Microstrain提高IMU性能的四種方法

微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）陀螺儀和加速度計(jì)比以往任何時(shí)候都更小、更輕、更強(qiáng)大。目前最先進(jìn)的芯片比十年前有了飛躍性的進(jìn)步，使得集成了這些傳感器的低成本 MEMS 慣性測量單元（IMU）可以提供與戰(zhàn)術(shù)級系統(tǒng)相媲美的性能，而這些系統(tǒng)以前只能在昂貴的高端應(yīng)用中找到。

盡管性能有了大幅提升，但 MEMS 慣性測量單元仍有一些獨(dú)特的特性需要用戶注意。通過在系統(tǒng)中考慮這些特性并遵循良好的 IMU 數(shù)據(jù)實(shí)踐，可以確保您的應(yīng)用獲得最佳性能。

以下是一些提高慣性傳感器性能的小竅門：

PART.01

?使?MEMS IMU 免受振動影響?

將 MEMS 與不必要的振動隔離開來對于獲得精確的測量結(jié)果至關(guān)重要。用戶通常對系統(tǒng)的整體運(yùn)動（如車輛軌跡）感興趣，而對測量振動不感興趣。振動有多種來源：系統(tǒng)組件（如電機(jī)）、傳感器所連接結(jié)構(gòu)因地形運(yùn)動而產(chǎn)生的共振，甚至是附近人員行走產(chǎn)生的振動。通過深思熟慮地將 IMU 安裝在隔振平臺上，可以最大限度地減少這些影響，提高傳感器性能。振動隔離不僅對數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性非常重要，還能提高系統(tǒng)的使用壽命。即使是最堅(jiān)固耐用的 IMU 也包含敏感元件，暴露在高沖擊事件中可能會損壞這些元件。

MEMS傳感器在振動時(shí)也會產(chǎn)生噪聲成分，稱為振動整流誤差（Vibration Rectification）。也就是說，振蕩振動信號會在傳感器輸出中整流為不理想的偏移，出現(xiàn)虛假的直流分量，從而對測量精度產(chǎn)生不利影響。通過最大限度地減少 IMU 上的振動，就能最大限度地減少誤差并提高整體系統(tǒng)性能。

將 MEMS 與不必要的振動隔離開來對于獲得精確的測量結(jié)果至關(guān)重要。用戶通常對系統(tǒng)的整體運(yùn)動（如車輛軌跡）感興趣，而對測量振動不感興趣。振動有多種來源：系統(tǒng)組件（如電機(jī)）、傳感器所連接結(jié)構(gòu)因地形運(yùn)動而產(chǎn)生的共振，甚至是附近人員行走產(chǎn)生的振動。通過深思熟慮地將 IMU 安裝在隔振平臺上，可以最大限度地減少這些影響，提高傳感器性能。振動隔離不僅對數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性非常重要，還能提高系統(tǒng)的使用壽命。即使是最堅(jiān)固耐用的 IMU 也包含敏感元件，暴露在高沖擊事件中可能會損壞這些元件。

MEMS傳感器在振動時(shí)也會產(chǎn)生噪聲成分，稱為振動整流誤差（Vibration Rectification）。也就是說，振蕩振動信號會在傳感器輸出中整流為不理想的偏移，出現(xiàn)虛假的直流分量，從而對測量精度產(chǎn)生不利影響。通過最大限度地減少 IMU 上的振動，就能最大限度地減少誤差并提高整體系統(tǒng)性能。

PART.02

?定期捕捉陀螺偏差?

所有陀螺儀都會受到各種效應(yīng)的影響，從而導(dǎo)致其開啟偏置或在沒有輸入旋轉(zhuǎn)時(shí)輸出非零偏移的變化。這種誤差在 MEMS 傳感器中更為明顯，這也是 MEMS 傳感器目前不能用于 "陀螺羅盤 " （gyrocompass利用擺式陀螺的特性尋找和指示真北向的儀表）的原因。

如果您使用的是姿態(tài)和航向參考系統(tǒng) (AHRS) 或慣性導(dǎo)航系統(tǒng) (INS)，這些設(shè)備中的濾波算法會實(shí)時(shí)估算這一偏差，但濾波器需要一定時(shí)間（有時(shí)需要幾分鐘）才能確定準(zhǔn)確的偏差值。如果您使用的是基礎(chǔ)的 IMU 來讀取角速率測量值，它將無法估算出這一偏差。在這兩種情況下，最好定期捕捉這一偏差，因?yàn)檫@樣做可以優(yōu)化設(shè)備的性能。

捕捉偏差要求設(shè)備在捕捉期間保持靜止。在此過程中，任何振動源（如汽車發(fā)動機(jī)）也必須關(guān)閉。在 Parker 的 MicroStrain 設(shè)備中，您可以使用 SensorConnect 應(yīng)用程序或 MIP SDK 啟動捕獲。幾秒鐘后，設(shè)備將估算出偏差并將其存儲在內(nèi)部存儲器中。定期執(zhí)行此操作是消除應(yīng)用中陀螺儀老化效應(yīng)的最佳方法。捕捉這一偏差，因?yàn)檫@樣做可以優(yōu)化設(shè)備的性能。

進(jìn)行積分時(shí)，使用積分的delta-theta（Δθ）和delta-velocity（ΔV），而不是原始角速率和加速度

當(dāng)今的 MEMS IMU 數(shù)據(jù)傳輸率很高，能達(dá)到 1 kHz 或更高！如果您正在設(shè)計(jì)一個(gè)需要對角速率和加速度信息進(jìn)行數(shù)學(xué)積分的系統(tǒng)，例如導(dǎo)航濾波器，那么直接使用角速率和加速度輸出可能很有吸引力。這些值的單位大家都很熟悉，如果查看標(biāo)準(zhǔn)物理方程，就會發(fā)現(xiàn)它們被直接列舉出來（例如 F = ma）。但是，IMU 通常會輸出一組更有用的不同量：角速率的時(shí)間積分（稱為 delta-thetaΔθ）和加速度的時(shí)間積分（稱為 delta-velocityΔV）。

使用這些數(shù)據(jù)而不是瞬時(shí)數(shù)據(jù)的好處如下：

這些積分包含了設(shè)備在實(shí)際運(yùn)動中旋轉(zhuǎn)和加速時(shí)所受到的復(fù)雜的錐形和搖櫓（coning and sculling）效應(yīng)。考慮到這些效應(yīng)，即使在最大速率下，Δθ和 ΔV值也比典型的瞬時(shí)值積分更為精確。

由于 IMU 以最快的速率為您進(jìn)行積分，因此您可以以更低的速率請求這些值，從而節(jié)省系統(tǒng)寶貴的 CPU 循環(huán)周期。例如，如果設(shè)備以 1,000 Hz 的頻率報(bào)告數(shù)據(jù)，但您的濾波器只需要 50 Hz 頻率的信息，那么通過使用這些積分，您可以節(jié)省 20 倍的計(jì)算量，同時(shí)提高精度。精度的提高來自于 IMU 以最大速率捕捉動態(tài)，同時(shí)考慮到錐形和搖櫓（coning and sculling）效應(yīng)。

PART.03

?注意時(shí)間同步?

在您的 IMU 使用過程的某個(gè)階段，您可能會了解到時(shí)間就是一切！準(zhǔn)確的時(shí)間戳和時(shí)間對準(zhǔn)的重要性往往在產(chǎn)品開發(fā)后期常被忽視。如果您沒有考慮到這一點(diǎn)，而您的系統(tǒng)又沒有按照預(yù)期運(yùn)行，那么您可能現(xiàn)在才發(fā)現(xiàn)問題所在。

時(shí)間同步不準(zhǔn)確會導(dǎo)致慣性測量出現(xiàn)明顯的比例因子誤差。例如，當(dāng)系統(tǒng)時(shí)鐘與 IMU 時(shí)鐘不同步時(shí)，時(shí)鐘之間的漂移會造成微小的誤差累積，其效果就像IMU 的角速率和加速度輸出乘以一個(gè)錯(cuò)誤的比例因子。隨著系統(tǒng)動態(tài)性能的提高，這種誤差也會隨之增大。

應(yīng)用要求越高，時(shí)間調(diào)整就越重要。

有兩種方法可以緩解這種情況：使用精確基準(zhǔn)（硬件脈沖或其他）對系統(tǒng)中的所有時(shí)鐘進(jìn)行校準(zhǔn)，并通過算法補(bǔ)償任何不對齊的事件；或者使用能夠生成事件數(shù)據(jù)的 IMU。第一種方法很常見，但在有許多組件的系統(tǒng)中實(shí)施起來往往相當(dāng)復(fù)雜。MicroStrain 在 3DM-CV7-AHRS 中增加了第二種方法，以幫助我們的客戶滿足嚴(yán)格的定時(shí)需求。

有了事件驅(qū)動的 IMU，硬件輸入脈沖可以生成軟件信息（反之亦然），從而使以前難以處理的事件得到很好的處理。例如，在視覺里程測量中，了解從一個(gè)相機(jī)幀到下一個(gè)相機(jī)幀的集成 IMU 輸出非常重要。如果沒有事件驅(qū)動的 IMU，這可能會變得相當(dāng)棘手，但有了事件驅(qū)動的 IMU，就會變得非常簡單：將攝像頭的快門輸出引腳連接到 IMU，并對其進(jìn)行配置，以便在接收到脈沖時(shí)提供 Δθ和 ΔV 輸出。這樣就能獲得與相機(jī)生成的圖像一致的精確積分，從而大大簡化了該領(lǐng)域的時(shí)間校準(zhǔn)問題。反過來，事件驅(qū)動式 IMU 可以在數(shù)據(jù)量有效時(shí)產(chǎn)生脈沖，用于驅(qū)動硬件（如攝像頭）上的捕捉事件，并保持同樣嚴(yán)格的時(shí)間對齊。

通過遵循這些簡單的提示，您可以提高 IMU 性能，讓您的投資發(fā)揮最大效益。

審核編輯：黃飛

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