Ian Beavers

我在個人交通平臺的自平衡制導控制系統(tǒng)中使用MEMS慣性測量單元（IMU）。如果所有核心傳感器元件都在一塊硅片上，我是否可以期望消費者針對IMU消除每個傳感器之間的所有未對準誤差？

不，這通常不是對您的設計的安全期望。工業(yè)級 IMU 使用具有最佳封裝和校準功能的堅固離散傳感器，與駐留在單片硅片上的面向消費者的 IMU 相比，可提供更好的對準精度。

面向消費者和工業(yè)目標的 IMU 傾向于以不同的方式指定軸對齊行為。消費類 IMU 通常將所有未對準誤差歸結(jié)為單個跨軸靈敏度規(guī)格。工業(yè)級目標IMU，例如發(fā)布的ADIS16490，使用兩種不同的規(guī)格更直接地指定對準精度：軸對軸未對準誤差和軸到封裝未對準誤差。軸到封裝未對準誤差描述了每個軸的對準與 IMU 封裝內(nèi)的機械特性的關系。軸到軸未對準誤差描述了每個加速度計和陀螺儀軸的對準在相互正交的理想情況下的擬合程度。這就是為什么軸到軸未對準誤差通常也稱為正交誤差的原因。

我們可以看到跨軸靈敏度（CAS）和軸間對準誤差（A2A_MAE）之間的數(shù)學關系，如下所述：

非正交性的影響發(fā)生在傳感器軸之間、傳感器之間或傳感器與外殼之間的封裝未對準。在工業(yè)目標IMU上，這些規(guī)格在工廠校準后在數(shù)據(jù)手冊中進行了全面描述。對于分立元件，跨軸靈敏度規(guī)格不考慮與PCB的裝配差異。

理想情況下，陀螺儀和加速度計中的多個軸相互正交。然而，一個常見的誤解是，由于多軸陀螺儀或加速度計可以在一個分立的MEMS組件內(nèi)設計，因此每個軸彼此成90°完全正交。盡管這些設備中的所有慣性傳感器都位于一塊硅片上，但制造和制造差異引入的固有誤差仍會累積正交誤差。與完全校準的工業(yè)目標IMU相比，由此產(chǎn)生的等效對準精度實際上并不令人印象深刻。

對消費者目標設備的快速調(diào)查顯示，跨軸靈敏度通常在1%至5%之間。使用上述關系，會導致等效軸到軸錯位誤差為0.57°至2.87°。但是，它也可以以毫弧度為單位定義，等于0.057°。工業(yè)級IMU通常要精確得多。我們還可以使用這種關系將工業(yè)目標IMU的軸間誤差轉(zhuǎn)換為0.018°的等效交叉軸靈敏度。

盡管沒有將所有慣性傳感器都放在一塊硅片上存在明顯的缺點，但ADIS16489工業(yè)級IMU的性能仍然比最好的消費類器件高出~32×。

為了理解非正交誤差的影響，讓我們假設一個加速度計軸完全指向上方，并且設備正好水平。這個z軸上的加速度計理想地測量重力的總影響。如果其他兩個軸是完全正交的，它們將不會測量任何重力矢量。但是，如果存在非正交性誤差，則其他兩個水平軸將測量重力矢量的某些部分。例如，如果設備提供 1% 的跨軸靈敏度，則其對重力的等效響應將為 10 mg。這相當于0.6°的等效對準誤差。相反，如果第一個軸與水平框架不正交，它將測量小于完整的重力矢量。

圖1.左側(cè)理想的 3 軸正交情況反映了矢量的真實影響。非正交誤差允許在所有軸上看到旋轉(zhuǎn)或力的泄漏。

正交誤差是加速度計總誤差中特別穩(wěn)定的分量。因此，它們可能會產(chǎn)生基于一次性校準的校正。為了確定加速度計軸對的正交誤差，當加速度計在所有可能的 90° 方向空間中旋轉(zhuǎn)時，測量每個軸對重力的靜態(tài)響應。這可以使用精密萬向節(jié)支架或在已知的正交表面上完成。

在將元件安裝到PCB上后，在整個工作條件下有效校準正交誤差可能是一個具有挑戰(zhàn)性的提議。慣性校準需要觀察每個傳感器響應，而設備正在經(jīng)歷良好控制的運動曲線。這些類型的運動曲線通常需要高度專業(yè)化的設備和專業(yè)知識才能隨著時間的推移有效運行。與已經(jīng)預先校準安裝的工業(yè)目標IMU相比，PCB上安裝的每個消費類MEMS器件都需要根據(jù)其他傳感器、環(huán)境性能和溫度進行校準。

工業(yè) IMU 由 3 個陀螺儀軸和 3 個加速度計軸組成，在將分立元件安裝在堅固模塊的微型 PCB 上后，利用制造過程中的校準步驟。這種單工廠校準不僅可以識別和補償MEMS器件本身的非正交性，還可以識別和補償任何與裝配相關的偏斜。這最大限度地減少了與裝配差異、跨軸誤差和溫度相關的誤差。ADIS16489提供工廠校準，可最大限度地減少平臺穩(wěn)定、導航或機器人應用中的軸對準誤差。ADIS16489采用數(shù)字三軸陀螺儀和三軸加速度計，提供僅為±0.018°軸間陀螺儀錯位誤差和±0.035°加速度計軸間誤差。除了高性能傳感器參數(shù)外，ADIS16489還提供聚對二甲苯涂層，作為其內(nèi)部電路的防潮層。

審核編輯：郭婷