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时间:2019-05-21
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1、陀螺仪的选择:其机械性能是最重要的参数作者:ADI公司HarveyWeinberg选择陀螺仪时,需要考虑将最大误差源最小化。在大多数应用中,振动敏感度是最大的误差源。其它参数可以轻松地通过校准或求取多个传感器的平均值来改善。偏置稳定度是误差预算较小的分量之一。 浏览高性能陀螺仪数据手册时,多数系统设计师关注的第一个要素是偏置稳定度规格。毕竟,它描述的是陀螺仪的分辨率下限,理所当然是反映陀螺仪性能的最佳指标!然而,实际的陀螺仪会因为多种原因而出现误差,使得用户无法获得数据手册中宣称的高偏置稳定度。的确,可能只有在实验室内才能获得那么高的性能。传统
2、方法是借助补偿来最大程度地降低这些误差源的影响。本文将讨论多种此类技术及其局限性。最后,我们将讨论另一种可选范式——根据机械性能选择陀螺仪,以及必要时如何提高其偏置稳定度。 环境误差 所有中低价位的MEMS陀螺仪都有一定的时间-零点偏置和比例因子误差,此外还会随温度而发生一定的变化。因此,对陀螺仪进行温度补偿是很常见的做法。一般而言,陀螺仪集成温度传感器的目的就在于此。温度传感器的绝对精度并不重要,重要的是可重复性以及温度传感器与陀螺仪实际温度的紧密耦合。现代陀螺仪的温度传感器几乎毫不费力就能达到这些要求。 许多技术可以用于温度补偿,如多项式曲
3、线拟合、分段线性近似等。只要记录了足够数量的温度点,并且在校准过程中采取了充分的措施,那么具体使用何种技术是无关紧要的。例如,在每个温度的放置时间不足是一个常见的误差源。然而,无论采用何种技术,无论有多细心,温度迟滞——即通过冷却与通过加热达到某一特定温度时的输出之差——都将是限制因素。 图1所示为陀螺仪ADXRS453的温度迟滞环路。温度从+25℃变为+130℃,再变为–45℃,最后回到+25℃,与此同时记录未补偿陀螺仪的零点偏置测量结果。加热周期与冷却周期中的+25℃零点偏置输出存在细微的差异(本例中约为0.2°/s),这就是温度迟滞。此误
4、差无法通过补偿来消除,因为无论陀螺仪上电与否,它都会出现。此外,迟滞的幅度与所施加的温度“激励”量成比例。也就是说,施加于器件的温度范围越宽,则迟滞越大。 图1.经历温度循环(–45°C至+130°C)时未补偿ADXRS453的零点偏置输出如果应用允许启动时复位零点偏置(即无旋转时启动),或者在现场将零点偏置调零,则可以忽略此误差。否则,这就可能是偏置稳定度性能的一个限制因素,因为我们无法控制运输或存储条件。 抗振 理想情况下,陀螺仪仅测量旋转速率,无关其他。但实际应用中,由于机械设计不对称和/或微加工不够精确,所有陀螺仪都有一定的加速度敏感
5、度。事实上,加速度敏感度有多种 外在表现,其严重程度因设计而异。最显著的通常是对线性加速度的敏感度(或g敏感度)和对振动校正的敏感度(或g2敏感度)。由于多数陀螺仪应用所处的设备是绕地球的1g重力场运动和/或在其中旋转,因此对加速度的敏感度常常是最大的误差源。 成本极低的陀螺仪一般采用极其简单紧凑的机械系统设计,抗振性能未经优化(它优化的是成本),因而振动可能会造成严重影响。1000°/h/g(或0.3°/s/g)以上的g敏感度也不足为奇,比高性能陀螺仪差10倍以上!对于这种陀螺仪,偏置稳定度的好坏并无多大意义,陀螺仪在地球的重力场中稍有旋转,
6、就会因为g和g2敏感度而产生巨大的误差。一般而言,此类陀螺仪不规定振动敏感度——默认为非常大。 较高性能的MEMS陀螺仪则好得多。表1列出了几款高性能MEMS陀螺仪的数据手册所列规格。对于这一类别中的多数陀螺仪,g敏感度为360°/h/g(或0.1°/s/g),某些低于60°/h/g,远远优于极低成本的陀螺仪。但是,对于小到150mg(相当于8.6°倾斜)的加速度变化,即使其中最好的陀螺仪也会超出其额定偏置稳定度。 有些设计师试图利用外部加速度计来补偿g敏感度(通常是在IMU应用中,因为所需的加速度计已经存在),这在某些情况下确实可以改善性能。
7、然而,由于多种原因,g敏感度补偿无法获得完全的成功。大多数陀螺仪的g敏感度会随振动频率变化而变化。图2显示了SiliconSensingCRG20-01陀螺仪对振动的响应。注意,虽然陀螺仪的敏感度在额定规格范围内(在一些特定频率处略有超出,但这些可能不重要),但从DC到100Hz,其变化率为12:1,因此无法简单地通过测量DC时的敏感度来执行校准。确实,补偿方案将非常复杂,要求根据频率改变敏感度。 图2.SiliconSensingCRG20-01对不同正弦音的g敏感度响应作为对比,图3显示的是陀螺仪ADXRS646在相似条件下的响应。事实上,
8、有些陀螺仪比其它陀螺仪更容易进行g敏感度补偿。不过遗憾的是,数据手册几乎从不提供此类信息,必须由用户去探索,而且可能极耗精力,但在系统设计过程中,常常
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