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MEMS IMU/陀螺仪对准基础

上网日期: 2015年10月12日 ?? 作者: Mark Looney ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:MEMS? 陀螺仪? 对准基础?

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!

设计系统的IMU功能架构时,有三个基本对准概念需要了解和评估:误差估计、对准误差对系统关键行为的影响以及电子对准(安装后)。初始误差估计应当包括IMU以及在运行过程中将其固定就位的机械系统这两方面的误差贡献。了解这些误差对系统关键功能的影响有助于确立相关性能目标,防止过度处理问题,同时管控无法兑现关键性能和成本承诺的风险。最后,为了优化系统的性能或以成本换空间,可能需要某种形式的电子对准。

预测安装后的对准误差

一个应用的对准精度取决于两个关键因素:IMU的对准误差和在运行过程中将其固定就位的机械系统的精度。IMU的贡献(ΨIMU)和系统的贡献(ΨSYS)通常并不相关,估计总对准误差时,常常是利用和方根计算将这两个误差源加以合并:

MEMS IMU/陀螺仪对准基础《电子工程专辑》

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)。

ADI16485轴到坐标系的对准误差。《电子工程专辑》
图1: ADI16485轴到坐标系的对准误差。

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。

图2:内嵌式底板设计概念。《电子工程专辑》
图2:内嵌式底板设计概念。

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。

图3:安装架差异引起的对准误差。《电子工程专辑》
图3:安装架差异引起的对准误差。

本文下一页:Mounting Ledges: 安装架


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