在自平衡制导控制系统中使用MEMS惯性测量单元

Ian Beavers

我在个人交通平台的自平衡制导控制系统中使用MEMS惯性测量单元（IMU）。如果所有核心传感器元件都在一块硅片上，我是否可以期望消费者针对IMU消除每个传感器之间的所有未对准误差？

不，这通常不是对您的设计的安全期望。工业级 IMU 使用具有最佳封装和校准功能的坚固离散传感器，与驻留在单片硅片上的面向消费者的 IMU 相比，可提供更好的对准精度。

面向消费者和工业目标的 IMU 倾向于以不同的方式指定轴对齐行为。消费类 IMU 通常将所有未对准误差归结为单个跨轴灵敏度规格。工业级目标IMU，例如发布的ADIS16490，使用两种不同的规格更直接地指定对准精度：轴对轴未对准误差和轴到封装未对准误差。轴到封装未对准误差描述了每个轴的对准与 IMU 封装内的机械特性的关系。轴到轴未对准误差描述了每个加速度计和陀螺仪轴的对准在相互正交的理想情况下的拟合程度。这就是为什么轴到轴未对准误差通常也称为正交误差的原因。

我们可以看到跨轴灵敏度（CAS）和轴间对准误差（A2A_MAE）之间的数学关系，如下所述：

非正交性的影响发生在传感器轴之间、传感器之间或传感器与外壳之间的封装未对准。在工业目标IMU上，这些规格在工厂校准后在数据手册中进行了全面描述。对于分立元件，跨轴灵敏度规格不考虑与PCB的装配差异。

理想情况下，陀螺仪和加速度计中的多个轴相互正交。然而，一个常见的误解是，由于多轴陀螺仪或加速度计可以在一个分立的MEMS组件内设计，因此每个轴彼此成90°完全正交。尽管这些设备中的所有惯性传感器都位于一块硅片上，但制造和制造差异引入的固有误差仍会累积正交误差。与完全校准的工业目标IMU相比，由此产生的等效对准精度实际上并不令人印象深刻。

对消费者目标设备的快速调查显示，跨轴灵敏度通常在1%至5%之间。使用上述关系，会导致等效轴到轴错位误差为0.57°至2.87°。但是，它也可以以毫弧度为单位定义，等于0.057°。工业级IMU通常要精确得多。我们还可以使用这种关系将工业目标IMU的轴间误差转换为0.018°的等效交叉轴灵敏度。

尽管没有将所有惯性传感器都放在一块硅片上存在明显的缺点，但ADIS16489工业级IMU的性能仍然比最好的消费类器件高出~32×。

为了理解非正交误差的影响，让我们假设一个加速度计轴完全指向上方，并且设备正好水平。这个z轴上的加速度计理想地测量重力的总影响。如果其他两个轴是完全正交的，它们将不会测量任何重力矢量。但是，如果存在非正交性误差，则其他两个水平轴将测量重力矢量的某些部分。例如，如果设备提供 1% 的跨轴灵敏度，则其对重力的等效响应将为 10 mg。这相当于0.6°的等效对准误差。相反，如果第一个轴与水平框架不正交，它将测量小于完整的重力矢量。

图1.左侧理想的 3 轴正交情况反映了矢量的真实影响。非正交误差允许在所有轴上看到旋转或力的泄漏。

正交误差是加速度计总误差中特别稳定的分量。因此，它们可能会产生基于一次性校准的校正。为了确定加速度计轴对的正交误差，当加速度计在所有可能的 90° 方向空间中旋转时，测量每个轴对重力的静态响应。这可以使用精密万向节支架或在已知的正交表面上完成。

在将元件安装到PCB上后，在整个工作条件下有效校准正交误差可能是一个具有挑战性的提议。惯性校准需要观察每个传感器响应，而设备正在经历良好控制的运动曲线。这些类型的运动曲线通常需要高度专业化的设备和专业知识才能随着时间的推移有效运行。与已经预先校准安装的工业目标IMU相比，PCB上安装的每个消费类MEMS器件都需要根据其他传感器、环境性能和温度进行校准。

工业 IMU 由 3 个陀螺仪轴和 3 个加速度计轴组成，在将分立元件安装在坚固模块的微型 PCB 上后，利用制造过程中的校准步骤。这种单工厂校准不仅可以识别和补偿MEMS器件本身的非正交性，还可以识别和补偿任何与装配相关的偏斜。这最大限度地减少了与装配差异、跨轴误差和温度相关的误差。ADIS16489提供工厂校准，可最大限度地减少平台稳定、导航或机器人应用中的轴对准误差。ADIS16489采用数字三轴陀螺仪和三轴加速度计，提供仅为±0.018°轴间陀螺仪错位误差和±0.035°加速度计轴间误差。除了高性能传感器参数外，ADIS16489还提供聚对二甲苯涂层，作为其内部电路的防潮层。

审核编辑：郭婷