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作者：ADI公司MEMS和傳感器技術(shù)部應(yīng)用工程組主管Harvey Weinberg 選擇陀螺儀時(shí)，需要考慮將最大誤差源最小化。在大多數(shù)應(yīng)用中，振動(dòng)敏感度是最大的誤差源。其它參數(shù)可以輕松地通過(guò)校準(zhǔn)或求取多個(gè)傳感器的平均值來(lái)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(cè)時(shí)，多數(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)師關(guān)注的第一個(gè)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(shí)際的陀螺儀會(huì)因?yàn)槎喾N原因而出現(xiàn)誤差，使得用戶(hù)無(wú)法獲得數(shù)據(jù)手冊(cè)中宣稱(chēng)的高偏置穩(wěn)定度。的確，可能只有在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)才能獲得那么高的性能。傳統(tǒng)方法是借助補(bǔ)償來(lái)最大程度地降低這些誤差源的影響。本文將討論多種此類(lèi)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(jī)械性能選擇陀螺儀，以及必要時(shí)如何提高其偏置穩(wěn)定度。 環(huán)境誤差 所有中低價(jià)位的MEMS陀螺儀都有一定的時(shí)間-零點(diǎn)偏置和比例因子誤差，此外還會(huì)隨溫度而發(fā)生一定的變化。因此，對(duì)陀螺儀進(jìn)行溫度補(bǔ)償是很常見(jiàn)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(duì)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(shí)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(fèi)力就能達(dá)到這些要求。 許多技術(shù)可以用于溫度補(bǔ)償，如多項(xiàng)式曲線(xiàn)擬合、分段線(xiàn)性近似等。只要記錄了足夠數(shù)量的溫度點(diǎn)，并且在校準(zhǔn)過(guò)程中采取了充分的措施，那么具體使用何種技術(shù)是無(wú)關(guān)緊要的。例如，在每個(gè)溫度的放置時(shí)間不足是一個(gè)常見(jiàn)的誤差源。然而，無(wú)論采用何種技術(shù)，無(wú)論有多細(xì)心，溫度遲滯——即通過(guò)冷卻與通過(guò)加熱達(dá)到某一特定溫度時(shí)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(shí)記錄未補(bǔ)償陀螺儀的零點(diǎn)偏置測(cè)量結(jié)果。加熱周期與冷卻周期中的+25℃零點(diǎn)偏置輸出存在細(xì)微的差異（本例中約為0.2°/s），這就是溫度遲滯。此誤差無(wú)法通過(guò)補(bǔ)償來(lái)消除，因?yàn)闊o(wú)論陀螺儀上電與否，它都會(huì)出現(xiàn)。此外，遲滯的幅度與所施加的溫度“激勵(lì)”量成比例。也就是說(shuō)，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(shí)未補(bǔ)償ADXRS453的零點(diǎn)偏置輸出 如果應(yīng)用允許啟動(dòng)時(shí)復(fù)位零點(diǎn)偏置（即無(wú)旋轉(zhuǎn)時(shí)啟動(dòng)），或者在現(xiàn)場(chǎng)將零點(diǎn)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(gè)限制因素，因?yàn)槲覀儫o(wú)法控制運(yùn)輸或存儲(chǔ)條件。 抗振 理想情況下，陀螺儀僅測(cè)量旋轉(zhuǎn)速率，無(wú)關(guān)其他。但實(shí)際應(yīng)用中，由于機(jī)械設(shè)計(jì)不對(duì)稱(chēng)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(shí)上，加速度敏感度有多種 外在表現(xiàn)，其嚴(yán)重程度因設(shè)計(jì)而異。最顯著的通常是對(duì)線(xiàn)性加速度的敏感度（或g敏感度）和對(duì)振動(dòng)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(chǎng)運(yùn)動(dòng)和/或在其中旋轉(zhuǎn)，因此對(duì)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(jiǎn)單緊湊的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)，抗振性能未經(jīng)優(yōu)化（它優(yōu)化的是成本），因而振動(dòng)可能會(huì)造成嚴(yán)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(duì)于這種陀螺儀，偏置穩(wěn)定度的好壞并無(wú)多大意義，陀螺儀在地球的重力場(chǎng)中稍有旋轉(zhuǎn)，就會(huì)因?yàn)間和g2敏感度而產(chǎn)生巨大的誤差。一般而言，此類(lèi)陀螺儀不規(guī)定振動(dòng)敏感度——默認(rèn)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(cè)所列規(guī)格。對(duì)于這一類(lèi)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(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于極低成本的陀螺儀。但是，對(duì)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(huì)超出其額定偏置穩(wěn)定度。 表1
有些設(shè)計(jì)師試圖利用外部加速度計(jì)來(lái)補(bǔ)償g敏感度（通常是在IMU應(yīng)用中，因?yàn)樗璧募铀俣扔?jì)已經(jīng)存在），這在某些情況下確實(shí)可以改善性能。然而，由于多種原因，g敏感度補(bǔ)償無(wú)法獲得完全的成功。大多數(shù)陀螺儀的g敏感度會(huì)隨振動(dòng)頻率變化而變化。圖2顯示了Silicon Sensing CRG20-01陀螺儀對(duì)振動(dòng)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(wú)法簡(jiǎn)單地通過(guò)測(cè)量DC時(shí)的敏感度來(lái)執(zhí)行校準(zhǔn)。確實(shí)，補(bǔ)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(duì)不同正弦音的g敏感度響應(yīng) 作為對(duì)比，圖3顯示的是陀螺儀ADXRS646在相似條件下的響應(yīng)。事實(shí)上，有些陀螺儀比其它陀螺儀更容易進(jìn)行g(shù)敏感度補(bǔ)償。不過(guò)遺憾的是，數(shù)據(jù)手冊(cè)幾乎從不提供此類(lèi)信息，必須由用戶(hù)去探索，而且可能極耗精力，但在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，常常沒(méi)有時(shí)間等待驚喜出現(xiàn)。
圖3. Analog Devices ADXRS646對(duì)隨機(jī)振動(dòng)(15 g rms, 0.11 g2/Hz)的g敏感度響應(yīng)，1600 Hz濾波 另一個(gè)困難是將補(bǔ)償加速度計(jì)和陀螺儀的相位響應(yīng)相匹配。如果陀螺儀和補(bǔ)償加速度計(jì)的相位響應(yīng)匹配不佳，高頻振動(dòng)誤差實(shí)際上可能會(huì)被放大！由此便可得出另一個(gè)結(jié)論：對(duì)于大多數(shù)陀螺儀，g敏感度補(bǔ)償僅在低頻時(shí)有效。 振動(dòng)校正常常不作規(guī)定，原因可能是差得令人難堪，或者不同器件差異巨大。也有可能只是因?yàn)橥勇輧x制造商不愿意測(cè)試或規(guī)定（公平地說(shuō)，測(cè)試可能比較困難）。無(wú)論如何，振動(dòng)校正必須引起注意，因?yàn)樗鼰o(wú)法通過(guò)加速度計(jì)進(jìn)行補(bǔ)償。與加速度計(jì)的響應(yīng)不同，陀螺儀的輸出誤差會(huì)被校正。 改善g2敏感度的最常見(jiàn)策略是增加一個(gè)機(jī)械抗振件，如圖4所示。圖中顯示的是一個(gè)從金屬帽殼封裝中部分移出的Panasonic汽車(chē)陀螺儀。該陀螺儀組件通過(guò)一個(gè)橡膠抗振件與金屬帽殼隔離。抗振件非常難以設(shè)計(jì)，因?yàn)樗趯掝l率范圍內(nèi)的響應(yīng)并不是平坦的（低頻時(shí)尤其差），而且其減振特性會(huì)隨著溫度和使用時(shí)間而變化。與g敏感度一樣，陀螺儀的振動(dòng)校正響應(yīng)可能會(huì)隨頻率變化而變化。即使能夠成功設(shè)計(jì)出抗振件以衰減已知頻譜下的窄帶振動(dòng)，此類(lèi)抗振件也不適合可能存在寬頻振動(dòng)的通用應(yīng)用。
圖4. 典型抗振件 機(jī)械濫用引起的主要問(wèn)題 許多應(yīng)用中會(huì)發(fā)生常規(guī)性短期濫用事件，這些濫用雖然不致于損傷陀螺儀，但會(huì)產(chǎn)生較大誤差。下面列舉幾個(gè)例子。 有些陀螺儀可以承受速率過(guò)載而不會(huì)表現(xiàn)異常。圖5顯示了Silicon Sensing CRG20陀螺儀對(duì)超出額定范圍大約70%的速率輸入的響應(yīng)。左邊的曲線(xiàn)顯示的是旋轉(zhuǎn)速率從0°/s變?yōu)?00°/s再保持不變時(shí)CRS20的響應(yīng)情況。右邊的曲線(xiàn)則顯示的是輸入速率從500°/s降為0°/s時(shí)該器件的響應(yīng)情況。當(dāng)輸入速率超出額定測(cè)量范圍時(shí)，輸出在軌到軌之間紊亂地?cái)[動(dòng)。
圖5. Silicon Sensing CRG-20對(duì)500°/s速率輸入的響應(yīng) 有些陀螺儀在經(jīng)受哪怕只有數(shù)百g的沖擊時(shí)，也會(huì)表現(xiàn)出“鎖定”的傾向。例如，圖6顯示的是VTI SCR1100-D04在經(jīng)受250 g 0.5 ms沖擊時(shí)的響應(yīng)情況（產(chǎn)生沖擊的方法是讓一個(gè)5 mm鋼球從40 cm的高度落在陀螺儀旁邊的PCB上）。陀螺儀未因沖擊而損壞，但它不再響應(yīng)速率輸入，需要關(guān)斷再上電以重新啟動(dòng)。這并非罕見(jiàn)現(xiàn)象，多種陀螺儀都存在類(lèi)似的行為。檢查擬用的陀螺儀是否能承受應(yīng)用中的沖擊是明智的。
圖6. VTI SCR1100-D04對(duì)250 g、0.5 ms沖擊的響應(yīng) 顯然，此類(lèi)誤差將大得驚人。因此，必須仔細(xì)找出給定應(yīng)用中可能存在哪些濫用情況，并且驗(yàn)證陀螺儀是否能經(jīng)受得住。 誤差預(yù)算計(jì)算 如上所述，多數(shù)陀螺儀應(yīng)用中都存在運(yùn)動(dòng)或振動(dòng)情況。利用上文所示的數(shù)據(jù)手冊(cè)所列規(guī)格（如果沒(méi)有規(guī)定振動(dòng)校正特性，則使用保守的估計(jì)值），表2列出了表1所示陀螺儀在不同應(yīng)用中的典型誤差預(yù)算。從表3可以看出，增加g敏感度補(bǔ)償方案后，雖然抗振性能提高了半個(gè)數(shù)量級(jí)（絕非易事），但振動(dòng)敏感度仍然是一個(gè)遠(yuǎn)大于偏置穩(wěn)定度的誤差來(lái)源。 表2. 多種陀螺儀（未經(jīng)補(bǔ)償）在不
表3. 采用g敏感度補(bǔ)償?shù)亩喾N陀螺儀（g敏感度改善5倍）在不同振動(dòng)情況下的估計(jì)誤差(°/s)
選型新范式 在誤差預(yù)算中，偏置穩(wěn)定度是最小的分量之一，因此選擇陀螺儀時(shí)，更為合理的做法是考慮將最大誤差源最小化。在大多數(shù)應(yīng)用中，振動(dòng)敏感度是最大的誤差源。然而，有時(shí)用戶(hù)可能仍然希望獲得比所選陀螺儀更低的噪聲或更好的偏置穩(wěn)定度。幸運(yùn)的是，我們有辦法來(lái)解決這一問(wèn)題，那就是求平均值。 不同于設(shè)計(jì)相關(guān)的環(huán)境或振動(dòng)誤差，多數(shù)陀螺儀的偏置穩(wěn)定度誤差具有噪聲特性。也就是說(shuō)，不同器件的偏置穩(wěn)定度是不相關(guān)的。因此，我們可以通過(guò)求取多個(gè)器件的平均值來(lái)改善偏置穩(wěn)定度性能。如果對(duì)n個(gè)器件求平均值，則期望的改善幅度為√n。寬帶噪聲也可以通過(guò)類(lèi)似的求平均值方法予以改善。 結(jié)束語(yǔ) 長(zhǎng)久以來(lái)，偏置穩(wěn)定度被視為陀螺儀規(guī)格的絕對(duì)標(biāo)準(zhǔn)，但在實(shí)際應(yīng)用中，振動(dòng)敏感度常常是限制性能的更嚴(yán)重因素。根據(jù)抗振能力選擇陀螺儀是合理的，因?yàn)槠渌鼌?shù)可以輕松地通過(guò)校準(zhǔn)或?qū)Χ鄠�(gè)傳感器求平均值來(lái)改善。 |
