評估加速計和陀螺儀,全方位了解噪音和漂移誤差

2020-11-29 電子發燒友

評估加速計和陀螺儀，全方位了解噪音和漂移誤差

佚名 發表於 2018-02-27 11:41:09

加速計和陀螺儀是用於從無人機、手機、汽車、飛機和移動物聯網設備中獲取加速度和旋轉信息的傳感器。但加速計和陀螺儀都容易出錯，加速計可能出現噪音、陀螺儀可能出現漂移，因此要求設計師採用新穎的方法實現最高的精度。

方法之一是應用傳感器融合。本文將分別評估加速計和陀螺儀，以了解這些噪音和漂移誤差是如何產生的。接下來將介紹這兩種傳感器的示例，並說明如何利用傳感器融合技術，將這兩種傳感器的結果結合在一起並減少這些誤差的影響。

選擇正確的傳感器

加速計用於測量對物體施加的所有線性力，單位是毫伏/克 （mV/g）。移動的物體會展現動態運動，例如加速度，並持續受到重力這一靜態力。將加速計連接到物體上後，可以測量物體的加速度和作用於物體上的萬有引力。但隨著時間的推移，加速計容易出現位置誤差。

圖 1：配備 3D 加速計和 3D 陀螺儀傳感器的無人機能夠成功向地面控制裝置提供位置反饋。（圖片來源：維基百科和 STMicroelectronics）

陀螺儀可提供隨著時間推移，物體角速度的變化率，單位是 mV/度/秒 （mV/deg/sec）。將陀螺儀連接到物體上後，傳感器可以平穩測量物體的角度變化，但同加速計一樣，隨著時間的推移，陀螺儀也會出現穩定增大的角度誤差。

很多加速計和陀螺儀採用微機電系統 （MEMS） 製造而成。在 MEMS 傳感器的生產過程中，矽元件和機械元件被組合在同一塊微米級矽基底上。這些器件中的主要元件是機械元件、感應機制和專用集成電路 （ASIC）。

MEMS 加速計

個別 MEMS 加速計的結構採用固定式矽板以及用於響應外力的機械彈簧（圖 2）。

圖 2：MEMS 加速計型號採用矽元件和機械元件，根據加速度的變化得出電容的變化。（圖片來源：HowToMechatronics.com）

通用的 MEMS 感應技術是使用片載可變電容器。在運動中，綠色的固定板保持靜止，而橙色的重物沿加速度軸彎曲。通過這種運動，電容值 C1 和 C2 會隨著固定板與重物之間距離的變化而變化。

圖 3：一種 MEMS 加速計電容器結構的特寫鏡頭。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

在數量上，C1 和 C2 值的變化取決於電容器板之間的距離 d（圖 3）。

總結

當設計師設法從移動的物體提取更精確的信息時，同時使用 3D MEMS 加速計和陀螺儀，再輔以傳感器融合策略，可為運動和導航問題提供一個可靠的解決方案。

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