問:我聽說陀螺儀航向的漂移誤差可能會隨時間推移而累積,我的IMU會...

2020-12-07 EDN電子設計技術

角速率的MEMS陀螺儀有多個誤差因素，偏置不穩定性便是其中之一。然而，與提供增強性能的離散式組件相比，慣性測量單元(IMU)具有多方面優勢。六自由度IMU是由多個慣性MEMS傳感器組成，這些傳感器經過溫度補償和校準，對齊在正交軸上。內建三軸陀螺儀測量繞一個已知點的旋轉，而三軸加速度計測量位移。後處理步驟利用數位訊號處理器或微控制器執行，從而在內部實現傳感器融合。3KIednc

陀螺儀會受偏置不穩定性影響，由於組件固有的不足和噪聲，陀螺儀的初始零點讀數會隨時間漂移。偏置可重複性可以在IMU的已知溫度範圍內進行校準。然而，恆定偏置不穩定性的積分會引起角度誤差。此類誤差會隨著陀螺儀旋轉或角度估計的長期漂移而累積。漂移的不良後果是航向計算的誤差會持續增加而不減退。加速度計則相反，其對振動和其他非重力加速度敏感。3KIednc

引起陀螺儀漂移的主要原因是兩個因素的結合：其中之一是慢速變化接近DC的變量，稱為偏置不穩定性；另一個是較高頻率的噪聲變量，稱為角度隨機遊走(ARW)。這些參數的大小是運用每單位時間的旋轉角度來衡量。偏航軸對此漂移最為敏感。俯仰(姿態)和滾動軸的相當一部分陀螺儀漂移，可以在IMU內部予以消除，即利用加速度計的回饋結果監控相對於重力的位置。在IMU內部利用低通或卡爾曼濾波器(Kalman filter)對陀螺儀輸出進行濾波，也是廣泛採用的消除部分漂移誤差的方法。3KIednc

理想情況下，校正所有軸的陀螺儀漂移需要兩個基準：九自由度IMU通常會提供額外的磁力計傳感器——大約三軸，磁力計檢測磁場相對於地磁北極的強度；此類傳感器可以與加速度計數據一起使用，作為另一個外部基準，用來降低陀螺儀漂移誤差對偏航軸的影響。然而，設計適當的空間磁力計可能不如加速度計可靠，因為有很多東西會產生與地磁大小差不多的磁場。3KIednc

另一種更有效的長期漂移消除方法是對陀螺儀實施零角速度更新，只要知道組件處於完全靜止狀態，便可將相應軸的陀螺儀偏移歸零。因具體應用不同，這樣的機會具有很大差異，但只要系統處於重複出現的安靜狀態，例如汽車怠速、自主機器人靜止或人跨腳步之間的時間，就可以進行歸零調整。3KIednc

當然，一開始便在設計中使用偏置不穩定性最小的先進IMU，可以最直接地降低陀螺儀漂移。要測量陀螺儀的恆定偏置誤差，可以在組件未旋轉時，取得輸出在較長時間內的平均值。IMU艾倫方差曲線(Allan variance plot)顯示陀螺儀漂移(每小時旋轉度數)與積分時間(τ)的關係，它一般是以對數-對數比例尺繪製的。3KIednc

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ADIS16490是ADI高性能策略級IMU產品系列中的最新產品，運動中偏置穩定度為每小時1.8°。如圖所示，1小時點(3,600秒)對應的誤差為1.8°。3KIednc

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