传感器 按行业筛选
请选择行业
----------------------
-全部行业
------------------
-机床与金属加工设备
-刀具/量具/夹具/磨具
-模具设计与制造
-塑料机械/橡胶机械
-通用机械/化工机械
-工程机械/建材机械
-交通运输/海工装备
-农业机械
-食品机械/烟草机械
-包装机械
-印刷机械/广告设备
-纺织机械
-木工/造纸/环保/医疗设备
-物流设备
-智能楼宇/安防设备
-炉窑/热处理设备
-五金工具
------------------
-工业自动化
-佳工激光网
-仪器/仪表/衡器
-电力设备
-电子/通讯/办公文具
-家电/照明/健康设备
------------------
-基础件/通用件
-标准件
-工业原材料
-电子元器件及材料
-包装材料
------------------
-CAD/CAM/PDM/PLM
-ERP/制造业信息化
-管理咨询/认证
-服务/培训/工业设计
按产品筛选
----------------------
-本行业全部文章
--------------------
-变频器
-PLC
-伺服与运动控制
-工业安全产品/工业
-人机界面
-传感器
-机器视觉
-工业PC/工控机
-现场总线/工业以太
-数据采集/无线通讯
-嵌入式系统/自动化
-工业机器人
查看本类全部文章
MEMS IMU/陀螺仪对准基础
作者：Mark Looney
对于在反馈环路中采用MEMS惯性测量单元(IMU)的高性能运动控制系统，传感器 对准误差常常是其关键考虑之一。对于IMU中的陀螺仪，传感器对准误差描述各陀螺仪的旋转轴与系统定义的“惯性参考系”(也称为“全局坐标系”)之间的角度差。为了管控对准误差对传感器精度的影响，可能需要独特的封装、特殊的组装工艺，甚至在最终配置中进行复杂的惯性测试。所有这些事情都可能会对项目管理的重要指标:如计划、投资和各系统中IMU相关的总成本等，产生重大影响。因此，在设计周期的早期，当还有时间界定系统架构以实现最有效解决方案的时候，对传感器对准误差加以考虑是十分有必要的。毕竟，没有人希望在烧掉项目80%的计划时间和预算之后才发现，为了满足最终用户不容商量的交货要求，其并不昂贵的传感器需要增加数百甚至数千美元的意外成本，那样可就糟糕至极了！
某些IMU规格表通过“轴到封装对准误差”或“轴到坐标系对准误差”等参数来量化对准误差。图1以夸张方式显示了ADIS16485中各陀螺仪相对于其封装边缘的对准误差。图中的绿色虚线代表封装定义的参考系的各轴。实线代表封装内部陀螺仪的旋转轴，ΨIMU代表三个对准误差项的最大值(ΨX、ΨY、ΨZ)。
为了预测系统对准误差的贡献(公式1中的ΨSYS)，需要分析机械缺陷导致IMU在系统中的停靠位置相对于全局坐标系偏斜的可能性。使用焊接到印刷电路板的IMU时，这将涉及到以下考量因素：原始放置精度、焊料沉积的差异、回流焊期间的浮动、PCB关键特性(如安装孔等)的容差以及系统框架本身的容差等。使用模块式IMU时，它可以与系统外壳实现更直接的耦合，如图2所示。此类接口有两个关键机械特性可帮助管控安装偏斜误差：安装架(4×)和安装巢。
在此类安装方案中，四个安装架的高度差异就是机械差异的一个例子，可能引起x轴和y轴的安装偏斜。图3以夸张方式说明了这种偏差(H1与H2)对x轴安装偏斜(ΨX)的影响。
Mounting Ledges: 安装架
安装架高度差异对y轴的安装偏斜也有类似的影响。此时，用封装长度(L)替换公式2中的宽度(W)，便可得到如下用于估计y轴偏斜角度(ΨY)的关系式。
图4提供了另一个例子来说明机械特性如何影响z轴的安装偏斜。本例中，机械螺丝先穿过IMU主体的安装孔(位于四角)，再穿过安装架的孔，最后进入安装架背部的锁紧螺母。这种情况下，机械螺丝的直径(DM)与底板中相关通孔的直径(DH)之间的差异会引起z轴偏斜。
公式4反映了z轴安装偏斜(ΨZ)与直径差和旋转半径(RS，等于相对两角的两个安装螺丝间距离的一半)的关系。
示例1
封装各边上安装孔间的标称距离分别为39.6mm和42.6mm。这些尺寸构成直角三角形的两边，其斜边等于封装相对两角的两个孔之间的距离。旋转半径
对于式1中的复合预测公式，ΨSYS等于ΨZ(估算最大值)，ΨIMU等于1度(依据IMU数据手册中的轴到坐标系对准误差规格)。因此，总对准误差估算值为1.28度。
对准误差对系统精度的影响
对准误差还会对各轴产生跨轴影响。为了量化这些影响，需要将各轴的对准角度误差分解为与其它两轴相关的两个分量。例如，ΨX有一个y轴分量(φXY)和一个z轴分量(φXZ)，导致x轴陀螺仪对绕全局坐标系中所有三轴旋转(ωX, ωY, ωZ)的响应扩展如下：
y轴和z轴陀螺仪也有同样的扩展：
对公式8、公式9和公式10的两侧积分，可得到关于角位移的类似关系。在得到的公式11、公式12和公式13中，我们关心的角度是相对于全局坐标系的角位移(θXω, θYω, θZω)和各陀螺仪的积分(θXG, θYG, θZG)。
示例2
从y轴开始，设θYG的最大边界为1?，求解对准误差项ΦYZ。这样便可求得y轴陀螺仪的最大允许对准误差为1.9度。
对于z轴，设θZω等于30?，θZG和θZω之差的最大边界为1度，然后求解ΨZ。这样便可求得z轴陀螺仪的最大允许对准误差为14.8度。
上述计算表明，对于这种特定机动/情形，y轴和z轴之间的跨轴行为要求对准精度约为1.9度。
通过简单的算术操作可得，陀螺仪测量结果(G)与M的逆矩阵(M–1)的乘积等于全局坐标系的旋转阵列(ω)。因此，对准矩阵等于M–1。
基于公式8、公式9和公式10，可将公式14扩展以包括对准误差项，如公式16所示，公式17和公式18是更一般形式：
一次仅绕一个轴旋转整个系统可将系统模型简化到足够简单的程度，使得矩阵中的每个元素都可以通过一次陀螺仪测量获得。例如，让系统绕x轴旋转(ωX = ωTR, ωY = 0, ωZ = 0)，同时观测所有三个轴，则M11、M21和M31的关系可简化如下：
采用同样的方法，绕y轴旋转(ωX = 0, ωY = ωTR, ωZ = 0)，则M12、M22和M32的关系可简化如下：
最后，绕z轴旋转(ωX = 0, ωY = 0, ωZ = ωTR)，则M13、M23和M33的关系可简化如下：
显然，运动配置(ω)的精度和陀螺仪测量(G)对此过程有直接影响。具体说来，偏轴运动对此过程有显著影响，当购买和部署依赖这些要求的惯性测试设备时，必须予以考虑。就陀螺仪精度而言，偏置和噪声是两大威胁，在此过程中通常需要考虑。为了管控陀螺仪测量中残余偏置误差(bE)的影响，有一个技巧是使用两个不同的旋转速率——大小相等但方向相反。例如，绕y轴沿正方向旋转时(ωY = ωTR, ωX = ωZ = 0)，公式28描述了z轴陀螺仪响应和偏置误差。公式29则描述了绕y轴沿负方向旋转时(ωY = –ωTR, ωX = ωZ = 0)z轴陀螺仪的响应。
变换公式29，写出偏置误差(bE)的表示形式，代入公式28中，然后求解M32。注意偏置误差(bE)是如何从公式中消除的。
此公式假设偏置误差在两次测量中保持不变，这并不是一个符合实际的期望，不同测量之间可能存在偏差(温度、时间和噪声)，对此应有清醒的认识。当在稳定的温度条件下连续进行测量时，噪声常常是此过程中需要管控的关键误差。在陀螺仪测量中，可接受的噪声水平取决于对准精度目标(ΨT)和测定过程中各轴上的旋转速率(ωTR)。惯性条件保持不变时，一种常用的降噪技术是对陀螺仪数据求均值。利用Allan方差曲线这个工具可以了解可重复性(噪声)与均值时间之间的权衡关系。
图6通过一个例子说明了如何使用此IMU的Allan方差曲线来选择均值时间以满足上述要求。本例中，0.1秒的均值时间可满足62?/小时的可重复性目标，还有一些裕量。
注意，这种方法仅针对传感器本身的噪声。若测试平台有振动，会增加陀螺仪测量的噪声，则可能需要额外的考虑和滤波。
关于器件选择，轴到轴对准误差是一个需要考虑的重要参数，因为当它低于轴到封装对准误差参数时，将有助于降低与电子对准相关的惯性测试配置(公式16)的复杂度。轴到封装对准误差参数描述的是陀螺仪相对于外部机械基准的方位，而轴到轴对准误差参数描述的是各陀螺仪相对于另外两个陀螺仪的方位。多数情况下，MEMS IMU中三个陀螺仪的理想方位是彼此成90?，因此轴到轴对准误差与此行为的另一个常见参数(跨轴灵敏度)相关。利用公式7作为参考，轴到轴对准误差代表这三个关系的最大值：
制定电子对准流程时，轴到轴对准误差参数确定的是假设传感器完全正交对准时的误差。使用完全正交这一假设条件，仅旋转两轴便可对准所有三轴。例如，绕y轴和z轴旋转便可直接观测到M12 、M13、M22、M23、M32和M33。假设完全正交对准并应用三角函数，便可利用以上6个元素和以下关系式计算其他三个元素(M11、M21和M31)：
以上等式可将系统模型更新如下，其中M矩阵中的所有9个元素用从y轴和z轴旋转得来的6个元素表示。
结论
电源 转换领域积累了丰富的工作经验。他拥有内华达州大学雷诺分校电子工程专业学士(1994年)和硕士(1995年)学位，曾发表过数篇文章。加入ADI公司之前，他曾协助创立汽车电子和交通解决方案公司IMATS，还担任过Interpoint公司的设计工程师。
文章内容仅供参考
(投稿 )
(9/29/2015)
传感器论坛 畅所欲言吧！
