首先，回顧ADI MEMS是如何定義一些主要規(guī)格的。然后，簡(jiǎn)單看一下基于加速度計(jì)的傾斜檢測(cè)及相關(guān)主要規(guī)格，接著通過余下的討論介紹自主機(jī)器人示例。接下來將更具體地說明陀螺儀規(guī)格，同時(shí)細(xì)致分析各種誤差源、表征技巧以及各種情況的考慮因素。接著將討論慣性測(cè)量單元（IMU），也就是各種傳感器的組合，包括但不必限于加速度計(jì)和陀螺儀。然后是IMU的其他相關(guān)考慮點(diǎn)，最后將簡(jiǎn)短總結(jié)一些優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品的性能。

高性能MEMS

相信大家從各種渠道聽見過“高性能MEMS”一詞，誠(chéng)然，性能是一個(gè)相對(duì)指標(biāo)，依特定應(yīng)用要求而異。單個(gè)參數(shù)是無法定義它的。為此，必須清楚，僅依賴單個(gè)參數(shù)來表征器件是片面的，人們戲稱這種情況為“規(guī)格近視眼”。高性能意味著所有規(guī)格支持對(duì)應(yīng)用很重要的主要指標(biāo)，可以使用個(gè)例子來說明這一點(diǎn)。舉個(gè)例子，一個(gè)假設(shè)陀螺儀，用于長(zhǎng)期穩(wěn)定性較為重要的應(yīng)用中。雖然此陀螺儀是假設(shè)的，其規(guī)格卻是真實(shí)的。這些規(guī)格均來自優(yōu)質(zhì)陀螺儀的數(shù)據(jù)手冊(cè)。該陀螺儀的關(guān)鍵指標(biāo)最初是10o/小時(shí)，這是評(píng)估陀螺儀長(zhǎng)期穩(wěn)定性時(shí)常用的一個(gè)指標(biāo)。但如果細(xì)察此陀螺儀的參數(shù)，可以看到其g靈敏度為0.1o/秒/g。在對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化時(shí)，器件出現(xiàn)一些ADC誤差。基準(zhǔn)電壓源不穩(wěn)定性很小，但也會(huì)產(chǎn)生一些誤差。將所有誤差相加，得出關(guān)鍵指標(biāo)的零點(diǎn)穩(wěn)定性為10o/小時(shí)，最終陀螺儀的總誤差為72o/小時(shí)，離其他規(guī)格相去甚遠(yuǎn)。現(xiàn)在，重要的不是觀察這些特定誤差的來源，重要的是說明如何定義高性能。定義方式必須使所有重要性能標(biāo)準(zhǔn)互為補(bǔ)充、易于理解且清楚明了。

在閱讀慣性傳感器數(shù)據(jù)手冊(cè)時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)參數(shù)附帶典型值，而不是最小值或最大值。這主要是出于經(jīng)濟(jì)考慮。測(cè)試典型規(guī)格更為容易，因?yàn)橐话阒恍柙跀?shù)百至一千個(gè)器件中采樣一次，而不必測(cè)試每件產(chǎn)品。ADI公司的數(shù)據(jù)手冊(cè)政策聲明，如果我們?cè)跀?shù)據(jù)手冊(cè)中加入最小值或最大值，則必須測(cè)試每件出廠產(chǎn)品的對(duì)應(yīng)參數(shù)。如果了解典型規(guī)格，實(shí)際上它是非常有用的。典型值可能有多種不同含義。“典型值”可能意味著平均值，此時(shí)順應(yīng)性最多只有50%，甚至更低。考慮此曲線圖中顯示的分配方案，如果典型值代表平均值，對(duì)于零g偏移，平均值約為0。在此情況下，如果從大量產(chǎn)品中采樣一次，無零g偏移的可能性極低。“典型值”的另一含義可能是平均值±1 Σ，即距離平均值一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差。根據(jù)高斯法則，這意味著67%的器件屬于典型規(guī)格。ADI的大多數(shù)數(shù)據(jù)手冊(cè)存在一些容差系數(shù)。所以，我們努力確保80%的器件保持在典型規(guī)格范圍內(nèi)，這就是ADI公司針對(duì)數(shù)據(jù)手冊(cè)選擇的方法。

規(guī)格表中另一個(gè)常見的術(shù)語(yǔ)是初始規(guī)格。初始規(guī)格也有兩種含義。它可以表示在出廠驗(yàn)收測(cè)試時(shí)觀察到的狀態(tài)。也就是產(chǎn)品離開測(cè)試臺(tái)時(shí)的測(cè)試結(jié)果。“初始值”的另一種含義可以涵蓋任何啟動(dòng)和測(cè)試器件的時(shí)刻，例如在出廠時(shí)測(cè)試，出廠五個(gè)月后在測(cè)試臺(tái)上測(cè)試，或者由用戶在投入終端應(yīng)用五年后測(cè)試。ADI的初始規(guī)格包括任何啟動(dòng)和測(cè)試器件的時(shí)刻。一般而言，ADI的數(shù)據(jù)手冊(cè)對(duì)典型規(guī)格和初始規(guī)格均使用較保守的方法，以確保至少80%的器件在典型電平下正常工作。為此我們整合了加速老化測(cè)試的觀察結(jié)果，如終生高溫測(cè)試、溫度周期測(cè)試、沖擊測(cè)試等等，以更好地體現(xiàn)“初始值”在終端應(yīng)用中的意義。

基于加速度計(jì)的傾斜檢測(cè)

傾斜檢測(cè)是加速度計(jì)的常見應(yīng)用。例如它可以用于直接測(cè)量?jī)A斜角，以在特定位置觸發(fā)操作，或者用于平臺(tái)穩(wěn)定。傾斜檢測(cè)成為加速度計(jì)的常見應(yīng)用是加速度計(jì)輸出與傾斜之間存在簡(jiǎn)單的三角關(guān)系，如圖1所示。客戶常常要求約0.1o的傾斜精度，并詢問這一精度能否使用我們的加速度計(jì)來實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)0.1o左右的傾斜精度需要將失調(diào)控制在約1mg，而靈敏度誤差控制在0.1%。即使是ADI最高性能模擬輸出器件，這里指的是內(nèi)核器件，例如ADXL203，也只能提供約4%的靈敏度誤差，以及約25mg的失調(diào)誤差。在此條件下可以獲得約3o~5o的傾斜精度，而且需要執(zhí)行一些校準(zhǔn)。這些規(guī)格全部是指室溫條件，如果要考察某一溫度范圍內(nèi)的任何傾斜，該器件的偏移具有約0.5mg/oC的溫度系數(shù)。在整個(gè)溫度范圍內(nèi)，靈敏度上下浮動(dòng)約0.3%。最根本的一點(diǎn)是，如果確實(shí)需要精度為0.1o的傾斜傳感器，必須執(zhí)行校準(zhǔn)。即使已經(jīng)執(zhí)行校準(zhǔn)，甚至是校準(zhǔn)后器件，也必須控制機(jī)械影響。原因在于，在10mm范圍內(nèi)，即使兩側(cè)差異僅為17μm，例如封裝一側(cè)的焊接高度比另一側(cè)高17μm，欲控制精度的器件也將產(chǎn)生0.1o的傾斜誤差。此情況是校準(zhǔn)后器件，不一定是器件誤差。該器件會(huì)忠實(shí)報(bào)告貼裝位置的傾斜。所在，當(dāng)設(shè)計(jì)極高精度的傾斜測(cè)量系統(tǒng)時(shí)，需要考慮的因素很多。

圖2顯示了ADI公司MEMS產(chǎn)品提供的不同集成度。這里，最小的方框代表最低集成度，本例中是指雙軸加速度計(jì)ADXL203。此加速度計(jì)具有模擬輸出，傾斜精度約為3o~5o。下一個(gè)方框尺寸增加，代表較高集成度。該產(chǎn)品是ADIS16209，采用ADXL203等內(nèi)核，提供模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，用于將模擬輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出信號(hào)。另外還添加了溫度校準(zhǔn)，以及讓軸彼此準(zhǔn)確垂直的軸校準(zhǔn)，同時(shí)提供一些角度計(jì)算功能，因此ADIS16209不僅可在整個(gè)溫度范圍內(nèi)以及在軸與軸之間校準(zhǔn)，而且可輸出傾斜度數(shù)據(jù)，而不僅僅是加速度計(jì)數(shù)據(jù)。這里，最大的方框代表最高集成度。ADIS16210在ADIS16209基礎(chǔ)上添加了另一個(gè)軸，所以內(nèi)置了第二個(gè)ADXL203型內(nèi)核。第三個(gè)軸提供了更寬的傾斜測(cè)量范圍，當(dāng)然，還能輸出三個(gè)軸的加速度計(jì)數(shù)據(jù)。

0.1o的傾斜精度需要約1 mg的失調(diào)和約0.1%的靈敏度，可以看到在這些產(chǎn)品中，最小方框內(nèi)的ADXL203提供大約3o~5o傾斜精度，要實(shí)現(xiàn)更高值則需要執(zhí)行校準(zhǔn)。隨著方框逐漸變大，校準(zhǔn)后的ADIS16209在±90o測(cè)量范圍內(nèi)提供所需的0.1o傾斜精度，ADIS16210則在±180o測(cè)量范圍內(nèi)提供所需的傾斜精度。

自主機(jī)器人利用了最常用的多軸慣性運(yùn)動(dòng)。和大多數(shù)應(yīng)用一樣，它也利用線性和旋轉(zhuǎn)信息。環(huán)境條件也會(huì)牽涉其中。圖3左側(cè)是典型的自主機(jī)器人，右側(cè)是在自主機(jī)器人中實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航的典型框圖。機(jī)器人使用引導(dǎo)計(jì)算機(jī)來管理任務(wù)目標(biāo)，包括位置變化，或者可稱之為運(yùn)動(dòng)。此特定應(yīng)用中，機(jī)器人取代了工廠內(nèi)的材料傳輸帶系統(tǒng)。引導(dǎo)計(jì)算機(jī)制定或接收機(jī)器人需要遵循的軌跡，然后使用幾種測(cè)量形式跟蹤該軌跡的進(jìn)程。慣性測(cè)量主要是通過光學(xué)編碼器，后者通過一系列齒輪與滾輪耦合。該方法非常有效，但輪胎滑移、輪胎壓力變化造成的輪胎直徑波動(dòng)、齒輪間隙等等因素易帶來誤差源，任何此類動(dòng)作都能導(dǎo)致機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式與輪胎運(yùn)動(dòng)方式?jīng)_突。另一種測(cè)量方法是激光系統(tǒng)。激光系統(tǒng)雖然精確但價(jià)值有限，因?yàn)闇y(cè)量期間過于依賴穩(wěn)定性，機(jī)器人必須停止才能進(jìn)行測(cè)量。不僅如此，執(zhí)行測(cè)量時(shí)，人在機(jī)器人周圍走動(dòng)都會(huì)造成位置或方位測(cè)量的延遲或誤差。因此，片上陀螺儀或慣性測(cè)量單元系統(tǒng)通常與這些測(cè)量系統(tǒng)配合使用，以實(shí)時(shí)跟蹤方位或駛向。陀螺儀或IMU系統(tǒng)也有其性能限制，無法完全取代其他系統(tǒng)，不過其優(yōu)點(diǎn)也很明顯。機(jī)器人在無陀螺儀反饋或陀螺儀輔助的情況下遵循此軌跡，它僅使用測(cè)程數(shù)據(jù)，添加了陀螺儀反饋。這里使用的陀螺儀是一對(duì)MEMS陀螺儀，采用目前的標(biāo)準(zhǔn)。ADI自本實(shí)驗(yàn)實(shí)施迄今，在近似成本、尺寸和功耗水平下，陀螺儀性能已經(jīng)提高了約5倍~10倍。如圖4所示，y軸是誤差，x軸是時(shí)間，陀螺儀同樣遵循軌跡。藍(lán)色部分代表無陀螺儀反饋系統(tǒng)的誤差。而綠色部分代表有陀螺儀反饋系統(tǒng)的誤差。可以清楚看到，無陀螺儀反饋時(shí)，誤差在數(shù)厘米左右，甚至到達(dá)40cm。有陀螺儀反饋時(shí)，誤差有效限制在約20mm，證明了陀螺儀所帶來的顯著改善。

陀螺儀

什么是陀螺儀？陀螺儀的作用是測(cè)量某件東西的旋轉(zhuǎn)速度。當(dāng)然，物理學(xué)教科書上稱其為旋轉(zhuǎn)角速率。大多數(shù)情況下，為了對(duì)該輸出進(jìn)行實(shí)際積分，如屏幕右側(cè)所示，需要對(duì)旋轉(zhuǎn)速率進(jìn)行積分，并得出器件在旋轉(zhuǎn)時(shí)的實(shí)際角位移。理想情況下，陀螺儀將以特定速率旋轉(zhuǎn)，而且每次都會(huì)給出完全相同的信號(hào)。如果將x軸視為傳感器輸出，單位為L(zhǎng)SB，或數(shù)字器件代碼，對(duì)于模擬輸出器件單位為mV，將該值乘以比例因子，以消除任何傳感器偏置，如果討論的是中位電壓或數(shù)字偏移二進(jìn)制數(shù)出，這將為我們顯示理想偏置。如果將該關(guān)系應(yīng)用于傳感器，它將為我們提供可以信賴的理想測(cè)量值。陀螺儀的質(zhì)量和成本與它遵循該公式的程度直接相關(guān)。

通常靈敏度在數(shù)據(jù)手冊(cè)中會(huì)涉及到兩個(gè)不同的部分：一是初始靈敏度，另外一個(gè)是溫度系數(shù)。正如之前所說的，它不僅與出廠時(shí)的校準(zhǔn)有關(guān)系，它還與設(shè)備工作周期有關(guān)。在公式中加亮的靈敏度這個(gè)參數(shù)中包含了溫度系數(shù)。現(xiàn)在我們測(cè)量靈敏度實(shí)際是比較簡(jiǎn)單的。它需要將一批器件朝一個(gè)方向或另外一個(gè)方向來旋轉(zhuǎn)，這通常是在器件所支持的最大的動(dòng)態(tài)范圍來做。這里假定在順時(shí)針做450°/秒的旋轉(zhuǎn)。接下來進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量，然后再使用器件朝著相反的方向旋轉(zhuǎn)。現(xiàn)在，問題來了：“我們?yōu)槭裁匆獪y(cè)量?jī)蓚€(gè)方向的旋轉(zhuǎn)？答案很簡(jiǎn)單：這是為了您來控制失調(diào)誤差。如果陀螺的初始失調(diào)誤差是2°/秒，這將會(huì)影響到靈敏度的測(cè)量。我們做正、反兩個(gè)方向的測(cè)量，可以去除掉失調(diào)誤差的影響。我們會(huì)遇到很多的因素，都想著眼這些因素來優(yōu)化解決方案。但是實(shí)際上，您真正需要做的是采集足夠的數(shù)據(jù)，去在一定的采樣率下捕獲整個(gè)頻譜。當(dāng)您做平均的時(shí)候不需要擔(dān)心欠采樣以及噪聲折向DC的影響。您會(huì)意識(shí)到這些測(cè)量都是一個(gè)循環(huán)的過程。但是最基本的是我們想要一個(gè)在兩個(gè)方向都很好和穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)，并且基于數(shù)據(jù)手冊(cè)中的噪聲指標(biāo)想要足夠高的采樣率以及足夠的數(shù)據(jù)。

ADI不僅是銷售分立器件，而且還有集成器件，而實(shí)際上分立器件和全集成器件的區(qū)別通常是在校準(zhǔn)上。例如ADIS16136和265在這個(gè)指標(biāo)上與未校準(zhǔn)的分立器件相比，都會(huì)低10倍~15倍。

線性度有時(shí)被視為靈敏度的子集。把它單獨(dú)提出是有原因的。如果舉一個(gè)機(jī)器人性能與靈敏度和線性度的關(guān)系的示例，可能更有說服力。這一點(diǎn)務(wù)必請(qǐng)注意，因?yàn)槿绻?gòu)買線性度較差的陀螺儀，線性度需花更多時(shí)間來表征和理解。今天將其單獨(dú)提出正是為此。實(shí)際上，測(cè)量非線性度的方式與測(cè)量靈敏度的方式非常相似。所不同的只是采用多種速率。測(cè)量并非在最大速率下進(jìn)行，而是最大值以下的若干個(gè)不同速率。可以采用±10、±20、±30等等，從而繪制出有關(guān)器件工作特性曲線。4紅色虛線表示靈敏度曲線。反映了斜率的變化。線性度誤差，更明確地說是二階線性度誤差，看上去與稍微向上傾斜的正弦波幾乎一樣。線性度曲線可以展示誤差在公式中的不同呈現(xiàn)方式。同樣的原理也適用于測(cè)量線性度與靈敏度關(guān)系。必須確保平臺(tái)穩(wěn)定；確保旋轉(zhuǎn)速率精確；隨著曲線形成，盡量提高采樣速率，對(duì)足夠多的數(shù)據(jù)求平均值，這樣才能得到良好、精確的測(cè)量值。

偏置的確定項(xiàng)，它指的是三個(gè)不同項(xiàng)目：初始偏置誤差、偏置溫度系數(shù)以及電源靈敏度。三者均可影響結(jié)果。如果僅考慮需要的設(shè)備，偏置實(shí)際上是最容易測(cè)量的。理論上，只要確保陀螺儀不旋轉(zhuǎn)、無振動(dòng)，甚至不受電腦風(fēng)扇振動(dòng)影響——如此微小的振動(dòng)有時(shí)也會(huì)影響測(cè)量，只要控制這些參數(shù)以及溫度、電源，將陀螺儀放置在桌面上就能測(cè)量偏置。開始測(cè)量偏置時(shí)，最常見的情形之一是器件最終欠采樣。許多陀螺儀提供寬帶寬響應(yīng)，原因很多。一些設(shè)計(jì)人員在測(cè)量偏置時(shí)會(huì)采用極低的采樣速率，大多數(shù)情況下，他們得不到精確結(jié)果。我們的第一條建議是，此時(shí)采樣速率越高越好。但應(yīng)保證它至少是器件內(nèi)任何其他影響因數(shù)的兩倍。其次，必須確保采集足夠多的數(shù)據(jù)，使偏置在求平均值后降至器件噪聲以下。關(guān)鍵的是，測(cè)量偏置時(shí)，必須了解影響器件的因素，而且必須確保以良好的采樣速率采集和更新數(shù)據(jù)。重點(diǎn)就在這里。當(dāng)討論分立式器件與全集成式器件ADIS16136的關(guān)系時(shí)，首先后者內(nèi)置了電源管理系統(tǒng)。通過內(nèi)部調(diào)節(jié)器上嚴(yán)格的線性調(diào)整率，電源靈敏度大幅降低至很小的水平，在表征時(shí)幾乎難以察覺。另外，采用經(jīng)工廠校準(zhǔn)的器件，這一校準(zhǔn)過程有時(shí)需數(shù)小時(shí)，進(jìn)一步將偏置降低至極低水平。

圖5所示為全集成式陀螺儀。無論是采用高可靠性的模擬輸出器件ADXRS620，還是直接采用全集成式、經(jīng)過溫度校準(zhǔn)的器件ADIS16265，此框圖都能說明相應(yīng)集成水平的細(xì)節(jié)。首先，開發(fā)有機(jī)設(shè)計(jì)而且有時(shí)間、資源和經(jīng)驗(yàn)完成整個(gè)設(shè)計(jì)流程的設(shè)計(jì)人員。如果要開發(fā)穩(wěn)定性可達(dá)10o/小時(shí)的系統(tǒng)，假設(shè)是在3.3V系統(tǒng)中，所有其他條件已得到控制，那么在校準(zhǔn)后，模擬系統(tǒng)內(nèi)的誤差必須控制在1μV以內(nèi)。這并非不可能，但是，開始設(shè)計(jì)前設(shè)計(jì)者必須知道靈敏度的底線在哪里。這不僅能告訴設(shè)計(jì)者模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分辨率類型，而且還能說明放大器、緩沖器、濾波器等器件內(nèi)需要控制的噪聲參數(shù)、輸入偏置等等。在此基礎(chǔ)上，可以考慮使用哪種誤差降低手段。16136具有高溫度校準(zhǔn)性能，靈敏度和偏置性能可達(dá)10倍~20倍。

圖1 加速度計(jì)輸出與傾斜之間存在簡(jiǎn)單的三角關(guān)系

圖2 ADXL203提供的不同集成度

圖3 機(jī)器人導(dǎo)航應(yīng)用示例

圖4 陀螺儀帶來顯著改善

器件中的三種不同誤差源，分別是靈敏度誤差、非線性度和偏置各有路徑。如圖6所示，藍(lán)色的路徑可以看成機(jī)器人實(shí)際所在的路徑。紅色則是導(dǎo)航計(jì)算機(jī)在靈敏度誤差、非線性度誤差和偏置誤差影響下假定的路徑。Ψe和de誤差項(xiàng)顯示的是航向誤差和位移誤差的實(shí)際差異。靈敏度誤差很簡(jiǎn)單。假設(shè)我以特定速率旋轉(zhuǎn)，陀螺儀讀數(shù)高出實(shí)際值10%，則存在10%的航向誤差。由于旋轉(zhuǎn)速率將轉(zhuǎn)換為機(jī)器人的實(shí)際瞬時(shí)線速度，可以看到，位移實(shí)際上將隨著轉(zhuǎn)速增加。非線性度很有意思，有時(shí)候它是無關(guān)緊要的。但有時(shí)它也有影響，舉例說明。假設(shè)現(xiàn)在沒有靈敏度誤差。那么可以說，右邊的圖似乎有小誤差，從底部路徑可以看出。虛線路經(jīng)代表底部線性度，它最終導(dǎo)致航向和d因數(shù)差異。假設(shè)我在停車場(chǎng)教女兒開車，我沿著S曲線行駛。而她以障礙滑雪方式行駛，90o向左，90o向右，最后，雖然航向仍相同，但肯定有位移。如果重看非線性度曲線的第二階，會(huì)發(fā)現(xiàn)一側(cè)高一側(cè)低，這就是累積的結(jié)果。偏置誤差在上一節(jié)中已經(jīng)講過。如果我沿直線駕駛，偏置誤差將導(dǎo)致航向誤差的累積，再加上線速度的關(guān)系，至少對(duì)導(dǎo)航計(jì)算機(jī)而言，機(jī)器人是曲折前進(jìn)的，而且位移誤差越來越大。

圖5 陀螺儀通過集成提高性能

關(guān)鍵內(nèi)核特性

成本特性決定了陀螺儀的尺寸、成本差異。每個(gè)因素都很重要。噪聲、穩(wěn)定性和振動(dòng)性能是所有系統(tǒng)都需要控制的高水平、詳細(xì)、關(guān)鍵指標(biāo)。

寬帶噪聲通常對(duì)穩(wěn)定或反饋系統(tǒng)最為重要。對(duì)于導(dǎo)航系統(tǒng)，它對(duì)決定求平均值的范圍很重要，后者用于設(shè)置偏置，也就是停止和重新校準(zhǔn)偏置的校準(zhǔn)點(diǎn)。數(shù)據(jù)手冊(cè)上列出了若干因數(shù)。首先是總噪聲規(guī)格，單位通常是o/均方根秒。還有噪聲密度，描述總噪聲與系統(tǒng)帶寬之間的關(guān)系。當(dāng)然還有噪聲帶寬。注意，噪聲帶寬并不等于-3dB點(diǎn)。您可以翻看噪聲基準(zhǔn)書籍，比如Matzenbacher及大學(xué)里常用的其他經(jīng)典教科書。在單脈沖系統(tǒng)上，噪聲帶寬通常是1.6乘以3dB點(diǎn)。在具有兩個(gè)相異極點(diǎn)的集成式陀螺儀中，通常是1.4。所以，此處切不可將所有規(guī)格混同。重要的是，測(cè)量噪聲時(shí)，必須確保具有穩(wěn)定的平臺(tái)。應(yīng)保證處于無振動(dòng)的環(huán)境中。細(xì)微的溫度變化，比如說長(zhǎng)時(shí)間采集數(shù)據(jù)時(shí)有風(fēng)吹拂了器件，如果不校準(zhǔn)，也會(huì)影響測(cè)量值。這些細(xì)節(jié)都需注意。還有，總是不停的控制采樣速率，必須采集足夠的數(shù)據(jù)，以便獲得良好的統(tǒng)計(jì)樣本。對(duì)于噪聲密度測(cè)量，相比其他方法，通常需要對(duì)大量記錄執(zhí)行快速傅里葉變換，然后求整體平均值。接著，挑選出相對(duì)于頻率非常平坦的一部分頻帶。我們僅提供3dB帶寬的1/10的指標(biāo)。該值覆蓋了一般應(yīng)用，有時(shí)還會(huì)更低。也許你會(huì)問：為什么有人需要帶寬器件？實(shí)際上，在平臺(tái)穩(wěn)定系統(tǒng)中，更寬的帶寬可以給設(shè)計(jì)人員帶來更多靈活性，提供符合反饋環(huán)路穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)的最大相位裕量。以上是需要寬帶寬的情況。如果需要最佳精度，也可以縮小帶寬。對(duì)于大多數(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)，低頻特性可能同樣重要，許多情況下甚至更為重要。

在討論陀螺儀的用途前，我需要回顧一下測(cè)量穩(wěn)定性的Allan方差平方根法。它是納入IEEE標(biāo)準(zhǔn)的傳統(tǒng)規(guī)格，是由David Allan在開發(fā)GPS衛(wèi)星原子鐘時(shí)發(fā)明的。事實(shí)上，它已經(jīng)成為測(cè)量時(shí)變型隨機(jī)過程穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)工具。首先，τ代表積分時(shí)間。繪制該曲線圖時(shí)，每條垂直線代表數(shù)據(jù)的一個(gè)時(shí)間記錄。積分時(shí)間即數(shù)據(jù)的時(shí)間記錄，應(yīng)采集至少30次連續(xù)記錄，將每個(gè)記錄內(nèi)的偏置估算值平均化。重復(fù)操作30次。通過30次測(cè)量得出實(shí)際偏置，然后代入屏幕底部的公式，Allan方差公式將依此程序剔除Allan方差曲線上的一點(diǎn)。例如， “角向隨機(jī)游動(dòng)”，這代表一秒的積分時(shí)間。它的含義是，我們采集30s的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)分為30段，每段為一秒。然后求每一段的平均值。最后，就本例而言，得到曲線上約60o/小時(shí)的一點(diǎn)。同樣，此時(shí)間周期中最重要的是（溫度變化），如果我在辦公室空調(diào)通風(fēng)口下方開始本測(cè)試，而且使用未校準(zhǔn)的陀螺儀，問題就大了。需要強(qiáng)調(diào)的是，控制采樣速率、控制振動(dòng)、控制電源溫度影響還是很重要。

圖6 三種不同誤差源

作為最重要的指標(biāo)，陀螺儀上會(huì)指定角向隨機(jī)游動(dòng)、運(yùn)動(dòng)中偏置穩(wěn)定度，有時(shí)在光纖陀螺儀上還能看到速率隨機(jī)游動(dòng)，但MEMS陀螺儀上一般不會(huì)指定。關(guān)于角向隨機(jī)游動(dòng)，可以看到此處公式與60有關(guān)，基本上是將速率噪聲密度乘以60并除以2的平方根因此速率噪聲密度與角向隨機(jī)游動(dòng)相關(guān)。運(yùn)動(dòng)中偏置穩(wěn)定度通常稱為陀螺儀的分辨率，或者可以獲得的最佳穩(wěn)定度，均需要仔細(xì)控制。最后，速率隨機(jī)游動(dòng)是一個(gè)長(zhǎng)期測(cè)量值，有時(shí)需要數(shù)天來測(cè)量，只利用溫度靈敏度會(huì)很困難。通常不會(huì)在數(shù)據(jù)手冊(cè)中指定該值，但對(duì)于最新一代器件，希望速率隨機(jī)游動(dòng)介于2度至4度/小時(shí)/平方根小時(shí)之間。

影響振動(dòng)的因素通常有兩個(gè)：線性g效應(yīng)，還有整流特性。線性g通常是額定值，如果在垂直于器件旋轉(zhuǎn)軸的平面內(nèi)發(fā)生線性g，陀螺儀內(nèi)將有何響應(yīng)？理想情況下，假設(shè)在陀螺儀內(nèi)旋轉(zhuǎn)，陀螺儀會(huì)有響應(yīng)。如果我以線性方式運(yùn)動(dòng)，陀螺儀無響應(yīng)。在現(xiàn)實(shí)中，使用微型機(jī)械結(jié)構(gòu)時(shí)，這些因數(shù)變得與運(yùn)動(dòng)中偏置穩(wěn)定度同樣重要。這里關(guān)鍵的一點(diǎn)是如何測(cè)量它？如何觀測(cè)它？它在數(shù)據(jù)手冊(cè)中有何意義？讓我們來慢慢分析。其實(shí)線性g測(cè)量非常簡(jiǎn)單。大多數(shù)情況下，可以使用重力作為激勵(lì)。您可以沿一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)器件，例如一側(cè)直立。然后翻轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)動(dòng)位置，即完全±1g方位，以便提供響應(yīng)。而g×g測(cè)量稍為困難，因?yàn)檫@些器件，特別是646及內(nèi)置646的其他器件，提供非常良好的響應(yīng)。因此一般必須提高g水平，測(cè)量沖擊，而且必須使用高端加速度計(jì)進(jìn)行測(cè)量。ADI現(xiàn)在已在數(shù)據(jù)手冊(cè)中指定該值，可以用于估算振動(dòng)。事實(shí)上，必須沿某個(gè)方向及其相反方向旋轉(zhuǎn)，獲得線性g效應(yīng)，然后留下g×g效應(yīng)。

加速度計(jì)沿不同于重力的方向傾斜時(shí)，加速度改變。對(duì)于陀螺儀上的線性g效應(yīng)，如果我將陀螺儀平放于桌面上，轉(zhuǎn)動(dòng)至與地球重力矢量成10o，效果便會(huì)出現(xiàn)到目前為止，這一效應(yīng)通常可觀察、可校準(zhǔn)。器件額定值為0.005o/秒/g2，它的運(yùn)動(dòng)中偏置穩(wěn)定度也令人印象深刻，應(yīng)在在2o~4o/小時(shí)左右。在2g rms環(huán)境中，振動(dòng)不會(huì)很多，對(duì)于飛機(jī)框架或UAV，以及行駛在道路上的機(jī)器人，該值降低至72o/小時(shí)。

慣性測(cè)量單元

多數(shù)慣性運(yùn)動(dòng)很復(fù)雜。由于涉及多個(gè)軸，單個(gè)陀螺儀常常不夠用。此外，陀螺儀還有線性和旋轉(zhuǎn)元件。另外還要考慮環(huán)境條件。慣性測(cè)量單元通常至少提供3軸加速度計(jì)和3軸陀螺儀。一些器件還會(huì)提供磁力計(jì)，幫助提供陀螺儀反饋。偶爾也會(huì)提供氣壓計(jì)，以測(cè)量海拔高度變化。

在制定陀螺儀選型和表征支持規(guī)格時(shí)，跨軸靈敏度是一大區(qū)分指標(biāo)。例如，對(duì)于適用于手機(jī)的器件，如基本手勢(shì)應(yīng)用，以及高性能器件，如儀表型應(yīng)用，跨軸靈敏度非常重要。目前，基于可用的所有指標(biāo)，最高性能的MEMS陀螺儀仍然是單軸器件。雖然行業(yè)技術(shù)大有進(jìn)步，但就穩(wěn)定性和振動(dòng)而言，基于迄今討論的所有指標(biāo)，單軸器件仍然居冠。這就意味著，如果要設(shè)計(jì)分立式IMU，必須開發(fā)3D結(jié)構(gòu)，同時(shí)開發(fā)3D校準(zhǔn)。依據(jù)我們構(gòu)建此類器件的經(jīng)驗(yàn)，可以獲得的最佳對(duì)準(zhǔn)在2o~4o之間。與特定軸實(shí)現(xiàn)4o對(duì)準(zhǔn)實(shí)際上可以獲得約7%的靈敏度。如果機(jī)器人在傾角變化±45o的地面行走，航向不穩(wěn)定度可達(dá)2.1o。短時(shí)間內(nèi)這可能無甚影響，但如果嘗試從下方跟蹤機(jī)器人，比如一組樹木，又沒有GPS訪問，問題就來了。通過校正，ADIS163xx和4xx器件將該值降低至0.1%以下，因此該值是關(guān)鍵指標(biāo)之一。在閱讀一頁(yè)數(shù)據(jù)手冊(cè)上的新聞稿或功能組合時(shí)，通常沒有這些參數(shù)，當(dāng)然這不是因?yàn)橹圃焐滔腚[瞞什么，而是因?yàn)槠浣K端市場(chǎng)沒有此需求。該參數(shù)是提供給您的。用戶決定了您需要控制的性能組合。 ADI所有IMU經(jīng)過100%校準(zhǔn)，而且附帶這些參數(shù)。視器件而定，每個(gè)器件要經(jīng)過250甚至500個(gè)步驟。所有校準(zhǔn)需花數(shù)小時(shí)。在開發(fā)和購(gòu)買某一性能或功能水平的產(chǎn)品時(shí)，這些參數(shù)需要大致瀏覽一下。

總結(jié)

器件ADXR646在多個(gè)參數(shù)上具有業(yè)界領(lǐng)先的性能。它的線性加速度效應(yīng)和在寬振動(dòng)條件范圍內(nèi)支持12o/小時(shí)的運(yùn)動(dòng)中偏置穩(wěn)定度的能力。ADI有兩個(gè)不同部門負(fù)責(zé)這些器件的設(shè)計(jì)和支持。我們就像該器件的客戶，在設(shè)計(jì)部分IMU和部分高級(jí)陀螺儀時(shí)利用了這些服務(wù)，其作用不可忽視。提供這些規(guī)格是為了節(jié)省各位的時(shí)間，同時(shí)用作重要的性能指標(biāo)。購(gòu)買集成器件相對(duì)于自己動(dòng)手開發(fā)的優(yōu)勢(shì)。以16488為例，靈敏度誤差可降低10到15倍，更不用說偏置誤差了。另外常常還有跨軸靈敏度的提升。相比針對(duì)手持式應(yīng)用設(shè)計(jì)的低級(jí)別器件，例如手機(jī)、圖片轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備或Wii遠(yuǎn)程設(shè)備，該參數(shù)也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出。除了校準(zhǔn)能力高超，物理結(jié)構(gòu)強(qiáng)固也是優(yōu)勢(shì)之一，比如說，塑料元件沾水后無膨脹或收縮。這也有利于跨軸靈敏度。附帶一提，這些器件曾在2 000 g下接受測(cè)試。經(jīng)過數(shù)百個(gè)溫度周期，就是壽命測(cè)試，器件仍然能保持跨軸靈敏度，這真的是一大技術(shù)進(jìn)步。

問答選編

問：三軸MEMS加速計(jì)的XYZ軸的非線性是一致的嗎？它跟安裝有何關(guān)系？

答：一般情況下，Z軸的指標(biāo)由于MEMS芯片后端的原因， 相比XY要低一點(diǎn)。安裝或者焊接引起的誤差，可以通過校正來消除。

問：ADIS16260采用什么樣的接口？怎么與微處理器進(jìn)行連接？

答：ADI的數(shù)字輸出的MEMS傳感器（包括ADIS16260）通常采用SPI接口與外部的微處理器通信。

問：如何選擇加速度傳感器？主要要注意哪些參數(shù)？

答：取決于你的應(yīng)用。主要要注意的參數(shù)有：量程；DC下的精度（靈敏度，非線性度，噪聲等）；漂移（隨時(shí)間和隨溫度變化的誤差）。

問：陀螺儀與MCU接口有哪些？

答：數(shù)字輸出的陀螺儀都為SPI接口，可以比較方便的與MCU連接。對(duì)于模擬電壓輸出的陀螺儀其輸出需要接ADC來進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

問：請(qǐng)問要用ADXL203實(shí)現(xiàn)0.1°的精度，需要注意哪些方面？比如高分辨率AD采集系統(tǒng)？換言之，是不是提高AD采用精度能提高ADXl203傾斜角測(cè)量精度？

答：高分辨率ADC只是一個(gè)方面，最重要的是校準(zhǔn)，才能提高精度。0.1°的傾斜精度需要約1mg的失調(diào)和約0.1%的靈敏度，ADXL203提供大約3°~5°傾斜精度，要實(shí)現(xiàn)更高值則需要執(zhí)行校準(zhǔn)。可以參考IMU:ADIS16209和ADIS16210。是在ADXL203的基礎(chǔ)上增加了校準(zhǔn)功能，ADIS16209在±90°測(cè)量范圍內(nèi)提供所需的0.1°傾斜精度，ADIS16210則在±180度測(cè)量范圍內(nèi)提供所需的傾斜精度。

問：請(qǐng)介紹ADIS16488的非線性度？

答：ADIS16488內(nèi)部集成的不同傳感器，會(huì)有不同的非線性度，以其內(nèi)部陀螺為例，在450deg/sec的量程范圍內(nèi)，其非線性度是0.01%乘以量程。

問：ADI哪些加速度傳感器具有溫度補(bǔ)償功能？補(bǔ)償?shù)臏囟确秶卸鄬挘?/p>

答：一般IMU（ADIS開頭的器件）都是具有溫度補(bǔ)償功能的。補(bǔ)償?shù)臏囟确秶?qǐng)參考數(shù)據(jù)手冊(cè)中溫度漂移指標(biāo)的溫度范圍。

問：請(qǐng)問ADI公司的MEMS多自由度目前能達(dá)到多少？

答：目前我們的產(chǎn)品可達(dá)10自由度，3軸陀螺，3軸加速度計(jì)，3軸磁力計(jì)，1個(gè)氣壓計(jì)，也就是可以實(shí)現(xiàn)單芯片的慣導(dǎo)解決方案。

問： 影響陀螺儀非線性度的因素主要有哪些？需要修正嗎？

答：影響陀螺儀的非線性度的主要因素是MEMS本身的工藝影響。是否需要修正取決于你的應(yīng)用。如果非線性度指標(biāo)不滿足要求，可以選擇更高性能的MEMS和IMU，他們的高性能是通過內(nèi)部校準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)的。

問：請(qǐng)問陀螺儀與mcu接口的通信速率最大可達(dá)到多少？

答：ADI的數(shù)字陀螺儀與MCU的通信速率需要看具體的型號(hào)，通常數(shù)據(jù)讀取速率在KHz級(jí)。

問：影響MEMS測(cè)量精度的噪音主要有哪幾個(gè)方面？如何降低？

答：影響MEMS測(cè)量精度的因素有很多，比如噪聲，溫度漂移，非線性，非正交性，振動(dòng)、沖擊、線性加速度影響等。噪聲可以采用多顆芯片平均的辦法來降低，溫度漂移、非線性、非正交性等可以通過軟件矯正，一般用戶最難控制的是振動(dòng)、沖擊、線性加速度的影響，所以在選型時(shí)一定要注意linear acceleration effort on bias這個(gè)指標(biāo)，因?yàn)檫@些影響主要是靠器件本身的設(shè)計(jì)來保證的。

問：MEMS加速計(jì)在使用過程中是否需要不斷進(jìn)行校準(zhǔn)？是通過軟件進(jìn)行嗎？

答：ADI大部分的傳感器在出廠前都做過校準(zhǔn)，用戶可以根據(jù)自己的需要通過軟件進(jìn)行校準(zhǔn)。

問：ADI陀螺儀響應(yīng)速度有哪幾個(gè)，最快能達(dá)到多少？

答：一是要看啟動(dòng)時(shí)間，一般都在ms級(jí)，比如ADXRS642啟動(dòng)時(shí)間是最大50ms。再就是看器件的帶寬，ADXRS642是2000Hz。

問：高性能MEMS主要應(yīng)用于手持產(chǎn)品？還是應(yīng)用在其他高端的產(chǎn)品？

答：ADI提供有用應(yīng)用于消費(fèi)類電子的傳感器，例如ADXL345、346等；對(duì)于陀螺儀，主要針對(duì)非消費(fèi)類的電子產(chǎn)品，如平臺(tái)穩(wěn)定控制，導(dǎo)航，機(jī)器人和UAV等等。

問：ADI的MEMS有無獨(dú)特的創(chuàng)新優(yōu)勢(shì)？

答：在傳感器出廠前，ADI做了大量的測(cè)試和校準(zhǔn)工作，以提高芯片的性能并減輕工程師的工作量。以我們的MEMS陀螺儀為例，其內(nèi)部都至少采用兩個(gè)傳感器單元（在ADXRS64x中采用4個(gè)），這樣對(duì)加速度等外部影響具有很好的抑制作用。