在無人機(jī)精準(zhǔn)懸停、自動(dòng)駕駛汽車平穩(wěn)過彎的背后，有一顆至關(guān)重要的核心處理器 - 慣性測(cè)量單元（IMU）。它的精度，直接決定了智能設(shè)備感知自身姿態(tài)的準(zhǔn)確度。一顆高精度的IMU，其卓越性能離不開生產(chǎn)環(huán)節(jié)中最關(guān)鍵的一道工序：出廠標(biāo)定。當(dāng)IMU標(biāo)定需求邁入微弧度時(shí)代，壓電納米旋轉(zhuǎn)臺(tái)憑借獨(dú)特技術(shù)優(yōu)勢(shì)，成為標(biāo)定場(chǎng)景的理想搭檔。

（注：圖片源于網(wǎng)絡(luò)）

一、IMU標(biāo)定為何是出廠“必修課”？

慣性測(cè)量單元（Inertial Measurement Unit）是一種用于測(cè)量物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的傳感器裝置。IMU通常由加速度計(jì)和陀螺儀組成，加速度計(jì)用于測(cè)量物體在三個(gè)正交方向上的線性加速度。陀螺儀則用于測(cè)量物體繞三個(gè)正交軸的角速度。通過對(duì)這些加速度和角速度數(shù)據(jù)的處理，IMU可以解算出物體的姿態(tài)、速度和位置等信息。

IMU具有更新頻率高、短時(shí)間內(nèi)推算精度高的特點(diǎn)，它不依賴外部信號(hào)，能夠在室內(nèi)、地下、水下等GPS信號(hào)受限的環(huán)境中獨(dú)立工作，因此在航空航天、無人機(jī)、自動(dòng)駕駛汽車、機(jī)器人、智能穿戴等眾多領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。

（注：圖片源于網(wǎng)絡(luò)）

IMU內(nèi)部集成的加速度計(jì)和陀螺儀，分別測(cè)量線加速度與角速度,受一些因素影響，在實(shí)際輸出數(shù)據(jù)時(shí)，都會(huì)存在微小的偏差：可能是安裝時(shí)帶來的誤差，可能是標(biāo)度因子非線性誤差，也可能是軸間不對(duì)準(zhǔn)造成測(cè)量方向偏差。而標(biāo)定的本質(zhì)，就是通過精準(zhǔn)測(cè)試建立誤差模型，將這些系統(tǒng)性誤差進(jìn)行補(bǔ)償修正，從而確保IMU輸出數(shù)據(jù)更接近真實(shí)運(yùn)動(dòng)。

誤差模型示意圖

加速度計(jì)通常依賴重力常量標(biāo)定：重力矢量方向固定，通過將IMU以不同姿態(tài)放置，并采集各個(gè)位置狀態(tài)下加速度計(jì)的輸出數(shù)值，對(duì)比理論值與實(shí)測(cè)值的偏差，即可推算出加速度計(jì)的零偏和標(biāo)度因子等誤差，完成加速度計(jì)標(biāo)定。

動(dòng)態(tài)標(biāo)定則是在IMU處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行的標(biāo)定，常用旋轉(zhuǎn)平臺(tái)或擺動(dòng)臺(tái)來進(jìn)行校準(zhǔn)。IMU動(dòng)態(tài)標(biāo)定的原理，是明確輸入值，觀測(cè)輸出值來進(jìn)行對(duì)比。為IMU提供一個(gè)已知、恒定且精確的物理量（如特定角度、角速度），利用穩(wěn)定的常量角速度，結(jié)合轉(zhuǎn)臺(tái)提供的角速度輸入，通過改變IMU姿態(tài)，分析傳感器輸出差異，推算出所有誤差參數(shù)模型，從而修正動(dòng)態(tài)測(cè)量誤差。

二、高精度IMU標(biāo)定對(duì)設(shè)備提出何種要求？

IMU出廠標(biāo)定并不是簡(jiǎn)單的旋轉(zhuǎn)測(cè)試，而是對(duì)設(shè)備、流程的系統(tǒng)性考驗(yàn)，它的核心要求集中在以下幾個(gè)方面：

1.姿態(tài)控制：精度必須匹配上IMU的測(cè)量能力

傳感器精度已向更精密的級(jí)別進(jìn)階，所以標(biāo)定設(shè)備需實(shí)現(xiàn)微弧度級(jí)的姿態(tài)調(diào)整。傳統(tǒng)轉(zhuǎn)臺(tái)易受機(jī)械間隙、摩擦影響，難以滿足高端IMU對(duì)安裝誤差、標(biāo)度因數(shù)的校準(zhǔn)需求。

2.動(dòng)態(tài)響應(yīng)：能模擬復(fù)雜運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

標(biāo)定不僅要測(cè)靜態(tài)誤差，還需通過動(dòng)態(tài)角速度測(cè)試驗(yàn)證傳感器性能。這要求轉(zhuǎn)臺(tái)能快速切換姿態(tài)，且運(yùn)動(dòng)過程穩(wěn)定無抖動(dòng)，避免引入額外誤差。

3.環(huán)境適配：扛住全溫范圍測(cè)試

IMU需在一些極端環(huán)境下穩(wěn)定工作時(shí)，標(biāo)定也需同步開展全溫測(cè)試。設(shè)備需體積緊湊，且自身不受溫度變化影響。

三、壓電納米旋轉(zhuǎn)臺(tái)如何成為IMU標(biāo)定的理想基座

壓電納米旋轉(zhuǎn)臺(tái)基于壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)驅(qū)動(dòng)，輸入電壓從而引起材料產(chǎn)生納米級(jí)形變。它具有的納米級(jí)分辨率、無摩擦以及超快響應(yīng)速度，完美地滿足了IMU標(biāo)定的需求。

1.極高的角度分辨率

壓電納米旋轉(zhuǎn)臺(tái)能夠產(chǎn)生并穩(wěn)定在極其微小的角度步進(jìn)（例如微弧度級(jí)別），以精確標(biāo)定傳感器的非線性誤差等。

2.超平穩(wěn)的動(dòng)態(tài)標(biāo)定

壓電驅(qū)動(dòng)具有毫秒級(jí)的響應(yīng)速度和無磁、無摩擦的優(yōu)勢(shì)。這使得旋轉(zhuǎn)臺(tái)可以進(jìn)行極其平滑、無抖動(dòng)的低速轉(zhuǎn)動(dòng)和掃描，是測(cè)試傳感器的理想輸入源。它能幫助更清晰地分離出IMU的動(dòng)態(tài)誤差，從而進(jìn)行針對(duì)性補(bǔ)償。

3.實(shí)現(xiàn)多自由度精密對(duì)準(zhǔn)

通過將多個(gè)壓電產(chǎn)品例如壓電納米旋轉(zhuǎn)臺(tái)和壓電納米定位臺(tái)組合成多軸系統(tǒng)，可以構(gòu)建一個(gè)多自由度的精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，可快速且精準(zhǔn)地將IMU調(diào)整至標(biāo)定流程所需的任何一個(gè)理論姿態(tài)。其極高重復(fù)定位精度，確保了每次標(biāo)定的一致性，從根源上保證了出廠IMU產(chǎn)品性能的均一性與可靠性。

S54.T2系列壓電偏擺臺(tái)

S54.T2系列是具有中心通孔的二維θxθy軸壓電偏擺臺(tái)，采用無摩擦柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，響應(yīng)速度快、閉環(huán)定位精度高，80×80mm中心通孔使其易于集成在顯微及掃描等光學(xué)系統(tǒng)中。

特點(diǎn)

·θx、θy偏擺運(yùn)動(dòng)

·開環(huán)/閉環(huán)可供選擇

·80×80mm大通孔

·分辨率高

·外形超薄

·適于加速度/角速度傳感器標(biāo)定

技術(shù)參數(shù)

**代表通光孔4個(gè)角弧形半徑為10mm。

S21.R3S/K壓電旋轉(zhuǎn)臺(tái)

S21.R3S/K壓電旋轉(zhuǎn)臺(tái)是一維θz運(yùn)動(dòng)的壓電納米定位臺(tái)，它的外形結(jié)構(gòu)緊湊，非常易于集成。

特點(diǎn)

·θz旋轉(zhuǎn)

·旋轉(zhuǎn)角度3mrad

·閉環(huán)定位精度高

·響應(yīng)速度快

·體積小巧

技術(shù)參數(shù)

審核編輯 黃宇