簡介

　　選擇陀螺儀時，需要考慮將最大誤差源最小化。在大多數(shù)應(yīng)用中，振動敏感度是最大的誤差源。其它參數(shù)可以輕松地通過校準(zhǔn)或求取多個傳感器的平均值來改善。偏置穩(wěn)定度是誤差預(yù)算較小的分量之一。

　　瀏覽高性能陀螺儀數(shù)據(jù)手冊時，多數(shù)系統(tǒng)設(shè)計師關(guān)注的第一個要素是偏置穩(wěn)定度規(guī)格。畢竟，它描述的是陀螺儀的分辨率下限，理所當(dāng)然是反映陀螺儀性能的最佳指標(biāo)！然而，實際的陀螺儀會因為多種原因而出現(xiàn)誤差，使得用戶無法獲得數(shù)據(jù)手冊中宣稱的高偏置穩(wěn)定度。的確，可能只有在實驗室內(nèi)才能獲得那么高的性能。傳統(tǒng)方法是借助補償來最大程度地降低這些誤差源的影響。本文將討論多種此類技術(shù)及其局限性。最后，我們將討論另一種可選范式——根據(jù)機械性能選擇陀螺儀，以及必要時如何提高其偏置穩(wěn)定度。

　　環(huán)境誤差

　　所有中低價位的MEMS陀螺儀都有一定的時間-零點偏置和比例因子誤差，此外還會隨溫度而發(fā)生一定的變化。因此，對陀螺儀進行溫度補償是很常見的做法。一般而言，陀螺儀集成溫度傳感器的目的就在于此。溫度傳感器的絕對精度并不重要，重要的是可重復(fù)性以及溫度傳感器與陀螺儀實際溫度的緊密耦合。現(xiàn)代陀螺儀的溫度傳感器幾乎毫不費力就能達到這些要求。

　　許多技術(shù)可以用于溫度補償，如多項式曲線擬合、分段線性近似等。只要記錄了足夠數(shù)量的溫度點，并且在校準(zhǔn)過程中采取了充分的措施，那么具體使用何種技術(shù)是無關(guān)緊要的。例如，在每個溫度的放置時間不足是一個常見的誤差源。然而，無論采用何種技術(shù)，無論有多細心，溫度遲滯——即通過冷卻與通過加熱達到某一特定溫度時的輸出之差——都將是限制因素。

　　圖1所示為陀螺儀ADXRS453的溫度遲滯環(huán)路。溫度從+25℃變?yōu)?130℃，再變?yōu)楱C45℃，最后回到+25℃，與此同時記錄未補償陀螺儀的零點偏置測量結(jié)果。加熱周期與冷卻周期中的+25℃零點偏置輸出存在細微的差異（本例中約為0.2°/s），這就是溫度遲滯。此誤差無法通過補償來消除，因為無論陀螺儀上電與否，它都會出現(xiàn)。此外，遲滯的幅度與所施加的溫度“激勵”量成比例。也就是說，施加于器件的溫度范圍越寬，則遲滯越大。

　　圖1. 經(jīng)歷溫度循環(huán)（–45℃至+130℃）時未補償ADXRS453的零點偏置輸出

　　如果應(yīng)用允許啟動時復(fù)位零點偏置（即無旋轉(zhuǎn)時啟動），或者在現(xiàn)場將零點偏置調(diào)零，則可以忽略此誤差。否則，這就可能是偏置穩(wěn)定度性能的一個限制因素，因為我們無法控制運輸或存儲條件。

　　抗振

　　理想情況下，陀螺儀僅測量旋轉(zhuǎn)速率，無關(guān)其他。但實際應(yīng)用中，由于機械設(shè)計不對稱和/或微加工不夠精確，所有陀螺儀都有一定的加速度敏感度。事實上，加速度敏感度有多種

　　外在表現(xiàn)，其嚴重程度因設(shè)計而異。最顯著的通常是對線性加速度的敏感度（或g敏感度）和對振動校正的敏感度（或g2敏感度）。由于多數(shù)陀螺儀應(yīng)用所處的設(shè)備是繞地球的1 g重力場運動和/或在其中旋轉(zhuǎn)，因此對加速度的敏感度常常是最大的誤差源。

　　成本極低的陀螺儀一般采用極其簡單緊湊的機械系統(tǒng)設(shè)計，抗振性能未經(jīng)優(yōu)化（它優(yōu)化的是成本），因而振動可能會造成嚴重影響。1000°/h/g（或0.3°/s/g）以上的g敏感度也不足為奇，比高性能陀螺儀差10倍以上！對于這種陀螺儀，偏置穩(wěn)定度的好壞并無多大意義，陀螺儀在地球的重力場中稍有旋轉(zhuǎn)，就會因為g和g2敏感度而產(chǎn)生巨大的誤差。一般而言，此類陀螺儀不規(guī)定振動敏感度——默認為非常大。

　　較高性能的MEMS陀螺儀則好得多。表1列出了幾款高性能MEMS陀螺儀的數(shù)據(jù)手冊所列規(guī)格。對于這一類別中的多數(shù)陀螺儀，g敏感度為360°/h/g（或0.1°/s/g），某些低于60°/h/g，遠遠優(yōu)于極低成本的陀螺儀。但是，對于小到150 mg（相當(dāng)于8.6°傾斜）的加速度變化，即使其中最好的陀螺儀也會超出其額定偏置穩(wěn)定度。

　　有些設(shè)計師試圖利用外部加速度計來補償g敏感度（通常是在IMU應(yīng)用中，因為所需的加速度計已經(jīng)存在），這在某些情況下確實可以改善性能。然而，由于多種原因，g敏感度補償無法獲得完全的成功。大多數(shù)陀螺儀的g敏感度會隨振動頻率變化而變化。圖2顯示了Silicon Sensing CRG20-01陀螺儀對振動的響應(yīng)。注意，雖然陀螺儀的敏感度在額定規(guī)格范圍內(nèi)（在一些特定頻率處略有超出，但這些可能不重要），但從DC到100 Hz，其變化率為12:1，因此無法簡單地通過測量DC時的敏感度來執(zhí)行校準(zhǔn)。確實，補償方案將非常復(fù)雜，要求根據(jù)頻率改變敏感度。

　　圖2. Silicon Sensing CRG20-01對不同正弦音的g敏感度響應(yīng)

　　作為對比，圖3顯示的是陀螺儀ADXRS646在相似條件下的響應(yīng)。事實上，有些陀螺儀比其它陀螺儀更容易進行g(shù)敏感度補償。不過遺憾的是，數(shù)據(jù)手冊幾乎從不提供此類信息，必須由用戶去探索，而且可能極耗精力，但在系統(tǒng)設(shè)計過程中，常常沒有時間等待驚喜出現(xiàn)。

　　圖3. Analog Devices ADXRS646對隨機振動（15 g rms， 0.11 g2/Hz）的g敏感度響應(yīng)，1600 Hz濾波

　　另一個困難是將補償加速度計和陀螺儀的相位響應(yīng)相匹配。如果陀螺儀和補償加速度計的相位響應(yīng)匹配不佳，高頻振動誤差實際上可能會被放大！由此便可得出另一個結(jié)論：對于大多數(shù)陀螺儀，g敏感度補償僅在低頻時有效。