微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS) 陀螺儀和加速度計(jì)比以往任何時(shí)候都更小、更輕且功能更強(qiáng)大。目前最先進(jìn)的芯片比十年前有了飛躍，允許集成這些傳感器的低成本 MEMS 慣性測(cè)量單元 (IMU) 提供與以前的戰(zhàn)術(shù)級(jí)系統(tǒng)相當(dāng)?shù)男阅苤淮嬖谟诎嘿F的高端應(yīng)用中。

      盡管性能得到了巨大改進(jìn)，但 MEMS IMU 仍然具有用戶應(yīng)注意的獨(dú)特特性。通過(guò)在您的系統(tǒng)中考慮這些因素并遵循良好的 IMU 數(shù)據(jù)實(shí)踐，您可以確保您的應(yīng)用程序具有最佳性能。

      以下是您可以用來(lái)提高慣性傳感器性能的一些技巧：

      1、將 MEMS IMU 與振動(dòng)隔離 

      將MEMS與不必要的振動(dòng)隔離開來(lái)對(duì)于獲得準(zhǔn)確的測(cè)量至關(guān)重要。用戶通常對(duì)系統(tǒng)的整體運(yùn)動(dòng)感興趣，例如車輛軌跡，而對(duì)測(cè)量振動(dòng)不感興趣。振動(dòng)可能來(lái)自多種來(lái)源：系統(tǒng)組件（如電機(jī)）、由于地形運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致傳感器所連接結(jié)構(gòu)中的共振，甚至是附近行走的人產(chǎn)生的振動(dòng)。通過(guò)安裝 模壓組 經(jīng)過(guò)深思熟慮，也許在隔振平臺(tái)上，您可以將這些影響降至最低并提高傳感器性能。隔振不僅對(duì)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性很重要，而且還會(huì)延長(zhǎng)系統(tǒng)的使用壽命。即使是最堅(jiān)固的 IMU 也包含敏感元件，這些元件可能會(huì)因暴露于高沖擊事件而損壞。

      MEMS傳感器還具有在振動(dòng)存在時(shí)產(chǎn)生的噪聲成分，稱為振動(dòng)校正誤差（VRE）。也就是說(shuō)，振蕩振動(dòng)信號(hào)被整流為傳感器輸出中不希望的偏置偏移，從而對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生不利影響。通過(guò)最大限度地減少 IMU 上引起的振動(dòng)，您可以最大限度地減少誤差并提高整體系統(tǒng)性能。

      2、定期捕獲陀螺儀偏置

      所有陀螺儀都會(huì)受到多種效應(yīng)的影響，這些效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致它們的開啟偏置發(fā)生變化，或者在沒(méi)有應(yīng)用輸入旋轉(zhuǎn)時(shí)它們輸出的非零偏移。這個(gè)錯(cuò)誤在 MEMS 傳感器中更為重要，這也是 MEMS 傳感器目前不能用于“陀螺羅盤”的原因。

      陀螺羅盤：通過(guò)感測(cè)地球自轉(zhuǎn)率來(lái)確定設(shè)備航向的過(guò)程。

      如果您使用的是姿態(tài)和航向參考系統(tǒng) （AHRS） 或慣性導(dǎo)航系統(tǒng) （INS），這些設(shè)備中的濾波算法會(huì)實(shí)時(shí)估計(jì)此偏差，但濾波器需要時(shí)間（有時(shí)為幾分鐘）才能確定準(zhǔn)確的偏差值。如果您使用基本 IMU 來(lái)讀取角速率測(cè)量值，它將無(wú)法估計(jì)此偏差。在這兩種情況下，最好定期捕獲這種偏差，因?yàn)檫@樣做將優(yōu)化設(shè)備的性能。

      捕捉偏差需要您的設(shè)備在捕捉期間保持靜止。在此過(guò)程中關(guān)閉任何振動(dòng)源（例如車輛發(fā)動(dòng)機(jī)）也很重要。在 Parker 的 MicroStrain 設(shè)備中，您可以使用 SensorConnect 應(yīng)用程序或 MIP SDK 來(lái)啟動(dòng)捕獲。幾秒鐘后，設(shè)備將估計(jì)偏差并將其存儲(chǔ)在其內(nèi)部存儲(chǔ)器中。定期執(zhí)行此操作是抵消應(yīng)用中陀螺儀老化效應(yīng)的最佳方法。

      3、在執(zhí)行積分時(shí)使用積分 delta-theta 和 delta-velocity 而不是原始角速率和加速度

今天的 MEMS IMU 具有高數(shù)據(jù)速率，大約為 1 kHz 或更高！如果您正在設(shè)計(jì)一個(gè)需要在數(shù)學(xué)上集成角速率和加速度信息的系統(tǒng)（例如導(dǎo)航濾波器），可能很想直接使用角速率和加速度輸出。這些值的單位很熟悉，如果您查看標(biāo)準(zhǔn)物理方程，您會(huì)看到它們被直接枚舉（例如 F = ma）。但是 IMU 通常會(huì)輸出一組更有用的不同量：角速率的時(shí)間積分，稱為 delta-theta，加速度的時(shí)間積分稱為 delta-velocity。使用這些而不是瞬時(shí)表示的好處如下：

      （1）、這些積分結(jié)合了設(shè)備在受到現(xiàn)實(shí)世界運(yùn)動(dòng)時(shí)旋轉(zhuǎn)和加速時(shí)受到的復(fù)雜圓錐和劃槳效應(yīng)?？紤]到這些影響意味著 delta-theta 和 delta-velocity 值比以典型方式積分瞬時(shí)值更準(zhǔn)確，即使在最大速率下也是如此。

      （2）、由于 IMU 以最快的速度為您執(zhí)行此集成，因此您可以以低得多的速度請(qǐng)求這些值，從而節(jié)省您的系統(tǒng)寶貴的 CPU 周期。例如，如果設(shè)備本機(jī)報(bào)告 1,000 Hz 的數(shù)據(jù)，但您的過(guò)濾器只需要 50 Hz 的信息，則通過(guò)使用這些積分，您可以節(jié)省 20 倍的計(jì)算次數(shù)，同時(shí)提高準(zhǔn)確性。這種精度的提高來(lái)自于 IMU 以最大速率捕獲動(dòng)態(tài)，同時(shí)考慮了圓錐和劃槳效應(yīng)。

      4、密切注意時(shí)間同步

      在您的 IMU 旅程中的某個(gè)時(shí)刻，您可能會(huì)了解到 時(shí)間就是一切！準(zhǔn)確的時(shí)間戳和時(shí)間對(duì)齊的重要性經(jīng)常被忽視，直到產(chǎn)品開發(fā)的后期。如果您沒(méi)有考慮到它并且您的系統(tǒng)沒(méi)有按預(yù)期工作，那么您可能剛剛發(fā)現(xiàn)了您的問(wèn)題。

      不準(zhǔn)確的時(shí)間同步會(huì)導(dǎo)致慣性測(cè)量出現(xiàn)明顯的比例因子誤差。例如，當(dāng)系統(tǒng)的時(shí)鐘和 IMU 的時(shí)鐘不同步時(shí)，由于時(shí)鐘之間的漂移，您將累積小誤差，其效果與 IMU 的角速率和加速度輸出乘以錯(cuò)誤的比例因子相同。隨著系統(tǒng)動(dòng)態(tài)的增加，此錯(cuò)誤也會(huì)增加。

      應(yīng)用要求越高，時(shí)間對(duì)齊就越重要。

      有兩種方法可以緩解這種情況：使用精密參考（硬件脈沖或其他）對(duì)齊系統(tǒng)中的所有時(shí)鐘，并通過(guò)算法補(bǔ)償事件的任何錯(cuò)位，或者讓IMU能夠生成事件的數(shù)據(jù)。第一種方法很常見，但在具有許多組件的系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)通常非常復(fù)雜。第二種方法是帕克添加到 3DM-CV7-AHRS 協(xié)助我們的客戶滿足嚴(yán)格的時(shí)間需求。  

      借助事件驅(qū)動(dòng)的IMU，硬件輸入脈沖可以生成軟件消息（反之亦然），從而使以前難以處理的事件能夠很好地對(duì)齊。例如，在視覺(jué)里程計(jì)中，了解從一個(gè)相機(jī)幀到下一個(gè)相機(jī)幀的集成IMU輸出非常重要。如果沒(méi)有事件驅(qū)動(dòng)的IMU，這可能會(huì)變得非常棘手，但是使用一個(gè)IMU，它變得非常簡(jiǎn)單：將相機(jī)的快門輸出引腳連接到IMU，并將其配置為在接收脈沖時(shí)提供δθ和δ速度輸出。這導(dǎo)致精確的積分與相機(jī)生成的圖像對(duì)齊，大大簡(jiǎn)化了該域中的時(shí)間對(duì)齊問(wèn)題。相反，事件驅(qū)動(dòng)的IMU可以在數(shù)據(jù)量有效時(shí)產(chǎn)生脈沖，該脈沖可用于驅(qū)動(dòng)硬件（如相機(jī)）上的捕獲事件， 并保持相同的緊密時(shí)間對(duì)齊。  

      相關(guān)慣性傳感器產(chǎn)品型號(hào)：

        ?3DMGX5-IMU慣性測(cè)量單元傳感器

        ?3DM-CX5-IMU高性能慣性測(cè)量單元傳感器

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        ?3DMCX5-AR高性能傾斜/垂直參考單元傳感器

        ?3DMGX5-AHRS航姿參考系統(tǒng)傳感器

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