消费级和工业级IMU对于传感器之间的轴对齐特性与误差处理资料下载

正在将 MEMS惯性测量单元(IMU)用于个人交通工具平台的自平衡制导系统，是否会有一款面向消费者，能消除各 传感器之间的全部对齐误差，并且所有核心传感器元件都集成在单个 芯片上的IMU？ 否，对于这个设计来说，这一般不是一个保险的期望。采用鲁棒的分立传感器和最佳封装并经过优化校准的 工业级IMU，其对齐精度要比位于单个芯片上的消费级IMU高得多。 消费级和工业级IMU往往以不同方式规定轴对齐特性。消费级IMU的典型做法是将所有对齐误差集总为一个跨轴灵敏度 规格。面向工业的IMU，比如 ADIS16490，则使用两个不同规格以便更直接地说明对齐精度：轴到轴对齐误差和轴到封装对齐误差。轴到封装对齐误差描述各轴相对于IMU封装内 机械特性的对齐程度。轴到轴对齐误差描述各加速度计和 陀螺仪轴的对齐在多大程度上符合理想正交性。正因如此，轴到轴对齐误差也常被称为正交误差。 跨轴灵敏度(CAS)和轴到轴对齐误差(A2A_MAE)有如下数学关系： CAS = sin(A2A_MAE) A2A_MAE = asin(CAS) 非正交性发生在传感器轴之间、传感器上或源于传感器与外壳之间的封装不对齐。对于工业级IMU，这些规格会在工厂校准，并在数据手册中详细说明。对于分立器件，跨轴灵敏度规格不包括相对于 PCB的装配偏差。 理想情况下，陀螺仪和加速度计中的多个轴是彼此正交的。然而，这里有个常见的误解：既然多轴陀螺仪或加速度计可以设计在一个分立MEMS器件之内，那么各轴应是完美正交的，彼此成 90°角。虽然这些器件中的所有惯性传感器都位于单个芯片上，但加工和制造偏差所引入的固有误差仍可能造成正交误差。相应的等效对齐精度与完全校准的工业级IMU相比，实际上并不是非常好。 图1. 左边的理想三轴正交情况反映矢量的真实影响。正交误差使得所有轴上都能 检测到泄漏的部分旋转或力。 对消费级器件的简单调查发现，跨轴灵敏度常常在1%到5%范围内。利用以上关系式，可知等效轴到轴对齐误差为0.57°到2.87°。 不过也可用毫弧度为单位来定义，相当于0.057°。工业级IMU的精度通常要高得多。我们也可利用此关系将工业级IMU的轴到轴对齐误差0.018°转换为等效跨轴灵敏度0.031%。 CAS = sin(A2A_MAE) = sin(0.018°) = 0.00031 = 0.031% 工业级IMU ADIS16489的所有惯性传感器不是位于一个芯片上，尽管有这个明显的缺点，但其性能仍要比最佳消费级器件高出大约32倍。 为了解正交误差的影响，假设一个加速度计轴指向正上方，器件恰好处于水平状态。加速度计在此z轴上测量重力的总影响。如果其他两个轴完全正交，那么它们不会测量到任何重力矢量。然而，若有正交误差，其他两个水平轴就会测量到重力矢量的一部分。例如，若器件的跨轴灵敏度为1%，其对重力的等效响应将是 10 mg，这相当于0.6°的等效对齐误差。反之，如果第一个轴不与水平框架正交，它便测不到完整的重力矢量。 正交误差是加速度计总误差中特别稳定的成分，因此可通过一次性校准来校正。为了确定一对加速度计轴的正交误差，须让加速度计在所有可能的90°方向空间中旋转，并测量各轴对重力的静态响应。这可以利用精密万向节头或在已知正交表面上进行。 将器件安装到PCB之后，要通过校准消除所有工作条件下的正交误差是很困难的。惯性校准要求在器件经历受控运动模式的同时观测各传感器响应。为高效实现此类运动模式，常常需要高度专业化的设备和经验。与已经预校准的工业级IMU不同，安装在PCB上的每个消费级MEMS器件都需要针对其他传感器、环境表现和温度进行校准。 在分立器件安装到微型PCB上坚固耐用的模块中之后，包括三个陀螺仪轴和三个加速度计轴的工业级IMU在制造中利用校准步骤实现高超性能。这种工厂校准不仅能识别和补偿MEMS器件本身的正交误差，还能补偿装配相关的偏斜。因此，与装配偏差、跨轴误差和温度相关的误差降至最小。ADIS16489工厂校准可将平台稳定、导航和 机器人应用中的轴对齐误差降至最低。ADIS16489内置一个数字三轴陀螺仪和一个三轴加速度计，陀螺仪轴到轴对齐误差仅有±0.018°，加速度计轴到轴误差为±0.035°。除了高性能传感器参数以外，ADIS16489还利用聚对二甲苯涂层作为内部电路的防潮层。 本文转载自 (mbbeetchina)