成。在 MEMS 传感器的生产过程中，硅元件和机械元件被组合在同一块微米级硅基底上。这些器件中的主要元件是机械元件、感应机制和专用集成电路 (ASIC)。

作为加速计的 MEMS

单个 MEMS 加速计的结构采用固定硅板以及用于响应外力的机械弹簧（图 2）。

图 2：MEMS 加速计型号采用硅元件和机械元件，根据加速度的变化得出电容的变化。（图片来源：HowToMechatronics.com）

通用 MEMS 感应技术是使用片载可变电容器。在运动中，绿色的固定板保持静止，而橙色的重物沿加速度轴弯曲。通过这种运动，电容值 C1 和 C2 会随着固定板与重物之间距离的变化而变化。

图 3：一种 MEMS 加速计电容器结构特写。（图片来源：Digi-Key Electronics）

在数量上，C1 和 C2 值的变化取决于电容器板之间的距离 d（图 3）。