Ian Beavers

測(cè)量角速率的MEMS陀螺儀有幾個(gè)內(nèi)部誤差因素，偏置不穩(wěn)定是一個(gè)組成部分。然而，與分立元件相比，慣性測(cè)量單元（IMU）具有幾個(gè)優(yōu)勢(shì)，可增強(qiáng)性能。具有六個(gè)自由度的IMU由多個(gè)慣性MEMS傳感器組成，這些傳感器經(jīng)過溫度補(bǔ)償和校準(zhǔn)以在正交軸上對(duì)齊。內(nèi)部 3 軸陀螺儀功能測(cè)量圍繞已知點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)，而 3 軸加速度計(jì)測(cè)量位移。使用數(shù)字信號(hào)處理器或微控制器的后處理步驟為傳感器融合提供了內(nèi)部手段。

陀螺儀受到偏置不穩(wěn)定的影響，其中陀螺儀的初始零讀數(shù)由于設(shè)備內(nèi)固有缺陷和噪聲的集成而導(dǎo)致隨時(shí)間漂移。偏置重復(fù)性可以在IMU的已知溫度范圍內(nèi)進(jìn)行校準(zhǔn)。但是，積分恒定偏置不穩(wěn)定性會(huì)導(dǎo)致角度誤差。這些誤差將隨著基于陀螺儀的旋轉(zhuǎn)或角度估計(jì)的長(zhǎng)期漂移而累積。漂移的不良結(jié)果是計(jì)算出的航向誤差有增無減。相反，加速度計(jì)對(duì)振動(dòng)和其他非重力加速度很敏感。

陀螺儀漂移主要是由于兩個(gè)組件的集成：一個(gè)緩慢變化的近直流變量稱為偏置不穩(wěn)定，另一個(gè)高頻噪聲變量稱為角度隨機(jī)游走（ARW）。這些參數(shù)以單位時(shí)間的旋轉(zhuǎn)度數(shù)來測(cè)量。偏航軸對(duì)這種漂移最敏感。通過使用加速度計(jì)反饋來監(jiān)控相對(duì)于重力的位置，可以在 IMU 內(nèi)消除很大一部分俯仰（姿態(tài)）和滾動(dòng)軸陀螺儀漂移。使用低通或卡爾曼濾波器濾波IMU內(nèi)的陀螺儀輸出也是消除部分漂移誤差的廣泛使用的方法。

理想情況下，需要兩個(gè)基準(zhǔn)來校正所有軸上的陀螺儀漂移。具有 3 個(gè)自由度的 IMU 通常提供額外的磁力計(jì)傳感器——大約 <> 個(gè)軸。磁力計(jì)感知相對(duì)于地球磁北極的場(chǎng)強(qiáng)。這些傳感器可以與加速度計(jì)數(shù)據(jù)一起使用，作為另一個(gè)外部參考，以減輕陀螺儀漂移誤差對(duì)偏航軸的影響。然而，設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)目臻g磁力計(jì)可能不如加速度計(jì)可靠，因?yàn)橛性S多東西會(huì)產(chǎn)生與地球相同數(shù)量級(jí)的磁場(chǎng)。

消除長(zhǎng)期漂移的另一種更有效的方法是對(duì)陀螺儀進(jìn)行零角速度更新。只要知道設(shè)備完全靜止，陀螺儀的偏移就可以在相應(yīng)軸上歸零為零。這個(gè)機(jī)會(huì)可能因應(yīng)用而異。但是，系統(tǒng)處于重復(fù)靜止?fàn)顟B(tài)的任何實(shí)例都可用于清零，例如怠速汽車、靜止的自主機(jī)器人或人類腳步之間的時(shí)間。

當(dāng)然，使用最先進(jìn)的IMU，在開始時(shí)在設(shè)計(jì)中具有最小的偏置不穩(wěn)定性，可能會(huì)對(duì)陀螺儀漂移產(chǎn)生最直接的影響。陀螺儀的恒定偏置誤差可以通過在器件不旋轉(zhuǎn)時(shí)長(zhǎng)時(shí)間取輸出的平均值來測(cè)量。IMU Allan 方差圖顯示了陀螺儀每小時(shí)旋轉(zhuǎn)度數(shù)的漂移與積分時(shí)間 Tau 的關(guān)系。它通常繪制在對(duì)數(shù)-對(duì)數(shù)刻度上。ADIS16490是ADI高性能、戰(zhàn)術(shù)級(jí)IMU產(chǎn)品組合中的最新產(chǎn)品。ADIS16490的運(yùn)行中偏置穩(wěn)定性僅為每小時(shí)1.8°。這反映在圖16490的ADIS1艾倫方差圖中，在一小時(shí)點(diǎn)（1秒）處的誤差為8.3600°。

圖1.ADIS16490陀螺儀根艾倫方差。

審核編輯：郭婷