利用MEMS慣性測量單元來消除各傳感器之間的全部對齊誤差
發布時間：2021-06-09 來源：亞德諾半導體 責任編輯：lina
【導讀】延(yan)長(chang)電(dian)池(chi)壽(shou)命(ming)是(shi)各(ge)種(zhong)應(ying)用(yong)中(zhong)常(chang)見(jian)的(de)設(she)計(ji)要(yao)求(qiu)。無(wu)論(lun)是(shi)玩(wan)具(ju)還(hai)是(shi)水(shui)表(biao)，設(she)計(ji)師(shi)都(dou)有(you)各(ge)式(shi)技(ji)術(shu)來(lai)提(ti)高(gao)電(dian)池(chi)壽(shou)命(ming)。在(zai)這(zhe)篇(pian)博(bo)文(wen)中(zhong)，我(wo)將(jiang)闡(chan)述(shu)一(yi)種(zhong)可(ke)策(ce)略(lve)性(xing)地(di)繞(rao)過(guo)低(di)掉(diao)電(dian)線(xian)性(xing)穩(wen)壓(ya)器(qi)（LDO）的技術。
正在將MEMS慣性測量單元(IMU)用於個人交通工具平台的自平衡製導係統，是否會有一款麵向消費者，能消除各傳感器之間的全部對齊誤差，並且所有核心傳感器元件都集成在單個芯片上的IMU？
否，對於這個設計來說，這一般不是一個保險的期望。采用魯棒的分立傳感器和最佳封裝並經過優化校準的工業級IMU，其對齊精度要比位於單個芯片上的消費級IMU高得多。
消費級和工業級IMU往往以不同方式規定軸對齊特性。消費級IMU的典型做法是將所有對齊誤差集總為一個跨軸靈敏度規格。麵向工業的IMU，比如ADIS16490，則使用兩個不同規格以便更直接地說明對齊精度：軸到軸對齊誤差和軸到封裝對齊誤差。軸到封裝對齊誤差描述各軸相對於IMU封(feng)裝(zhuang)內(nei)機(ji)械(xie)特(te)性(xing)的(de)對(dui)齊(qi)程(cheng)度(du)。軸(zhou)到(dao)軸(zhou)對(dui)齊(qi)誤(wu)差(cha)描(miao)述(shu)各(ge)加(jia)速(su)度(du)計(ji)和(he)陀(tuo)螺(luo)儀(yi)軸(zhou)的(de)對(dui)齊(qi)在(zai)多(duo)大(da)程(cheng)度(du)上(shang)符(fu)合(he)理(li)想(xiang)正(zheng)交(jiao)性(xing)。正(zheng)因(yin)如(ru)此(ci)，軸(zhou)到(dao)軸(zhou)對(dui)齊(qi)誤(wu)差(cha)也(ye)常(chang)被(bei)稱(cheng)為(wei)正(zheng)交(jiao)誤(wu)差(cha)。
跨軸靈敏度(CAS)和軸到軸對齊誤差(A2A_MAE)有如下數學關係：
CAS = sin(A2A_MAE) A2A_MAE = asin(CAS)
非正交性發生在傳感器軸之間、傳感器上或源於傳感器與外殼之間的封裝不對齊。對於工業級IMU，這些規格會在工廠校準，並在數據手冊中詳細說明。對於分立器件，跨軸靈敏度規格不包括相對於PCB的裝配偏差。
理想情況下，陀螺儀和加速度計中的多個軸是彼此正交的。然而，這裏有個常見的誤解：既然多軸陀螺儀或加速度計可以設計在一個分立MEMS器件之內，那麼各軸應是完美正交的，彼此成 90°角jiao。雖sui然ran這zhe些xie器qi件jian中zhong的de所suo有you慣guan性xing傳chuan感gan器qi都dou位wei於yu單dan個ge芯xin片pian上shang，但dan加jia工gong和he製zhi造zao偏pian差cha所suo引yin入ru的de固gu有you誤wu差cha仍reng可ke能neng造zao成cheng正zheng交jiao誤wu差cha。相xiang應ying的de等deng效xiao對dui齊qi精jing度du與yu完wan全quan校xiao準zhun的de工gong業ye級jiIMU相比，實際上並不是非常好。
圖1. 左邊的理想三軸正交情況反映矢量的真實影響。正交誤差使得所有軸上都能檢測到泄漏的部分旋轉或力。
對消費級器件的簡單調查發現，跨軸靈敏度常常在1%到5%範圍內。利用以上關係式，可知等效軸到軸對齊誤差為0.57°到2.87°。
不過也可用毫弧度為單位來定義，相當於0.057°。工業級IMU的精度通常要高得多。我們也可利用此關係將工業級IMU的軸到軸對齊誤差0.018°轉換為等效跨軸靈敏度0.031%。
CAS
= sin(A2A_MAE)
= sin(0.018°)
= 0.00031
= 0.031%
工業級IMU ADIS16489的所有慣性傳感器不是位於一個芯片上，盡管有這個明顯的缺點，但其性能仍要比最佳消費級器件高出大約32倍。
為了解正交誤差的影響，假設一個加速度計軸指向正上方，器件恰好處於水平狀態。加速度計在此zzhoushangceliangzhonglidezongyingxiang。ruguoqitalianggezhouwanquanzhengjiao，nametamenbuhuiceliangdaorenhezhonglishiliang。raner，ruoyouzhengjiaowucha，qitalianggeshuipingzhoujiuhuiceliangdaozhonglishiliangdeyibufen。liru，ruoqijiandekuazhoulingminduwei1%，其對重力的等效響應將是 10 mg，這相當於0.6°的等效對齊誤差。反之，如果第一個軸不與水平框架正交，它便測不到完整的重力矢量。
正(zheng)交(jiao)誤(wu)差(cha)是(shi)加(jia)速(su)度(du)計(ji)總(zong)誤(wu)差(cha)中(zhong)特(te)別(bie)穩(wen)定(ding)的(de)成(cheng)分(fen)，因(yin)此(ci)可(ke)通(tong)過(guo)一(yi)次(ci)性(xing)校(xiao)準(zhun)來(lai)校(xiao)正(zheng)。為(wei)了(le)確(que)定(ding)一(yi)對(dui)加(jia)速(su)度(du)計(ji)軸(zhou)的(de)正(zheng)交(jiao)誤(wu)差(cha)，須(xu)讓(rang)加(jia)速(su)度(du)計(ji)在(zai)所(suo)有(you)可(ke)能(neng)的(de)90°方向空間中旋轉，並測量各軸對重力的靜態響應。這可以利用精密萬向節頭或在已知正交表麵上進行。
將器件安裝到PCB之zhi後hou，要yao通tong過guo校xiao準zhun消xiao除chu所suo有you工gong作zuo條tiao件jian下xia的de正zheng交jiao誤wu差cha是shi很hen困kun難nan的de。慣guan性xing校xiao準zhun要yao求qiu在zai器qi件jian經jing曆li受shou控kong運yun動dong模mo式shi的de同tong時shi觀guan測ce各ge傳chuan感gan器qi響xiang應ying。為wei高gao效xiao實shi現xian此ci類lei運yun動dong模mo式shi，常chang常chang需xu要yao高gao度du專zhuan業ye化hua的de設she備bei和he經jing驗yan。與yu已yi經jing預yu校xiao準zhun的de工gong業ye級jiIMU不同，安裝在PCB上的每個消費級MEMS器件都需要針對其他傳感器、環境表現和溫度進行校準。
在分立器件安裝到微型PCB上堅固耐用的模塊中之後，包括三個陀螺儀軸和三個加速度計軸的工業級IMU在製造中利用校準步驟實現高超性能。這種工廠校準不僅能識別和補償MEMS器件本身的正交誤差，還能補償裝配相關的偏斜。因此，與裝配偏差、跨軸誤差和溫度相關的誤差降至最小。ADIS16489工廠校準可將平台穩定、導航和機器人應用中的軸對齊誤差降至最低。ADIS16489內置一個數字三軸陀螺儀和一個三軸加速度計，陀螺儀軸到軸對齊誤差僅有±0.018°，加速度計軸到軸誤差為±0.035°。除了高性能傳感器參數以外，ADIS16489還利用聚對二甲苯塗層作為內部電路的防潮層。
（來源：亞德諾半導體）
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