正在將MEMS慣性測量單元(IMU)用于個(gè)人交通工具平臺(tái)的自平衡制導(dǎo)系統(tǒng)，是否會(huì)有一款面向消費(fèi)者，能消除各傳感器之間的全部對(duì)齊誤差，并且所有核心傳感器元件都集成在單個(gè)芯片上的IMU？ 否，對(duì)于這個(gè)設(shè)計(jì)來說，這一般不是一個(gè)保險(xiǎn)的期望。采用魯棒的分立傳感器和最佳封裝并經(jīng)過優(yōu)化校準(zhǔn)的工業(yè)級(jí)IMU，其對(duì)齊精度要比位于單個(gè)芯片上的消費(fèi)級(jí)IMU高得多。 消費(fèi)級(jí)和工業(yè)級(jí)IMU往往以不同方式規(guī)定軸對(duì)齊特性。消費(fèi)級(jí)IMU的典型做法是將所有對(duì)齊誤差集總為一個(gè)跨軸靈敏度規(guī)格。面向工業(yè)的IMU，比如ADIS16490，則使用兩個(gè)不同規(guī)格以便更直接地說明對(duì)齊精度：軸到軸對(duì)齊誤差和軸到封裝對(duì)齊誤差。軸到封裝對(duì)齊誤差描述各軸相對(duì)于IMU封裝內(nèi)機(jī)械特性的對(duì)齊程度。軸到軸對(duì)齊誤差描述各加速度計(jì)和陀螺儀軸的對(duì)齊在多大程度上符合理想正交性。正因如此，軸到軸對(duì)齊誤差也常被稱為正交誤差。 跨軸靈敏度(CAS)和軸到軸對(duì)齊誤差(A2A_MAE)有如下數(shù)學(xué)關(guān)系： CAS = sin(A2A_MAE) A2A_MAE = asin(CAS) 非正交性發(fā)生在傳感器軸之間、傳感器上或源于傳感器與外殼之間的封裝不對(duì)齊。對(duì)于工業(yè)級(jí)IMU，這些規(guī)格會(huì)在工廠校準(zhǔn)，并在數(shù)據(jù)手冊(cè)中詳細(xì)說明。對(duì)于分立器件，跨軸靈敏度規(guī)格不包括相對(duì)于PCB的裝配偏差。 理想情況下，陀螺儀和加速度計(jì)中的多個(gè)軸是彼此正交的。然而，這里有個(gè)常見的誤解：既然多軸陀螺儀或加速度計(jì)可以設(shè)計(jì)在一個(gè)分立MEMS器件之內(nèi)，那么各軸應(yīng)是完美正交的，彼此成 90°角。雖然這些器件中的所有慣性傳感器都位于單個(gè)芯片上，但加工和制造偏差所引入的固有誤差仍可能造成正交誤差。相應(yīng)的等效對(duì)齊精度與完全校準(zhǔn)的工業(yè)級(jí)IMU相比，實(shí)際上并不是非常好。 圖1. 左邊的理想三軸正交情況反映矢量的真實(shí)影響。正交誤差使得所有軸上都能檢測到泄漏的部分旋轉(zhuǎn)或力。 對(duì)消費(fèi)級(jí)器件的簡單調(diào)查發(fā)現(xiàn)，跨軸靈敏度常常在1%到5%范圍內(nèi)。利用以上關(guān)系式，可知等效軸到軸對(duì)齊誤差為0.57°到2.87°。 不過也可用毫弧度為單位來定義，相當(dāng)于0.057°。工業(yè)級(jí)IMU的精度通常要高得多。我們也可利用此關(guān)系將工業(yè)級(jí)IMU的軸到軸對(duì)齊誤差0.018°轉(zhuǎn)換為等效跨軸靈敏度0.031%。 CAS = sin(A2A_MAE) = sin(0.018°) = 0.00031 = 0.031% 工業(yè)級(jí)IMU ADIS16489的所有慣性傳感器不是位于一個(gè)芯片上，盡管有這個(gè)明顯的缺點(diǎn)，但其性能仍要比最佳消費(fèi)級(jí)器件高出大約32倍。 為了解正交誤差的影響，假設(shè)一個(gè)加速度計(jì)軸指向正上方，器件恰好處于水平狀態(tài)。加速度計(jì)在此z軸上測量重力的總影響。如果其他兩個(gè)軸完全正交，那么它們不會(huì)測量到任何重力矢量。然而，若有正交誤差，其他兩個(gè)水平軸就會(huì)測量到重力矢量的一部分。例如，若器件的跨軸靈敏度為1%，其對(duì)重力的等效響應(yīng)將是 10 mg，這相當(dāng)于0.6°的等效對(duì)齊誤差。反之，如果第一個(gè)軸不與水平框架正交，它便測不到完整的重力矢量。 正交誤差是加速度計(jì)總誤差中特別穩(wěn)定的成分，因此可通過一次性校準(zhǔn)來校正。為了確定一對(duì)加速度計(jì)軸的正交誤差，須讓加速度計(jì)在所有可能的90°方向空間中旋轉(zhuǎn)，并測量各軸對(duì)重力的靜態(tài)響應(yīng)。這可以利用精密萬向節(jié)頭或在已知正交表面上進(jìn)行。 將器件安裝到PCB之后，要通過校準(zhǔn)消除所有工作條件下的正交誤差是很困難的。慣性校準(zhǔn)要求在器件經(jīng)歷受控運(yùn)動(dòng)模式的同時(shí)觀測各傳感器響應(yīng)。為高效實(shí)現(xiàn)此類運(yùn)動(dòng)模式，常常需要高度專業(yè)化的設(shè)備和經(jīng)驗(yàn)。與已經(jīng)預(yù)校準(zhǔn)的工業(yè)級(jí)IMU不同，安裝在PCB上的每個(gè)消費(fèi)級(jí)MEMS器件都需要針對(duì)其他傳感器、環(huán)境表現(xiàn)和溫度進(jìn)行校準(zhǔn)。 在分立器件安裝到微型PCB上堅(jiān)固耐用的模塊中之后，包括三個(gè)陀螺儀軸和三個(gè)加速度計(jì)軸的工業(yè)級(jí)IMU在制造中利用校準(zhǔn)步驟實(shí)現(xiàn)高超性能。這種工廠校準(zhǔn)不僅能識(shí)別和補(bǔ)償MEMS器件本身的正交誤差，還能補(bǔ)償裝配相關(guān)的偏斜。因此，與裝配偏差、跨軸誤差和溫度相關(guān)的誤差降至最小。ADIS16489工廠校準(zhǔn)可將平臺(tái)穩(wěn)定、導(dǎo)航和機(jī)器人應(yīng)用中的軸對(duì)齊誤差降至最低。ADIS16489內(nèi)置一個(gè)數(shù)字三軸陀螺儀和一個(gè)三軸加速度計(jì)，陀螺儀軸到軸對(duì)齊誤差僅有±0.018°，加速度計(jì)軸到軸誤差為±0.035°。除了高性能傳感器參數(shù)以外，ADIS16489還利用聚對(duì)二甲苯涂層作為內(nèi)部電路的防潮層。 本文轉(zhuǎn)載自 (mbbeetchina)