MEMS-IMU發(fā)展之路“前途廣闊”

基于傳統(tǒng)慣性器件的特點,，將MEMS與之結合可極大地改善傳統(tǒng)慣性器件的缺點,。MEMS是將微電子技術和機械工程融合到一起的工業(yè)技術，伴隨著制作集成電路的硅半導體工藝的完善，20世紀80年代出現(xiàn)的微型機械,、微型傳感器和微型執(zhí)行器的微機械制造技術,，使得MEMS技術成為現(xiàn)實產(chǎn)品，滿足不同需求的應用領域,。根據(jù)對MEMS-IMU精度要求不同,，大概可將其分為低精度、中精度和高精度三類,。

（1）低精度MEMS-IMU

應美盛（InvenSense）旗下的 ICM-20602 6軸慣性傳感器（3軸加速度計 + 3軸陀螺儀）全面支持谷歌 Daydream 和 Tango 的要求,，可批量生產(chǎn)應用于 Daydream 認證和兼容Tango的智能手機，以構建的 VR/AR 生態(tài)系統(tǒng),。這便是低精度MEMS-IMU應用的一個成功案例,。總結來看低精度MEMS-IMU主要用于消費電子類的產(chǎn)品,，其應用范圍極為廣泛,，可用于手機、游戲機,、音樂播放器,、無線鼠標、數(shù)碼相機,、硬盤保護器,、智能玩具、計步器,、防盜系統(tǒng)等,。與環(huán)境傳感器等器件結合，可實現(xiàn)助聽,、運動感測等功能,。這類低精度的MEMS-IMU主要要求是：單價低、尺寸小,、溫度范圍窄,。

應美盛ICM-20602 6軸慣性傳感器

低精度MEMS-IMU：加速度計尺寸小、重量輕,、功耗低,，一般測量范圍1~50g，分辨率2mg~10mg,，陀螺儀一般量程在±300°/s,，零偏在500°/h~1000°/h范圍內(nèi)。

（2）中精度MEMS-IMU

相比低精度MEMS-IMU,，中精度MEMS-IMU主要用于汽車級及工業(yè)級產(chǎn)品,。

在汽車級產(chǎn)品中，中精度MEMS-IMU不僅可用于GPS 輔助導航系統(tǒng)，而其對于車電子穩(wěn)定系統(tǒng),、汽車安全氣囊,、車輛姿態(tài)測量也有奇效。例如IMU可以用作高精度定位,、汽車自身姿態(tài)的判斷,，即使在GPS信號丟失或有阻隔的情形中，IMU也可為汽車提供可靠的信息,，這便可確保汽車主動安全,，是自動駕駛的關鍵組件之一。再比如,，近些年汽車車身穩(wěn)定系統(tǒng)的標配ESP中,，IMU就是其中的關鍵組件。汽車級可作為一個工業(yè)應用的特殊產(chǎn)品,，對其可靠性要求高,，同時由于需求數(shù)量大，和一般工業(yè)要求不同的是要求單價低,。

在工業(yè)級產(chǎn)品中,，中精度MEMS-IMU可應用于精密農(nóng)業(yè)、工業(yè)自動化,、大型醫(yī)療設備,、機器人、儀器儀表,、工程機械等,。還記得，Atlas高端類人機器人驚人的平衡感嗎,？那個摔倒了還可以自己爬起來的神奇機器人,，其超強的平衡感要部分歸功于其體內(nèi)的IMU。說起在工業(yè)領域使用的慣性傳感器,，大多以模塊形式出現(xiàn),，對于應用于工業(yè)級芯片級產(chǎn)品，還必須進行處理,，包括軟件和硬件電路,，以及對不同工業(yè)環(huán)境的適應性，大多數(shù)要求價格適中,，精度要求要優(yōu)于應用于消費電子類的傳感器,。

Atlas高端類人機器人

中精度MEMS-IMU：加速度計的量程選擇比較寬1~500g，分辨率1mg~3mg,，陀螺儀量程大多250°/s以內(nèi)，零偏在50°/h~200°/h范圍內(nèi)。

（3）高精度MEMS-IMU

高精度IMU可解決復雜航空航天系統(tǒng)中慣性傳感器的部署難題,，如航空電子系統(tǒng)所采用的IMU是ADIS16485/8,，滿足一切性能和可靠性目標。高精度MEMS-IMU主要用于軍用級和宇航級產(chǎn)品,，要求高精度,、全溫區(qū)、抗沖擊等,。主要應用于通訊衛(wèi)星無線,、導彈導引頭、光學瞄準系統(tǒng)等穩(wěn)定性應用,、飛機和導彈飛行控制,、姿態(tài)控制、偏航阻尼等控制應用,、以及中程導彈制導,、慣性GPS導航等制導應用、遠程飛行器,、船舶儀器,、戰(zhàn)場機器人等。軍工級或宇航級的MEMS-IMU精度要求高,、工作溫度范圍寬,，某些兵器產(chǎn)品要求抗沖擊能力強，尺寸要比光纖和機械類產(chǎn)品更小,。

ADIS16488慣性測量單元

高精度MEMS-IMU：加速度計量程范圍比較寬1g~5000g,，分辨率要0.1mg~1mg范圍內(nèi)，甚至更高,。陀螺儀量程要求范圍寬20°/s~1000°/s,，頻率響應高，要求在50Hz~1000Hz之間,，零偏穩(wěn)定性在1°/h~50°/h范圍內(nèi),。

如今MEMS-IMU正在向更高集成度和更高精度的方向發(fā)展。其中MEMS陀螺儀的發(fā)展極為明顯,，其性能也在接近或者已經(jīng)達到戰(zhàn)術級應用的水平,；而MEMS加速度計是商業(yè)市場化最為成功的，其精度已經(jīng)能夠滿足戰(zhàn)略導彈的應用要求,，但目前MEMS加速度計的精度水平還不是很高,。MEMS慣性器件在結構設計、制作工藝,、集成化,、電路設計,、封裝及試驗系統(tǒng)等方面還存在許多的問題，需要進一步解決,。MEMS慣性傳感器的研究熱點和發(fā)展方向是精度高,、環(huán)境適應能力強和多傳感器集成化等，其中MEMS慣性傳感器件的設計和制造元器件所需的生產(chǎn)工具也是一個重要的研究方向,。

IMU簡介

IMU,，慣性測量單元，是一種使用加速度計和陀螺儀來測量物體三軸姿態(tài)角（或角速率）以及加速度的裝置,。狹義上,，一個IMU 內(nèi)在正交的三軸上安裝陀螺儀和加速度計，共 6 個自由度,，來測量物體在三維空間中的角速度和加速度,，這就是我們熟知的“6軸IMU”；廣義上,，IMU可在加速度計和陀螺儀的基礎上加入磁力計,，可形成如今已被大眾知曉的“9軸IMU”。

其中加速度計檢測物體在載體坐標系統(tǒng)獨立三軸的加速度信號,，而陀螺儀檢測載體相對于導航坐標系的角速度信號,，測量物體在三維空間中的角速度和加速度，并以此解算出物體的姿態(tài),。IMU在導航中的核心價值無可替代,，為了提高其可靠性，還可以為每個單軸配備更多種類的傳感器,。為保證測量準確性,，一般IMU要安裝在被測物體的重心上。

一種IMU原理示意圖

影響IMU性能的主要因素

MEMS-IMU主要誤差源

將IMU的誤差源歸類后主要有以下四類：

（1）加速度計影響因素

在IMU中,，加速度計對其的影響主要體現(xiàn)在加速度計的精度和穩(wěn)定性兩個方面,。其中加速度計的高精度是為保障后續(xù)數(shù)據(jù)處理的精確性，加速度計的穩(wěn)定性則是直接影響IMU能否發(fā)揮出正常性能的關鍵因素,。

其中加速度計精度可采用6位置靜態(tài)標定法,。將IMU器件安裝完畢后，按照下圖的六個位置分別收集三個方向加速度計的數(shù)據(jù),。

加速度計靜態(tài)六位置

（2）陀螺儀影響因素

陀螺儀對IMU的影響主要體現(xiàn)在其精確性上,，其精確性將直接影響姿態(tài)解算的優(yōu)劣程度，換句話說,，最后IMU能否正確感知產(chǎn)品的姿態(tài)就是依靠陀螺儀的精確性,。

陀螺儀誤差模型與加速度計類似，采用的標定方法是動態(tài)旋轉的,，將IMU置于單軸轉臺中,，令每個軸向上,、向下，并分別以50°/s,、100°/s,、150°/s、200°/s,、250°/s的轉速轉動正反方向，并收集足夠的數(shù)據(jù),。

陀螺儀的動態(tài)標定

除精確性外,，MEMS陀螺的性能指標主要有：標度因數(shù)（與比例因子互為倒數(shù)）、標度因數(shù)非線性,、零偏,、零偏穩(wěn)定性、零偏重復性,。這些指標系統(tǒng)的反映了陀螺儀的性能,，因此有必要對其進行相應的測試，掌握其具體的指標參數(shù),。

（3）溫度影響因素

MEMS慣性器件在溫度發(fā)生變化時,，其精度會產(chǎn)生較大的差異，一般情況下,，慣性器件的工作環(huán)境不可能是恒溫環(huán)境,，尤其是陀螺的精度受到嚴重影響，因此溫度的影響不能忽略,，以陀螺儀為例,，置放慣性器件于恒溫轉臺中試驗，并在不同溫度下收集數(shù)據(jù),。

微慣性器件的溫度試驗

（4）IMU產(chǎn)品化后主要影響因素

A．信噪比低

信噪比低會造成使用IMU的產(chǎn)品不敏感,，因此最棘手的問題便是降噪。一般此種情況可利用小波降噪,，對信號進行消噪實際上是抑制信號中的無用部分,，增強信號中的有用部分的過程。

慣性器件常用的消噪過程為：a. 信號的小波分解,，選擇一個合適的小波并確定分解的層次,，然后進行分解計算；b. 小波分解高頻系數(shù)的閾值量化,，對各個分解尺度下的高頻系數(shù)選擇一個閾值進行軟閾值量化處理,；c. 小波重構，根據(jù)小波分解的最底層低頻系數(shù)和各層分解的高頻系數(shù)進行一維小波重構,。其中最關鍵的是如何選擇閾值以及進行閾值量化處理,，它直接關系信號消噪的質量,。

B．漂移大/延遲大

對于信號延遲問題，MEMS的常用器件都有存在,，在IMU產(chǎn)品中極為明顯,。國外研究機構提出利用慣性誤差旋轉調(diào)制技術，來解決延遲問題,。慣性誤差旋轉調(diào)制技術實質上是一種誤差自補償技術,，利用IMU周期性轉動完成對慣性器件慢變誤差的調(diào)制，是在現(xiàn)有器件精度的條件下實現(xiàn)更高導航精度的有效方法,。采用誤差調(diào)制技術的慣性導航系統(tǒng)結構發(fā)生了變化,，旋轉機構的存在導致陀螺儀和加速度計與載體不再固連，但解算依然采用捷聯(lián)算法,，因此這種慣性導航系統(tǒng)被稱為旋轉調(diào)制型捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng),。