如何選擇合適的慣性傳感器？

　在做慣性導航模塊或者飛控的時候**件事就是器件的選取，這個是**步也是很重要的一步，因為他不僅關(guān)系到硬件成本還關(guān)乎到你最終產(chǎn)品的性能。 　　IMU是一個集成的傳感器套件，結(jié)合了多個加速度計和陀螺儀，可以相對于慣性參考系進行比力和角速度的三維測量。然而，近年來，IMU一詞已成為一個統(tǒng)稱，用于描述各種慣性系統(tǒng)，包括姿態(tài)航向參考系統(tǒng)（AHRS）和INS。IMU本身不提供任何類型的導航解決方案（位置、速度、姿態(tài)）。INS集成了內(nèi)部IMU的測量，提供導航解決方案。 　　通常情況下，慣性傳感器可以分為以下三個性能類別。 　　航海級和導航級慣導系統(tǒng)：大型、準確且昂貴 　　航海級慣導系統(tǒng)是商用***別的傳感器，用于船舶、潛艇，偶爾用于航天器上。該系統(tǒng)可提供漂移小于1.8km/天的無輔助導航解決方案。這些傳感器的成本高達100萬美元。 　　導航級慣導系統(tǒng)的性能略低于航海級慣導系統(tǒng)，通常用于商用客機和軍用飛機。其漂移量小于1.5km/h，其價格高達10萬美元。 　　戰(zhàn)術(shù)級和工業(yè)級慣性傳感器：對于主力應用價值很高 　　戰(zhàn)術(shù)級和工業(yè)級傳感器是這三類傳感器中最為多樣化的，可解決各種性能和成本情況，其市場機遇是巨大的。該類別用于許多需要以較低成本獲得高性能數(shù)據(jù)以實現(xiàn)大量生產(chǎn)的應用，常見于自動割草機、送貨機器人、無人機、農(nóng)業(yè)機器人、移動工業(yè)機器人和自主航行船舶。雖然成本較低，但購買者需要在準確性、性能、尺寸和質(zhì)量方面付出代價。 　　汽車級和消費級傳感器：商品應用 　　在商業(yè)市場上，IMU的最低等級被稱為汽車級。這些傳感器通常以單獨的加速度計或陀螺儀的形式出售。許多公司已經(jīng)開始將來自不同制造商的多個加速計和陀螺儀結(jié)合起來，以創(chuàng)建獨立的IMU單元。即使與GPS等其他導航系統(tǒng)集成在一起，汽車級IMU也不夠精確，不足以用于慣性導航。這些傳感器常用于懸架系統(tǒng)、安全氣囊、防抱死制動系統(tǒng)、娛樂系統(tǒng)和其他類似應用。這是所有傳感器中成本最低的，每個傳感器約為100美元。 　　而具體選取傳感器件時，無外乎要關(guān)注如下3個方面，然后根據(jù)需求進行選擇。 　　1、傳感器的精度參數(shù) 　　2、傳感器對應的價格且是否好購買 　　3、對應的硬件設計難度 　　陀螺儀的選?。?　　下面介紹幾個在陀螺儀選取過程中比較關(guān)注的幾指標： 　　1、量程 　　量程是我們在選用傳感器的時候首先就要確定的！你選的傳感器的是用來干什么的，一般的飛控，慣導系統(tǒng)選擇在300度/s，450度/秒就可以了，其他的根據(jù)自己的使用場景做選擇，比如說一些高精度平臺要的量程小一點對應的精度會高一些。 　　2、零偏穩(wěn)定性 　　零偏是指陀螺儀在零輸入狀態(tài)下的輸出，其用較長時間輸出的均值等效折算為輸入角速率來表示，也就是觀測值圍繞零偏的離散程度，比如0.005degree/sec表示每秒會漂0.005degree。在零輸入狀態(tài)下的長時間穩(wěn)態(tài)輸出是一個平穩(wěn)的隨機過程，即穩(wěn)態(tài)輸出將圍繞均值（零偏）起伏和波動，習慣上用均方差來表示，這種均方差被定義為零偏穩(wěn)定性。而初始零偏誤差可以理解為靜態(tài)誤差，它不會隨時間的波動，可以用過軟件校準。 　　3、刻度因子（標度因數(shù)） 　　是指陀螺儀輸出量與輸入角速率的比值。這個比值是用一特定的直線斜率表示的，該直線是根據(jù)整個輸入角速率范圍內(nèi)測得的輸入、輸出數(shù)據(jù)，用最小二乘法擬合求得可以用過軟件校準。 　　4、角度隨機游走 　　當陀螺儀處于零輸入狀態(tài)時，脫落的輸出信號為白噪聲和慢變隨機函數(shù)的疊加。漫變隨機函數(shù)可用來確定零偏和零偏穩(wěn)定性指標，白噪聲定義為單位檢測帶寬平方根下等價旋轉(zhuǎn)角速度的標準偏差，單位（degree/sec/√Hz或degree/hr/√Hz）。這個白噪聲也可以用單位為degree/√Hz的角度隨意游走系數(shù)來表示，隨機游走系數(shù)是指由白噪聲產(chǎn)生的隨時間積累的陀螺儀輸出誤差系數(shù)。當外界條件基本不變詩，可以認為上面所分析的各種噪聲的主要統(tǒng)計特性是不隨時間推移而變化的。 　　5、抗振性 　　對于陀螺儀的性能參數(shù)，大部分設計師**個要關(guān)注的就是零偏穩(wěn)定性，長久以來它被視為陀螺儀規(guī)格的絕對標準，畢竟它是描述陀螺儀分辨率的下限理所應當?shù)氖欠磻勇輧x性能的**指標！然而實際中陀螺儀會因為各種原因出現(xiàn)誤差導致用戶無法獲得與實驗手冊上宣稱的指標參數(shù)。實際上很多性能參數(shù)都是可以在后續(xù)的校準算法中得到改善的如零偏，刻度因子，正交軸誤差，溫度漂移。 　　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或求取多個傳感器的平均值來改善。零偏穩(wěn)定性是誤差預算較小的分量之一。 　　在理想狀態(tài)下陀螺儀僅僅只需要測量旋轉(zhuǎn)速率，但在實際的應用中所有的陀螺都有儀都有一定的加速度敏感度，加速度敏感度有多種外在表現(xiàn)，最顯著的通常是對線加速度（g敏感度）或?qū)φ駝拥拿舾卸龋╣2敏感度），由于多數(shù)陀螺儀應用所處的設備是繞地球的1g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，零偏穩(wěn)定性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。 　　當然在實際的一些應用中很多人會在器件中增加一個機械抗振件，抗振件的設計也不是一件簡單的事，因為它在寬頻率范圍內(nèi)的響應并不是平坦的，在低頻時尤其差，并且其減震特性會隨著溫度和使用時間變化。 　　所以在大部分應用中陀螺儀的選取過程中抗振性是其中非常關(guān)鍵的指標了。 　　加速度計的選取： 　　加速度計能測量加速度，傾斜，振動或沖擊，因此適用于從可穿戴健身裝置到工業(yè)平臺穩(wěn)定系統(tǒng)的廣泛應用，市場上有成百上千的加速度計可供選擇，其成本和性能各不相同。加速度計目前行業(yè)內(nèi)還沒有給出具體的行業(yè)界定標準。 　　在加速度計的選取中要關(guān)注的幾個參數(shù)是：量程，噪聲密度，隨機游走，運動中的偏置穩(wěn)定度，帶寬這幾個參數(shù)和陀螺儀的都差不多。 　　在選取傳感器的時候我們經(jīng)常會看到消費級，工業(yè)級這樣的字眼，消費級加速度計和IMU中集成的中檔工業(yè)級加速度計的主要區(qū)別可以參考下圖示例： 　　工業(yè)級MEMS器件對所有已知潛在誤差源進行了全面的測定，精度比消費級高出一個數(shù)量級以上。 　　文章參考： 　　《如何選擇合適的慣性傳感器》，作者：慣性之窗 　　《關(guān)于慣性傳感器（陀螺儀、加速度計）的選取》，作者：賣了佛冷 聲明：本文由個人作者撰寫，版權(quán)歸原作者或原出處所有，觀點僅代表作者本人，不代表傳感器專家網(wǎng)立場。如有侵權(quán)或者其他問題，請聯(lián)系我們，本站擁有對此聲明的最終解釋權(quán)。 --------------------- 作者：梟梟 來源：傳感器專家網(wǎng) 原文:https://www.sensorexpert.com.cn/article/6231.html 版權(quán)聲明：本文由傳感器專家網(wǎng)整理發(fā)布，轉(zhuǎn)載請注明出處和鏈接！