【導(dǎo)讀】對于復(fù)雜且高動態(tài)慣性配置的MEMS IMU應(yīng)用，評估功能時需要考慮許多屬性。在設(shè)計(jì)周期早期評估這些屬性優(yōu)于追逐開放性成果，從而實(shí)現(xiàn)“盡可能精確”。這里我們分享了適合高要求應(yīng)用的高性能MEMS IMU解決方案。
什么是IMU？
它代表慣性測量單元。 當(dāng)有人提到這個縮寫名稱時，我們先看一下傳感器功能，它們能做什么。 想象一個笛卡爾坐標(biāo)系，如下圖所示，具有x軸、y軸和z軸，傳感器能夠測量各軸方向的線性運(yùn)動，以及圍繞各軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。 這就是所有慣性測量單元的根本出發(fā)點(diǎn)，所有慣性導(dǎo)航系統(tǒng)都是據(jù)此而構(gòu)建。
這些器件帶有一個三軸加速度計(jì)，顯然這是指x軸、y軸和z軸。 加速度計(jì)會測量線性速度的變化，也會響應(yīng)重力。
IMU中傳感器的功能
加速度計(jì)會根據(jù)其方向而對重力作出響應(yīng)，如左圖所示，這使得我們能夠基于非常簡單的三角公式估算其方向。 利用arcsin公式，我們可以使用一個軸，而利用arctan公式，我們可以將笛卡爾坐標(biāo)系中兩個彼此正交的軸合并。
二者的主要區(qū)別在于：arcsin方法能夠測量+/- 90度，而arctan方法能夠測量+/- 180度，也就是全部360度，這樣您將知道您在哪一個象限。
陀螺儀對旋轉(zhuǎn)角速率進(jìn)行積分，您就能估算角位移。 大致上說，加速度計(jì)具有很好的長期偏置穩(wěn)定性和長期精度，但會對線性振動作出響應(yīng)。 當(dāng)進(jìn)行角度估計(jì)時，線性振動會表現(xiàn)出來，有時候需要濾波，這會給其他方面帶來負(fù)擔(dān)，或者有時候振動太高，超出加速度計(jì)測量范圍，從而完全破壞角度估計(jì)。
因此，陀螺儀沒有對線性振動的一階響應(yīng)，但因?yàn)樗鼘敵鲞M(jìn)行積分，所以任何偏置誤差都會轉(zhuǎn)換為角度估計(jì)的漂移。 任何系統(tǒng)的基本調(diào)整空間在于使用此類傳感器的根本出發(fā)點(diǎn)。 加速度計(jì)的長期穩(wěn)定性更好，但易受振動影響。 陀螺儀不易受振動影響，但長期穩(wěn)定性較差，會導(dǎo)致估算更快地漂移。
IMU應(yīng)用實(shí)例：工業(yè)檢查系統(tǒng)
想象屏幕上方的灰色條是生產(chǎn)車間的天花板。 天花板安裝了某種攝像或照相設(shè)備，該設(shè)備檢視其視場下方的生產(chǎn)線中的物件。 再想象某個東西進(jìn)入視場，停留適當(dāng)?shù)臅r間以供拍照，然后移動到工藝的下一部分。
攝像頭的目標(biāo)是在檢視對象上分辨出特定物理屬性。 很顯然，它離地必須足夠高，以便其視場能涵蓋整個對象，但又不能過高以致圖像失真。 在此類場景中，工廠中的叉車、大量人員和其他機(jī)械的行走會引起此類設(shè)備擺動，圖中的紅色虛線反映了這種情況，擺動的最大角度用希臘字母φ加下標(biāo)SW表示。
圖中所示的情況與實(shí)際發(fā)生的情況相比有些夸大，但把虛線端部與理想的攝像機(jī)視場中心相比較非常重要，因?yàn)樵谶@個特定應(yīng)用中，失真可以與線性位移聯(lián)系起來，也就是底部的變量dsw。 最終，該檢查系統(tǒng)的質(zhì)量取決于您能把dsw和φsw項(xiàng)縮小到什么程度。
知道該類運(yùn)動存在并考慮物理位移與實(shí)際角度擺動位移之間的簡單幾何關(guān)系，您就可以把它表示成物理術(shù)語，并與系統(tǒng)的實(shí)際參數(shù)聯(lián)系起來。
假設(shè)檢查一塊塑料，要求它恰好為12英寸長，誤差為+/-0.5英寸。 因此，攝像機(jī)視場的分辨率必須在0.5英寸以內(nèi)，由此可以反推出攝像機(jī)平臺的實(shí)際角度精度要求。
運(yùn)動控制涉及各種各樣的應(yīng)用。 假設(shè)把攝像機(jī)，也就是攝像機(jī)上的實(shí)際成像元件，放在一個小型伺服電機(jī)上，它將能抵消擺動效應(yīng)。 當(dāng)攝像機(jī)向左擺動時，伺服電機(jī)向右擺動，這樣，接收物件表面光線的成像元件實(shí)際上沒有運(yùn)動，圖像就不會失真。 這就是成像穩(wěn)定技術(shù)， 現(xiàn)在已經(jīng)相當(dāng)普遍。 過去它只用在高端攝像機(jī)上，現(xiàn)在由于MEMS技術(shù)，大量數(shù)碼攝像機(jī)也已采用。
這是一個工業(yè)應(yīng)用示例，它有不同的誤差源需要考慮，但原理非常簡單。 使用MEMS陀螺儀測量運(yùn)動，然后經(jīng)過一系列數(shù)字信號處理，包括濾波、校準(zhǔn)和積分，以便估計(jì)擺動角度，讓伺服系統(tǒng)知道要往回?cái)[動多遠(yuǎn)。 這就是所謂閉環(huán)系統(tǒng)。
了解這些之后，對于此類系統(tǒng)，我們就能知道這些誤差源對系統(tǒng)性能會有什么樣的影響。
再看原圖，實(shí)際上添加了兩條綠色虛線，這個窗口要窄得多。 紅線反映系統(tǒng)中實(shí)際發(fā)生的情況，綠線告訴我們控制系統(tǒng)穩(wěn)定攝像機(jī)的效果。
有了這些物理參照之后，為了使它有效，陀螺儀性能必須達(dá)到什么程度？ 回到之前的公式，不過現(xiàn)在是應(yīng)用于綠線，它代表執(zhí)行校正之后或控制環(huán)路全面運(yùn)行之后的殘余誤差。
在這張幻燈片中，最重要的一點(diǎn)是它讓我們能將系統(tǒng)的物理參數(shù)與傳感器指標(biāo)聯(lián)系起來。 如今的運(yùn)動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)師必須不斷地考慮物理行為與傳感器特性兩方面，只有這樣才能作出最恰當(dāng)?shù)臎Q策。不僅是設(shè)計(jì)產(chǎn)品，甚至還要考慮概念和架構(gòu)決策，需要從何種等級的傳感器開始以便成功實(shí)現(xiàn)特定應(yīng)用。 此類考慮常常是富有成效的，因?yàn)樗軒椭鷱囊婚_始就找準(zhǔn)設(shè)計(jì)思路。
我們都想要成本低至1美元、功耗只有1微安而且終身都保持最高精度的傳感器。 但現(xiàn)實(shí)是，利用目前的技術(shù)無法制造出這樣的產(chǎn)品。 現(xiàn)有解決方案的成本從不到1美元到10萬美元不等。 對于手頭的設(shè)計(jì)任務(wù)，從一開始就要考慮尋找最合適的傳感器。 上面提到過，關(guān)于運(yùn)動檢測器件，最令人激動的地方是我們能親眼看到它。 我可以在桌面上推動玻璃杯， 我可以轉(zhuǎn)動我的座椅， 這些都可以同我每天都要打交道的東西聯(lián)系起來，顯然很有幫助。
現(xiàn)在看一個真正重要的參數(shù)，并了解陀螺儀是如何規(guī)定的。IEEE規(guī)范通過許多方式來量化噪聲，但對于這個特定應(yīng)用，最合適的方式是查看角向隨機(jī)游動。 藍(lán)色虛線顯示的是誤差相對時間的累積。 對于我們的攝像或成像系統(tǒng)，您可以確定圖像捕捉時間d有多長？ 它是否意味著快門打開的時間？ 它是否意味著器件停止以供攝像的時間？
您可以通過多個方面來把我們的應(yīng)用與此類指標(biāo)聯(lián)系起來，這樣我們就可以開始估計(jì)，在我們的時間范圍內(nèi)，其擺動幅度有多大？ 在這個特定情形中，快門開啟時間為0.1秒或100毫秒，對應(yīng)的誤差小于0.001度。
各類IMU產(chǎn)品的區(qū)別在哪里
工業(yè)級MEMS技術(shù)是相對消費(fèi)級器件而言的，前者成本更高，但遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)光纖或環(huán)形激光陀螺儀技術(shù)。 這里將從消費(fèi)級市場開始，說明我們所稱的技術(shù)差別。
從多個角度看，這種技術(shù)差異都是值得關(guān)注的，正如前面所說的，目前市場上有很多應(yīng)用，包括大量可穿戴技術(shù)和手機(jī)等，其動態(tài)角度估計(jì)能有幾度的分辨率精度就夠好了。 對于手機(jī)而言，若想知道圖片的哪個方向朝上，精度只要大約45度就可以了。 在手機(jī)上查看不同的東西或玩游戲時，常常也只需要3到5度的精度。
再看偏向于工業(yè)應(yīng)用的器件，您會要求其性能高出10倍以上，而且要能承受更惡劣的環(huán)境條件，這很重要。 使用成本不到10美元的器件時，年使用量可能是10,000只；再看工業(yè)級陀螺儀，使用量可能是數(shù)百只左右，成本可能是100美元，理解這一點(diǎn)很重要。
談?wù)摵唵芜\(yùn)動和復(fù)雜運(yùn)動時，想想它涉及到多少個軸。 我拿著手機(jī)，沿著一個方向轉(zhuǎn)動，那么就是繞一個軸旋轉(zhuǎn)。 這是相對簡單的運(yùn)動。再想象有一輛無人駕駛汽車，沿著崎嶇的路面高速行駛。 很顯然，它會沿著各個方向跳動，因此可以預(yù)期，所有三個軸方向上都有運(yùn)動，不光是三個軸，還有線性和旋轉(zhuǎn)信息。 您會考慮需要什么樣的精度，還有應(yīng)用所處的條件。
從這里的說明可以看出，消費(fèi)級設(shè)備在變得越來越好，但工業(yè)級設(shè)備也是如此。 隨著時間推移，某些應(yīng)用空間會成熟起來。 消費(fèi)級設(shè)備可能跟上一些發(fā)展，并且?guī)椭鉀Q許多需求，但總是存在一系列不斷發(fā)展的應(yīng)用需要更高的性能水平，而且會有項(xiàng)目來證明為此付出額外的成本是值得的。
大量研究都發(fā)現(xiàn)了這樣一個趨勢：偏置和其他重要參數(shù)的長期穩(wěn)定性與對傳感器中的機(jī)械應(yīng)力的管理好壞有關(guān)。 封裝已變得非常重要。 往手機(jī)中添加?xùn)|西時，需要把它做得盡可能小，成本盡可能低；不是任務(wù)需要的材料，每一微克都要從設(shè)備中去除。 自然，它們會更容易受物理應(yīng)力影響。 甚至把手機(jī)放到口袋這樣簡單的事情也會導(dǎo)致封裝彎曲，改變其特性。 對于這些事情，工業(yè)級IMU至少會在一階上進(jìn)行處理。
核心傳感器知識和經(jīng)驗(yàn)
下圖右上方是一個四諧振器內(nèi)核，ADXRS64X系列陀螺儀實(shí)際上就是采用這種內(nèi)核。 該四諧振器內(nèi)核提供兩種不同水平的線性抑制，我們稱之為器件的共模抑制。 這使它在振動抑制方面實(shí)現(xiàn)了大跨越。 尤其是0.0001度/秒/g2這一數(shù)據(jù)，對許多傳統(tǒng)上需要數(shù)萬美元解決方案才能上市的應(yīng)用而言，可謂關(guān)系重大。 現(xiàn)在，不到1,000美元的解決方案就能實(shí)現(xiàn)此類性能。 它在面市時是非常令人激動的，今天仍然很常用。
新一代傳感器技術(shù)，即右下方的彈性碟方法，是當(dāng)前產(chǎn)品的核心技術(shù)，ADXRS290和ADIS16460慣性測量單元均采用該技術(shù)。 利用多方面的工藝改進(jìn)和全新的機(jī)械架構(gòu)，我們得以降低噪聲和角向隨機(jī)游動，這在前面的幻燈片中已予以說明，其性能比我們過去的工業(yè)級產(chǎn)品線所采用的各種陀螺儀技術(shù)要高出4倍。
核心傳感器的典型性能差距在哪里？
針對消費(fèi)市場的MEMS IMU與針對工業(yè)市場的MEMS IMU進(jìn)行比較時，又會顯露出哪些重要特性？
＊ 跨軸靈敏度
＊ 線性振動抑制
跨軸靈敏度
想象把一個IMU放在桌面上，并使它來回轉(zhuǎn)動。 理論上，該運(yùn)動只應(yīng)顯示在一個陀螺儀上，假設(shè)是z軸。 x軸和y軸陀螺儀對此不應(yīng)有所響應(yīng)。 然而，它們實(shí)際上會有所響應(yīng)，跨軸靈敏度反映的就是這種響應(yīng)的程度。 跨軸靈敏度還與這些器件在內(nèi)部的對齊程度有關(guān)。 除物理對齊外，還有電子校準(zhǔn)對齊。 就跨軸靈敏度而言，一般器件的典型值為2%，而針對工業(yè)市場的MEMS器件則是不到0.1%。 二者相差大約20倍，某些情況下您可以通過系統(tǒng)校準(zhǔn)來彌補(bǔ)，但它仍有封裝依賴性，當(dāng)封裝隨著時間而松弛時，跨軸靈敏度又會降低。 因此，針對要求終身保持高性能的應(yīng)用進(jìn)行設(shè)計(jì)時，必須考慮這一10到20倍的性能差距。
線性振動抑制
想象一下，讓搭載IMU的印刷電路板在同一張桌子上沿線性方向來回運(yùn)動。理論上，陀螺儀僅測量角向運(yùn)動，因此其響應(yīng)應(yīng)為0。 然而，由于器件制造的一些實(shí)際限制，所有MEMS陀螺儀對線性振動都有一定程度的響應(yīng)。 如何規(guī)定和說明這種響應(yīng)，對制造商而言是一個重要判斷點(diǎn)，很多時候根本不做規(guī)定。 即使做了規(guī)定，也不是在全頻率范圍內(nèi)進(jìn)行測定或規(guī)定。 一個器件可能有100 Hz的諧振頻率，若用一個grms激勵它，陀螺儀上可能顯示一個10度/秒信號，這會擾亂所有需要一定精度水平的測量，因?yàn)樗且粋€非模式化的誤差。 對此需要進(jìn)行非常細(xì)致的研究，這是非常重要的。
以典型方式把這些參數(shù)放在相關(guān)情形下進(jìn)行分析，紫色線表示速率噪聲密度。 速率噪聲密度代表器件完全靜止時的輸出噪聲。 橙色和紅色虛線表示我剛才討論的內(nèi)容。 這些是噪聲源，可能來自我們所稱的無關(guān)源，導(dǎo)航行業(yè)稱之為非模式化的能量源。 市場上可能有這樣的器件：一個器件的紫色線比另一個器件要低，但機(jī)械諧振和線性振動響應(yīng)卻要高得多。
如果只看一個噪聲參數(shù)，可能會輕信這只陀螺儀更好，但實(shí)際上，您需要關(guān)注所有三個參數(shù)和線性振動信息，甚至可能要估計(jì)軸上的旋轉(zhuǎn)量。 全面地看問題，而不要片面地看問題，確實(shí)非常重要。 從頻譜角度看，總噪聲就是曲線下方的面積。 在這一特定情形中，總能量顯然是以線性振動響應(yīng)為主，但不同應(yīng)用會有不同的分析。 重要的是，在作出關(guān)于使用何種產(chǎn)品的長期決策之前，務(wù)必注意這一點(diǎn)。
了解實(shí)際的測試信息非常重要。 數(shù)據(jù)手冊常常不提供此類信息，需要您去詢問。 多數(shù)公司開設(shè)了論壇，您可以在其中提問。 如果不能在論壇中詢問，請通過銷售渠道查詢，能否找到生產(chǎn)線人員并咨詢。 否則可能會出問題。 這里給出了兩個不同陀螺儀的響應(yīng)曲線，左邊是ADXRS290，右邊是一款主要針對消費(fèi)市場的器件。 雖然工業(yè)級器件經(jīng)受的振動要高出3倍，但其性能仍然要高出10倍左右。 若把它放到上一張幻燈片中，計(jì)算曲線下的總能量，濾波需求將很可怕，帶寬會非常低，因?yàn)檫@會影響穩(wěn)定性控制。 所以，了解這些重要區(qū)別是極其重要的。
IMU機(jī)械設(shè)計(jì)如何避免設(shè)計(jì)陷阱
第一，根據(jù)現(xiàn)有的最佳建議開始機(jī)械設(shè)計(jì)。 我們已經(jīng)看到，機(jī)械設(shè)計(jì)不當(dāng)會引起長期漂移。 需要強(qiáng)調(diào)的是，如果把IMU安裝在不是針對它而設(shè)計(jì)的表面上，封裝上就會有應(yīng)力，進(jìn)而影響器件的行為。 對此您應(yīng)有所考慮。
第二個需要考慮的事項(xiàng)是：如何連接該器件？ 如果是嵌入式SPI產(chǎn)品，它本質(zhì)上是一個從機(jī)，您需要4條IO線來管理SPI接口。 您需要電源， 需要接地，有時還需要時鐘或數(shù)據(jù)就緒接口，但其實(shí)也就這么簡單。 您需要考慮長期系統(tǒng)的接口類型。
第三是注意通信協(xié)議。 我們所有數(shù)據(jù)手冊都有簡單的測試案例，您可以在環(huán)運(yùn)行，調(diào)試信號完整度、代碼、位序、時序等。 我們還有示例代碼，它可幫助您快速上手，但其在細(xì)節(jié)上有所不同。 它提供測試碼供您使用，您可以用示波器探頭排除各類故障。 這也是大家都感興趣的一個方面。
第四起始代碼。利用這些代碼，您就能將器件連接到嵌入式處理器。
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