理解传感器零偏Sensor Bias (offset)

查看陀螺仪和加速度计的惯性传感器数据时，您会发现平均信号输出通常存在小的偏移，即使没有运动也是如此。这就是所谓的传感器零偏(Sensor Bias)。在数据表中，此参数通常也表示为零重力偏移（zero-g offset对于加速度计）和零速率偏移（zero-rate offset 对于陀螺仪）。

图 1 - MT Manager中惯性数据的屏幕截图（所有 3 个轴的角速度）

 

图 2 - Z 轴角速度的传感器偏差

 

为什么会有传感器偏差？

MTi 中使用的陀螺仪和加速度计是 MEMS（微机电系统）传感器。这些传感器的物理特性随时间而变化，从而导致随时间的不同特性。根据传感器的使用和时间，内部传感器偏差会增加。
 

Xsens公司执行的MTi标定怎么样？

MEMS传感器的物理特性因组件而异，为了纠正这些差异，所有 Xsens 惯性传感器都经过全面标定。如果不执行标定，则传感器零偏会高得多。尽管 MTi 已经过标定，而且 MTi 使用高级算法来校正零偏，但传感器的物理特性在产品的生命周期内会发生变化，从而导致传感器零偏。
 

传感器零偏如何影响我的测量？

有两个用例：

1. 输出惯性数据
2. 输出姿态数据

 

输出惯性数据

在输出惯性数据（陀螺仪和加速度计数据）时，在大多数情况下，您会在输出中看到传感器零偏。您可以在 MTi 静止不动时测量零偏。请记住，零偏会发生变化，因此如果您长时间使用MTi惯性传感器，则不能简单地测量和减去固定零偏值。
 

输出姿态数据

如果不进行零偏校正，并且如果您只使用陀螺仪来估计姿态，那么由于传感器零偏，姿态估计会“漂移”。例如：如图 2 所示，Z 轴陀螺仪偏差为 0.1 deg/s ，这意味着航向角将漂移0.1 deg/s。请参见下面的图 3。

 

 图 3 - 在 MT Manager 中显示的 60 秒内未针对0.1 deg/s的零偏修正的方向漂移
 

MTi 如何纠正姿态输出中的传感器零偏？

MTi 的板载滤波器使用传感器融合来修正传感器零偏，同时估计方向。 MTi 使用陀螺仪、加速度计和磁力计（对于GNSS/INS型号还有GNSS信号）。结合这些传感器使 MTi 能够检测和修正传感器零偏。修正来源可以是：如使用加速度，地球的引力，角速度和磁场等。

 

使用磁场估计陀螺零偏

磁场可用于传感器融合算法，以补偿陀螺仪零偏。我们需要区分两种情况：

1. 在不稳定磁场环境中使用MTi
2. 在稳定磁场环境中使用MTi

 

稳定的磁场环境

磁力计在校正传感器零偏方面起着重要作用。在引力不能用于确定方向的情况下（图 3 中航向轴的情况），磁场可用于校正传感器零偏 - 基本上，磁力计用作指南针，提供航向信息的绝对来源。需要选择使用磁力计的滤波器(Filter Profile)，并且您需要执行磁场映射MFM（请参阅磁校准手册 ）。

使用磁力计校正方向时重要的是磁场必须足够可靠。不均匀或受干扰的磁场是不可信的， 否则即使磁场不正确，MTi 也会根据磁场校正方向。

 

不稳定的磁场环境

当磁场不能用于校正方向时，可以使用其他选项来校正传感器零偏：

1. 执行手动陀螺零偏估计
2. 选择不使用磁力计的滤波器(Filter Profile)
3. 启用主动航向稳定 (AHS)