對(duì)于在反饋環(huán)路中采用MEMS慣性測(cè)量單元(IMU)的高性能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng),傳感器對(duì)準(zhǔn)誤差常常是其關(guān)鍵考慮之一,。對(duì)于IMU中的陀螺儀,,傳感器對(duì)準(zhǔn)誤差描述各陀螺儀的旋轉(zhuǎn)軸與系統(tǒng)定義的“慣性參考系”(也稱為“全局坐標(biāo)系”)之間的角度差。為了管控對(duì)準(zhǔn)誤差對(duì)傳感器精度的影響,,可能需要獨(dú)特的封裝,、特殊的組裝工藝,甚至在最終配置中進(jìn)行復(fù)雜的慣性測(cè)試,。所有這些事情都可能會(huì)對(duì)項(xiàng)目管理的重要指標(biāo):如計(jì)劃,、投資和各系統(tǒng)中IMU相關(guān)的總成本等,產(chǎn)生重大影響,。因此,,在設(shè)計(jì)周期的早期,當(dāng)還有時(shí)間界定系統(tǒng)架構(gòu)以實(shí)現(xiàn)最有效解決方案的時(shí)候,,對(duì)傳感器對(duì)準(zhǔn)誤差加以考慮是十分有必要的,。畢竟,沒有人希望在燒掉項(xiàng)目80%的計(jì)劃時(shí)間和預(yù)算之后才發(fā)現(xiàn),,為了滿足最終用戶不容商量的交貨要求,,其并不昂貴的傳感器需要增加數(shù)百甚至數(shù)千美元的意外成本,那樣可就糟糕至極了,!
設(shè)計(jì)系統(tǒng)的IMU功能架構(gòu)時(shí),,有三個(gè)基本對(duì)準(zhǔn)概念需要了解和評(píng)估:誤差估計(jì)、對(duì)準(zhǔn)誤差對(duì)系統(tǒng)關(guān)鍵行為的影響以及電子對(duì)準(zhǔn)(安裝后),。初始誤差估計(jì)應(yīng)當(dāng)包括IMU以及在運(yùn)行過(guò)程中將其固定就位的機(jī)械系統(tǒng)這兩方面的誤差貢獻(xiàn),。了解這些誤差對(duì)系統(tǒng)關(guān)鍵功能的影響有助于確立相關(guān)性能目標(biāo),,防止過(guò)度處理問(wèn)題,同時(shí)管控?zé)o法兌現(xiàn)關(guān)鍵性能和成本承諾的風(fēng)險(xiǎn),。最后,,為了優(yōu)化系統(tǒng)的性能或以成本換空間,可能需要某種形式的電子對(duì)準(zhǔn),。
預(yù)測(cè)安裝后的對(duì)準(zhǔn)誤差
一個(gè)應(yīng)用的對(duì)準(zhǔn)精度取決于兩個(gè)關(guān)鍵因素:IMU的對(duì)準(zhǔn)誤差和在運(yùn)行過(guò)程中將其固定就位的機(jī)械系統(tǒng)的精度,。IMU的貢獻(xiàn)(ΨIMU)和系統(tǒng)的貢獻(xiàn)(ΨSYS)通常并不相關(guān),估計(jì)總對(duì)準(zhǔn)誤差時(shí),,常常是利用和方根計(jì)算將這兩個(gè)誤差源加以合并:
某些IMU規(guī)格表通過(guò)“軸到封裝對(duì)準(zhǔn)誤差”或“軸到坐標(biāo)系對(duì)準(zhǔn)誤差”等參數(shù)來(lái)量化對(duì)準(zhǔn)誤差,。圖1以夸張方式顯示了ADIS16485中各陀螺儀相對(duì)于其封裝邊緣的對(duì)準(zhǔn)誤差。圖中的綠色虛線代表封裝定義的參考系的各軸,。實(shí)線代表封裝內(nèi)部陀螺儀的旋轉(zhuǎn)軸,,ΨIMU代表三個(gè)對(duì)準(zhǔn)誤差項(xiàng)的最大值(ΨX、ΨY,、ΨZ),。
為了預(yù)測(cè)系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)誤差的貢獻(xiàn)(公式1中的ΨSYS),需要分析機(jī)械缺陷導(dǎo)致IMU在系統(tǒng)中的??课恢孟鄬?duì)于全局坐標(biāo)系偏斜的可能性,。使用焊接到印刷電路板的IMU時(shí),這將涉及到以下考量因素:原始放置精度,、焊料沉積的差異,、回流焊期間的浮動(dòng)、PCB關(guān)鍵特性(如安裝孔等)的容差以及系統(tǒng)框架本身的容差等,。使用模塊式IMU時(shí),,它可以與系統(tǒng)外殼實(shí)現(xiàn)更直接的耦合,如圖2所示,。此類接口有兩個(gè)關(guān)鍵機(jī)械特性可幫助管控安裝偏斜誤差:安裝架(4×)和安裝巢,。
在此類安裝方案中,四個(gè)安裝架的高度差異就是機(jī)械差異的一個(gè)例子,,可能引起x軸和y軸的安裝偏斜,。圖3以夸張方式說(shuō)明了這種偏差(H1與H2)對(duì)x軸安裝偏斜(ΨX)的影響。
Mounting Ledges: 安裝架
公式2反映了x軸偏斜角度(ΨX)與高度差(H2到H1)和兩個(gè)接觸點(diǎn)間跨度(W到W1)的關(guān)系:
安裝架高度差異對(duì)y軸的安裝偏斜也有類似的影響。此時(shí),,?用封裝長(zhǎng)度(L)替換公式2中的寬度(W),,便可得到如下用于估計(jì)y軸偏斜角度(ΨY)的關(guān)系式。
圖4提供了另一個(gè)例子來(lái)說(shuō)明機(jī)械特性如何影響z軸的安裝偏斜,。本例中,,機(jī)械螺絲先穿過(guò)IMU主體的安裝孔(位于四角),再穿過(guò)安裝架的孔,,最后進(jìn)入安裝架背部的鎖緊螺母,。這種情況下,,機(jī)械螺絲的直徑(DM)與底板中相關(guān)通孔的直徑(DH)之間的差異會(huì)引起z軸偏斜,。
公式4反映了z軸安裝偏斜(ΨZ)與直徑差和旋轉(zhuǎn)半徑(RS,等于相對(duì)兩角的兩個(gè)安裝螺絲間距離的一半)的關(guān)系,。
示例1
使用2mm機(jī)械螺絲將ADIS16485安裝到6mm×6mm安裝架上,,安裝架的孔直徑為2.85mm,高度容差為0.2mm,,估算與此相關(guān)的總對(duì)準(zhǔn)誤差,。
求解
使用44mm的標(biāo)稱寬度(W),x軸偏斜角度(見圖3)預(yù)測(cè)值為0.3度,。
封裝各邊上安裝孔間的標(biāo)稱距離分別為39.6mm和42.6mm,。這些尺寸構(gòu)成直角三角形的兩邊,其斜邊等于封裝相對(duì)兩角的兩個(gè)孔之間的距離,。旋轉(zhuǎn)半徑 (RS,,見圖4)等于此距離的一半(29.1mm),因此z軸偏斜的預(yù)測(cè)值為0.83度,。
對(duì)于式1中的復(fù)合預(yù)測(cè)公式,,ΨSYS等于ΨZ(估算最大值),ΨIMU等于1度(依據(jù)IMU數(shù)據(jù)手冊(cè)中的軸到坐標(biāo)系對(duì)準(zhǔn)誤差規(guī)格),。因此,,總對(duì)準(zhǔn)誤差估算值為1.28度。
對(duì)準(zhǔn)誤差對(duì)系統(tǒng)精度的影響
為應(yīng)用制定精度標(biāo)準(zhǔn)時(shí),,了解對(duì)準(zhǔn)誤差與其對(duì)陀螺儀精度影響之間的基本關(guān)系是一個(gè)很好的著手點(diǎn),。為了說(shuō)明該過(guò)程,圖5提供了三軸陀螺儀系統(tǒng)的通用模型。圖中的三條綠色實(shí)線代表全局坐標(biāo)系的三軸,,黑色實(shí)線代表所有三個(gè)陀螺儀的旋轉(zhuǎn)軸,,帶Ψ標(biāo)簽代表全局坐標(biāo)系與陀螺儀軸之間的對(duì)準(zhǔn)誤差。公式5,、公式6和公式7顯示了對(duì)準(zhǔn)誤差對(duì)各陀螺儀繞全局坐標(biāo)系中指定軸旋轉(zhuǎn)的響應(yīng)的影響,。在這些公式中,對(duì)準(zhǔn)角度誤差的余弦引入一個(gè)比例誤差,。
對(duì)準(zhǔn)誤差還會(huì)對(duì)各軸產(chǎn)生跨軸影響,。為了量化這些影響,需要將各軸的對(duì)準(zhǔn)角度誤差分解為與其它兩軸相關(guān)的兩個(gè)分量,。例如,,ΨX有一個(gè)y軸分量(φXY)和一個(gè)z軸分量(φXZ),導(dǎo)致x軸陀螺儀對(duì)繞全局坐標(biāo)系中所有三軸旋轉(zhuǎn)(ωX, ωY, ωZ)的響應(yīng)擴(kuò)展如下:
y軸和z軸陀螺儀也有同樣的擴(kuò)展:
對(duì)公式8,、公式9和公式10的兩側(cè)積分,,可得到關(guān)于角位移的類似關(guān)系。在得到的公式11,、公式12和公式13中,,我們關(guān)心的角度是相對(duì)于全局坐標(biāo)系的角位移(θXω, θYω, θZω)和各陀螺儀的積分(θXG, θYG, θZG)。
示例2
一種地面無(wú)人駕駛車輛(UV)利用MEMS IMU作為平臺(tái)穩(wěn)定控制(PSC)系統(tǒng)中的反饋傳感器以支持其天線,。此系統(tǒng)采用RSS調(diào)諧器環(huán)路,,后者要求方位角和仰角保持在±1?范圍內(nèi),以便維持連續(xù)通信,。在大多數(shù)動(dòng)態(tài)情況下,,PSC高度依賴y軸陀螺儀測(cè)量來(lái)控制仰角,以及依賴z軸陀螺儀測(cè)量來(lái)控制方位角,。在此類動(dòng)態(tài)情況下,,航向角(θZω)的最大變化為30?,并且在作這種機(jī)動(dòng)期間沒有繞x軸或y軸的旋轉(zhuǎn)
(θXω = θYω = 0),。
求解
由于繞x軸和y軸的旋轉(zhuǎn)為0,,公式8和公式9可簡(jiǎn)化為:
從y軸開始,設(shè)θYG的最大邊界為1?,,求解對(duì)準(zhǔn)誤差項(xiàng)ΦYZ,。這樣便可求得y軸陀螺儀的最大允許對(duì)準(zhǔn)誤差為1.9度。
對(duì)于z軸,,設(shè)θZω等于30?,,θZG和θZω之差的最大邊界為1度,,然后求解ΨZ。這樣便可求得z軸陀螺儀的最大允許對(duì)準(zhǔn)誤差為14.8度,。
上述計(jì)算表明,,對(duì)于這種特定機(jī)動(dòng)/情形,y軸和z軸之間的跨軸行為要求對(duì)準(zhǔn)精度約為1.9度,。 電子對(duì)準(zhǔn)
在IMU和安裝系統(tǒng)不滿足關(guān)鍵系統(tǒng)目標(biāo)的情況下,,電子對(duì)準(zhǔn)提供了一種減小對(duì)準(zhǔn)誤差的方法。該過(guò)程有兩個(gè)重要步驟:測(cè)定對(duì)準(zhǔn)誤差項(xiàng)(IMU安裝之后)和制定一個(gè)校正對(duì)準(zhǔn)矩陣,。將該矩陣應(yīng)用于陀螺儀陣列時(shí),,陀螺儀將像已與全局坐標(biāo)系對(duì)準(zhǔn)一樣作出響應(yīng)。公式14為此過(guò)程提供了一個(gè)系統(tǒng)模型,,其中繞全局坐標(biāo)系各軸的旋轉(zhuǎn)(ω)是三個(gè)系統(tǒng)輸入,,三個(gè)陀螺儀響應(yīng)(G)是系統(tǒng)輸出,3 × 3矩陣(M)代表輸入與輸出之間的系統(tǒng)行為(包括對(duì)準(zhǔn)誤差),。
通過(guò)簡(jiǎn)單的算術(shù)操作可得,,陀螺儀測(cè)量結(jié)果(G)與M的逆矩陣(M–1)的乘積等于全局坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)陣列(ω)。因此,,對(duì)準(zhǔn)矩陣等于M–1,。
基于公式8,、公式9和公式10,,可將公式14擴(kuò)展以包括對(duì)準(zhǔn)誤差項(xiàng),如公式16所示,,公式17和公式18是更一般形式:
一次僅繞一個(gè)軸旋轉(zhuǎn)整個(gè)系統(tǒng)可將系統(tǒng)模型簡(jiǎn)化到足夠簡(jiǎn)單的程度,,使得矩陣中的每個(gè)元素都可以通過(guò)一次陀螺儀測(cè)量獲得。例如,,讓系統(tǒng)繞x軸旋轉(zhuǎn)(ωX = ωTR, ωY = 0, ωZ = 0),,同時(shí)觀測(cè)所有三個(gè)軸,則M11,、M21和M31的關(guān)系可簡(jiǎn)化如下:
采用同樣的方法,,繞y軸旋轉(zhuǎn)(ωX = 0, ωY = ωTR, ωZ = 0),則M12,、M22和M32的關(guān)系可簡(jiǎn)化如下:
最后,,繞z軸旋轉(zhuǎn)(ωX = 0, ωY = 0, ωZ = ωTR),則M13,、M23和M33的關(guān)系可簡(jiǎn)化如下:
顯然,,運(yùn)動(dòng)配置(ω)的精度和陀螺儀測(cè)量(G)對(duì)此過(guò)程有直接影響。具體說(shuō)來(lái),,偏軸運(yùn)動(dòng)對(duì)此過(guò)程有顯著影響,,當(dāng)購(gòu)買和部署依賴這些要求的慣性測(cè)試設(shè)備時(shí),,必須予以考慮。就陀螺儀精度而言,,偏置和噪聲是兩大威脅,,在此過(guò)程中通常需要考慮。為了管控陀螺儀測(cè)量中殘余偏置誤差(bE)的影響,,有一個(gè)技巧是使用兩個(gè)不同的旋轉(zhuǎn)速率——大小相等但方向相反,。例如,繞y軸沿正方向旋轉(zhuǎn)時(shí)(ωY = ωTR, ωX = ωZ = 0),,公式28描述了z軸陀螺儀響應(yīng)和偏置誤差,。公式29則描述了繞y軸沿負(fù)方向旋轉(zhuǎn)時(shí)(ωY = –ωTR, ωX = ωZ = 0)z軸陀螺儀的響應(yīng)。
變換公式29,,寫出偏置誤差(bE)的表示形式,,代入公式28中,然后求解M32,。注意偏置誤差(bE)是如何從公式中消除的,。
此公式假設(shè)偏置誤差在兩次測(cè)量中保持不變,這并不是一個(gè)符合實(shí)際的期望,,不同測(cè)量之間可能存在偏差(溫度,、時(shí)間和噪聲),對(duì)此應(yīng)有清醒的認(rèn)識(shí),。當(dāng)在穩(wěn)定的溫度條件下連續(xù)進(jìn)行測(cè)量時(shí),,噪聲常常是此過(guò)程中需要管控的關(guān)鍵誤差。在陀螺儀測(cè)量中,,可接受的噪聲水平取決于對(duì)準(zhǔn)精度目標(biāo)(ΨT)和測(cè)定過(guò)程中各軸上的旋轉(zhuǎn)速率(ωTR),。慣性條件保持不變時(shí),一種常用的降噪技術(shù)是對(duì)陀螺儀數(shù)據(jù)求均值,。利用Allan方差曲線這個(gè)工具可以了解可重復(fù)性(噪聲)與均值時(shí)間之間的權(quán)衡關(guān)系,。
示例3
如果特性測(cè)定期間的旋轉(zhuǎn)速率為100?/s,對(duì)準(zhǔn)精度目標(biāo)為0.1度,,噪聲(rms)必須比對(duì)準(zhǔn)誤差目標(biāo)低10倍,,那么為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo),我們需要對(duì)ADIS16485的輸出求多長(zhǎng)時(shí)間的均值,?
求解
使用陀螺儀與輸入之間的一般響應(yīng)(在測(cè)試平臺(tái)上旋轉(zhuǎn)),,下面的計(jì)算表明:各陀螺儀的總噪聲(rms)必須低于62?/小時(shí)。
圖6通過(guò)一個(gè)例子說(shuō)明了如何使用此IMU的Allan方差曲線來(lái)選擇均值時(shí)間以滿足上述要求,。本例中,,0.1秒的均值時(shí)間可滿足62?/小時(shí)的可重復(fù)性目標(biāo),還有一些裕量,。
注意,,這種方法僅針對(duì)傳感器本身的噪聲,。若測(cè)試平臺(tái)有振動(dòng),會(huì)增加陀螺儀測(cè)量的噪聲,,則可能需要額外的考慮和濾波,。 簡(jiǎn)化對(duì)準(zhǔn)過(guò)程的技巧和竅門
開發(fā)一個(gè)具有必要的精度和環(huán)境控制溫度的三軸慣性測(cè)試系統(tǒng),通常需要在固定設(shè)備和工程開發(fā)資源方面投入巨資,。對(duì)于那些正在開發(fā)第一代或第二代系統(tǒng),,在開發(fā)過(guò)程中有很多問(wèn)題需要回答的公司,可能沒有此類資源或時(shí)間,。這就產(chǎn)生了簡(jiǎn)化解決方案的需求,,通過(guò)謹(jǐn)慎選擇IMU并利用儀器或應(yīng)用中的自然運(yùn)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化。
例如,,有時(shí)候使用角度可能比使用角速率測(cè)量來(lái)得更方便,。公式31是公式11、公式12和公式13合并的結(jié)果,,它用相對(duì)于全局坐標(biāo)系的角度(θXω, θYω, θZω)和陀螺儀輸出的積分(θXG, θYG, θZG)來(lái)代表系統(tǒng)行為(M):
關(guān)于器件選擇,,軸到軸對(duì)準(zhǔn)誤差是一個(gè)需要考慮的重要參數(shù),因?yàn)楫?dāng)它低于軸到封裝對(duì)準(zhǔn)誤差參數(shù)時(shí),,將有助于降低與電子對(duì)準(zhǔn)相關(guān)的慣性測(cè)試配置(公式16)的復(fù)雜度,。軸到封裝對(duì)準(zhǔn)誤差參數(shù)描述的是陀螺儀相對(duì)于外部機(jī)械基準(zhǔn)的方位,而軸到軸對(duì)準(zhǔn)誤差參數(shù)描述的是各陀螺儀相對(duì)于另外兩個(gè)陀螺儀的方位,。多數(shù)情況下,,MEMS IMU中三個(gè)陀螺儀的理想方位是彼此成90?,因此軸到軸對(duì)準(zhǔn)誤差與此行為的另一個(gè)常見參數(shù)(跨軸靈敏度)相關(guān),。利用公式7作為參考,軸到軸對(duì)準(zhǔn)誤差代表這三個(gè)關(guān)系的最大值:
制定電子對(duì)準(zhǔn)流程時(shí),,軸到軸對(duì)準(zhǔn)誤差參數(shù)確定的是假設(shè)傳感器完全正交對(duì)準(zhǔn)時(shí)的誤差,。使用完全正交這一假設(shè)條件,僅旋轉(zhuǎn)兩軸便可對(duì)準(zhǔn)所有三軸,。例如,,繞y軸和z軸旋轉(zhuǎn)便可直接觀測(cè)到M12 、M13,、M22,、M23,、M32和M33。假設(shè)完全正交對(duì)準(zhǔn)并應(yīng)用三角函數(shù),,便可利用以上6個(gè)元素和以下關(guān)系式計(jì)算其他三個(gè)元素(M11,、M21和M31):
以上等式可將系統(tǒng)模型更新如下,其中M矩陣中的所有9個(gè)元素用從y軸和z軸旋轉(zhuǎn)得來(lái)的6個(gè)元素表示,。
結(jié)論
慣性MEMS技術(shù)在過(guò)去幾年已經(jīng)取得長(zhǎng)足進(jìn)步,,為系統(tǒng)開發(fā)商在復(fù)雜權(quán)衡范圍內(nèi)提供了廣泛的選項(xiàng),包括尺寸,、功耗,、單位成本、集成成本和性能,。對(duì)于首次利用MEMS IMU開發(fā)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的人員,,為了選擇合適的IMU并準(zhǔn)備利用該IMU來(lái)支持關(guān)鍵系統(tǒng)需求,會(huì)有很多東西需要了解,。對(duì)準(zhǔn)精度對(duì)性能,、成本和計(jì)劃方面的關(guān)鍵目標(biāo)會(huì)有重大影響,必須予以認(rèn)真考慮,。在概念和架構(gòu)設(shè)計(jì)階段,,即使很簡(jiǎn)單的分析工具也能幫助找出潛在的風(fēng)險(xiǎn),因此應(yīng)當(dāng)趁著還有時(shí)間影響器件選擇,、機(jī)械設(shè)計(jì),、安裝后校準(zhǔn)(電子對(duì)準(zhǔn))、初步成本預(yù)測(cè)和關(guān)鍵計(jì)劃節(jié)點(diǎn)的時(shí)候,,多做些工作,。更進(jìn)一步說(shuō),識(shí)別MEMS IMU的關(guān)鍵指標(biāo)和機(jī)會(huì),,用系統(tǒng)中提供的自然運(yùn)動(dòng)代替三軸慣性測(cè)試設(shè)備以最大限度地發(fā)揮系統(tǒng)的價(jià)值(性能和總開發(fā)成本),,將是非常有益的。
作者介紹:
Mark Looney [[email protected]]是ADI公司(美國(guó)北卡羅來(lái)納州格林斯博羅)的iSensor應(yīng)用工程師,。自1998年加入ADI公司以來(lái),,他在傳感器信號(hào)處理、高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器和DC-DC電源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域積累了豐富的工作經(jīng)驗(yàn),。他擁有內(nèi)華達(dá)州大學(xué)雷諾分校電子工程專業(yè)學(xué)士(1994年)和碩士(1995年)學(xué)位,,曾發(fā)表過(guò)數(shù)篇文章。加入ADI公司之前,,他曾協(xié)助創(chuàng)立汽車電子和交通解決方案公司IMATS,,還擔(dān)任過(guò)Interpoint公司的設(shè)計(jì)工程師。 |
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