“高性能MEMS到底是什么？”,。首先,，回顧ADI MEMS是如何定義一些主要規(guī)格的。然后,，簡單看一下基于加速度計(jì)的傾斜檢測及相關(guān)主要規(guī)格,，接著通過余下的討論介紹自主機(jī)器人示例。接下來將更具體地說明陀螺儀規(guī)格,，同時細(xì)致分析各種誤差源,、表征技巧以及各種情況的考慮因素。接著將討論慣性測量單元(IMU),，也就是各種傳感器的組合，包括但不必限于加速度計(jì)和陀螺儀,。然后是IMU的其他相關(guān)考慮點(diǎn),，最后將簡短總結(jié)一些優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品的性能。

高性能MEMS

相信大家從各種渠道聽見過“高性能MEMS”一詞,，誠然,，性能是一個相對指標(biāo)，依特定應(yīng)用要求而異,。單個參數(shù)是無法定義它的,。為此，必須清楚,，僅依賴單個參數(shù)來表征器件是片面的,，人們戲稱這種情況為“規(guī)格近視眼”,。高性能意味著所有規(guī)格支持對應(yīng)用很重要的主要指標(biāo)，可以使用個例子來說明這一點(diǎn),。舉個例子,，一個假設(shè)陀螺儀，用于長期穩(wěn)定性較為重要的應(yīng)用中,。雖然此陀螺儀是假設(shè)的,，其規(guī)格卻是真實(shí)的。這些規(guī)格均來自優(yōu)質(zhì)陀螺儀的數(shù)據(jù)手冊,。該陀螺儀的關(guān)鍵指標(biāo)最初是10º/小時,，這是評估陀螺儀長期穩(wěn)定性時常用的一個指標(biāo)。但如果細(xì)察此陀螺儀的參數(shù),，可以看到其g靈敏度為0.1º/秒/g,。在對信號進(jìn)行數(shù)字化時，器件出現(xiàn)一些ADC誤差,?；鶞?zhǔn)電壓源不穩(wěn)定性很小，但也會產(chǎn)生一些誤差,。將所有誤差相加,，得出關(guān)鍵指標(biāo)的零點(diǎn)穩(wěn)定性為10º/小時，最終陀螺儀的總誤差為72º/小時,，離其他規(guī)格相去甚遠(yuǎn)?，F(xiàn)在，重要的不是觀察這些特定誤差的來源,，重要的是說明如何定義高性能,。定義方式必須使所有重要性能標(biāo)準(zhǔn)互為補(bǔ)充、易于理解且清楚明了,。

在閱讀慣性傳感器數(shù)據(jù)手冊時會發(fā)現(xiàn),，大多數(shù)參數(shù)附帶典型值，而不是最小值或最大值,。這主要是出于經(jīng)濟(jì)考慮,。測試典型規(guī)格更為容易，因?yàn)橐话阒恍柙跀?shù)百至一千個器件中采樣一次,，而不必測試每件產(chǎn)品,。ADI公司的數(shù)據(jù)手冊政策聲明，如果我們在數(shù)據(jù)手冊中加入最小值或最大值,，則必須測試每件出廠產(chǎn)品的對應(yīng)參數(shù),。如果了解典型規(guī)格，實(shí)際上它是非常有用的,。典型值可能有多種不同含義,。“典型值”可能意味著平均值,，此時順應(yīng)性最多只有50%，甚至更低,?？紤]此曲線圖中顯示的分配方案，如果典型值代表平均值,，對于零g偏移,，平均值約為0。在此情況下,，如果從大量產(chǎn)品中采樣一次,，無零g偏移的可能性極低。“典型值”的另一含義可能是平均值±1 Σ,，即距離平均值一個標(biāo)準(zhǔn)差,。根據(jù)高斯法則，這意味著67%的器件屬于典型規(guī)格,。ADI的大多數(shù)數(shù)據(jù)手冊存在一些容差系數(shù),。所以，我們努力確保80%的器件保持在典型規(guī)格范圍內(nèi),，這就是ADI公司針對數(shù)據(jù)手冊選擇的方法,。

規(guī)格表中另一個常見的術(shù)語是初始規(guī)格。初始規(guī)格也有兩種含義,。它可以表示在出廠驗(yàn)收測試時觀察到的狀態(tài),。也就是產(chǎn)品離開測試臺時的測試結(jié)果。“初始值”的另一種含義可以涵蓋任何啟動和測試器件的時刻,，例如在出廠時測試,，出廠五個月后在測試臺上測試，或者由用戶在投入終端應(yīng)用五年后測試,。ADI的初始規(guī)格包括任何啟動和測試器件的時刻,。一般而言，ADI的數(shù)據(jù)手冊對典型規(guī)格和初始規(guī)格均使用較保守的方法,，以確保至少80%的器件在典型電平下正常工作,。為此我們整合了加速老化測試的觀察結(jié)果，如終生高溫測試,、溫度周期測試、沖擊測試等等,，以更好地體現(xiàn)“初始值”在終端應(yīng)用中的意義,。

基于加速度計(jì)的傾斜檢測

傾斜檢測是加速度計(jì)的常見應(yīng)用。例如它可以用于直接測量傾斜角,，以在特定位置觸發(fā)操作,，或者用于平臺穩(wěn)定,。傾斜檢測成為加速度計(jì)的常見應(yīng)用是加速度計(jì)輸出與傾斜之間存在簡單的三角關(guān)系，如圖1所示,?？蛻舫３Ｒ蠹s0.1º的傾斜精度，并詢問這一精度能否使用我們的加速度計(jì)來實(shí)現(xiàn),。實(shí)現(xiàn)0.1º左右的傾斜精度需要將失調(diào)控制在約1mg,，而靈敏度誤差控制在0.1%。即使是ADI最高性能模擬輸出器件,，這里指的是內(nèi)核器件,，例如ADXL203，也只能提供約4%的靈敏度誤差,，以及約25mg的失調(diào)誤差,。在此條件下可以獲得約3º~5º的傾斜精度，而且需要執(zhí)行一些校準(zhǔn),。這些規(guī)格全部是指室溫條件,，如果要考察某一溫度范圍內(nèi)的任何傾斜，該器件的偏移具有約0.5mg/ºC的溫度系數(shù),。在整個溫度范圍內(nèi),，靈敏度上下浮動約0.3%。最根本的一點(diǎn)是,，如果確實(shí)需要精度為0.1º的傾斜傳感器,，必須執(zhí)行校準(zhǔn)。即使已經(jīng)執(zhí)行校準(zhǔn),，甚至是校準(zhǔn)后器件,，也必須控制機(jī)械影響。原因在于,，在10mm范圍內(nèi),，即使兩側(cè)差異僅為17µm，例如封裝一側(cè)的焊接高度比另一側(cè)高17µm,，欲控制精度的器件也將產(chǎn)生0.1º的傾斜誤差,。此情況是校準(zhǔn)后器件，不一定是器件誤差,。該器件會忠實(shí)報(bào)告貼裝位置的傾斜,。所在，當(dāng)設(shè)計(jì)極高精度的傾斜測量系統(tǒng)時,，需要考慮的因素很多,。

圖2顯示了ADI公司MEMS產(chǎn)品提供的不同集成度。這里，最小的方框代表最低集成度,，本例中是指雙軸加速度計(jì)ADXL203,。此加速度計(jì)具有模擬輸出，傾斜精度約為3º~5º,。下一個方框尺寸增加,，代表較高集成度。該產(chǎn)品是ADIS16209,，采用ADXL203等內(nèi)核,，提供模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，用于將模擬輸出信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出信號,。另外還添加了溫度校準(zhǔn),，以及讓軸彼此準(zhǔn)確垂直的軸校準(zhǔn)，同時提供一些角度計(jì)算功能,，因此ADIS16209不僅可在整個溫度范圍內(nèi)以及在軸與軸之間校準(zhǔn),，而且可輸出傾斜度數(shù)據(jù)，而不僅僅是加速度計(jì)數(shù)據(jù),。這里,，最大的方框代表最高集成度。ADIS16210在ADIS16209基礎(chǔ)上添加了另一個軸,，所以內(nèi)置了第二個ADXL203型內(nèi)核,。第三個軸提供了更寬的傾斜測量范圍，當(dāng)然,，還能輸出三個軸的加速度計(jì)數(shù)據(jù),。

0.1º的傾斜精度需要約1 mg的失調(diào)和約0.1%的靈敏度，可以看到在這些產(chǎn)品中,，最小方框內(nèi)的ADXL203提供大約3º~5º傾斜精度,，要實(shí)現(xiàn)更高值則需要執(zhí)行校準(zhǔn)。隨著方框逐漸變大,，校準(zhǔn)后的ADIS16209在±90º測量范圍內(nèi)提供所需的0.1º傾斜精度,，ADIS16210則在±180º測量范圍內(nèi)提供所需的傾斜精度。

自主機(jī)器人利用了最常用的多軸慣性運(yùn)動,。和大多數(shù)應(yīng)用一樣,，它也利用線性和旋轉(zhuǎn)信息。環(huán)境條件也會牽涉其中,。圖3左側(cè)是典型的自主機(jī)器人,，右側(cè)是在自主機(jī)器人中實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航的典型框圖。機(jī)器人使用引導(dǎo)計(jì)算機(jī)來管理任務(wù)目標(biāo),，包括位置變化,，或者可稱之為運(yùn)動。此特定應(yīng)用中，機(jī)器人取代了工廠內(nèi)的材料傳輸帶系統(tǒng),。引導(dǎo)計(jì)算機(jī)制定或接收機(jī)器人需要遵循的軌跡，然后使用幾種測量形式跟蹤該軌跡的進(jìn)程,。慣性測量主要是通過光學(xué)編碼器,，后者通過一系列齒輪與滾輪耦合。該方法非常有效,，但輪胎滑移,、輪胎壓力變化造成的輪胎直徑波動、齒輪間隙等等因素易帶來誤差源,，任何此類動作都能導(dǎo)致機(jī)器人運(yùn)動方式與輪胎運(yùn)動方式?jīng)_突,。另一種測量方法是激光系統(tǒng)。激光系統(tǒng)雖然精確但價值有限,，因?yàn)闇y量期間過于依賴穩(wěn)定性,，機(jī)器人必須停止才能進(jìn)行測量。不僅如此,，執(zhí)行測量時,，人在機(jī)器人周圍走動都會造成位置或方位測量的延遲或誤差。因此,，片上陀螺儀或慣性測量單元系統(tǒng)通常與這些測量系統(tǒng)配合使用,，以實(shí)時跟蹤方位或駛向。陀螺儀或IMU系統(tǒng)也有其性能限制,，無法完全取代其他系統(tǒng),，不過其優(yōu)點(diǎn)也很明顯。機(jī)器人在無陀螺儀反饋或陀螺儀輔助的情況下遵循此軌跡,，它僅使用測程數(shù)據(jù),，添加了陀螺儀反饋。這里使用的陀螺儀是一對MEMS陀螺儀,，采用目前的標(biāo)準(zhǔn),。ADI自本實(shí)驗(yàn)實(shí)施迄今，在近似成本,、尺寸和功耗水平下,，陀螺儀性能已經(jīng)提高了約5倍~10倍。如圖4所示,，y軸是誤差,，x軸是時間，陀螺儀同樣遵循軌跡,。藍(lán)色部分代表無陀螺儀反饋系統(tǒng)的誤差,。而綠色部分代表有陀螺儀反饋系統(tǒng)的誤差。可以清楚看到,，無陀螺儀反饋時,，誤差在數(shù)厘米左右，甚至到達(dá)40cm,。有陀螺儀反饋時,，誤差有效限制在約20mm，證明了陀螺儀所帶來的顯著改善,。

陀螺儀

什么是陀螺儀,？陀螺儀的作用是測量某件東西的旋轉(zhuǎn)速度。當(dāng)然,，物理學(xué)教科書上稱其為旋轉(zhuǎn)角速率,。大多數(shù)情況下，為了對該輸出進(jìn)行實(shí)際積分,，如屏幕右側(cè)所示,，需要對旋轉(zhuǎn)速率進(jìn)行積分，并得出器件在旋轉(zhuǎn)時的實(shí)際角位移,。理想情況下,，陀螺儀將以特定速率旋轉(zhuǎn)，而且每次都會給出完全相同的信號,。如果將x軸視為傳感器輸出,，單位為LSB，或數(shù)字器件代碼,，對于模擬輸出器件單位為mV,，將該值乘以比例因子，以消除任何傳感器偏置,，如果討論的是中位電壓或數(shù)字偏移二進(jìn)制數(shù)出,，這將為我們顯示理想偏置。如果將該關(guān)系應(yīng)用于傳感器,，它將為我們提供可以信賴的理想測量值,。陀螺儀的質(zhì)量和成本與它遵循該公式的程度直接相關(guān)。

通常靈敏度在數(shù)據(jù)手冊中會涉及到兩個不同的部分：一是初始靈敏度,，另外一個是溫度系數(shù),。正如之前所說的，它不僅與出廠時的校準(zhǔn)有關(guān)系,，它還與設(shè)備工作周期有關(guān),。在公式中加亮的靈敏度這個參數(shù)中包含了溫度系數(shù)。現(xiàn)在我們測量靈敏度實(shí)際是比較簡單的,。它需要將一批器件朝一個方向或另外一個方向來旋轉(zhuǎn),，這通常是在器件所支持的最大的動態(tài)范圍來做,。這里假定在順時針做450°/秒的旋轉(zhuǎn)。接下來進(jìn)行數(shù)據(jù)測量,，然后再使用器件朝著相反的方向旋轉(zhuǎn)?，F(xiàn)在，問題來了：“我們?yōu)槭裁匆獪y量兩個方向的旋轉(zhuǎn),？答案很簡單：這是為了您來控制失調(diào)誤差,。如果陀螺的初始失調(diào)誤差是2°/秒，這將會影響到靈敏度的測量,。我們做正、反兩個方向的測量,，可以去除掉失調(diào)誤差的影響,。我們會遇到很多的因素，都想著眼這些因素來優(yōu)化解決方案,。但是實(shí)際上,，您真正需要做的是采集足夠的數(shù)據(jù)，去在一定的采樣率下捕獲整個頻譜,。當(dāng)您做平均的時候不需要擔(dān)心欠采樣以及噪聲折向DC的影響,。您會意識到這些測量都是一個循環(huán)的過程。但是最基本的是我們想要一個在兩個方向都很好和穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn),，并且基于數(shù)據(jù)手冊中的噪聲指標(biāo)想要足夠高的采樣率以及足夠的數(shù)據(jù),。

ADI不僅是銷售分立器件，而且還有集成器件,，而實(shí)際上分立器件和全集成器件的區(qū)別通常是在校準(zhǔn)上,。例如ADIS16136和265在這個指標(biāo)上與未校準(zhǔn)的分立器件相比，都會低10倍~15倍,。

線性度有時被視為靈敏度的子集,。把它單獨(dú)提出是有原因的。如果舉一個機(jī)器人性能與靈敏度和線性度的關(guān)系的示例,，可能更有說服力,。這一點(diǎn)務(wù)必請注意，因?yàn)槿绻徺I線性度較差的陀螺儀,，線性度需花更多時間來表征和理解,。今天將其單獨(dú)提出正是為此。實(shí)際上,，測量非線性度的方式與測量靈敏度的方式非常相似,。所不同的只是采用多種速率。測量并非在最大速率下進(jìn)行,，而是最大值以下的若干個不同速率,?？梢圆捎?plusmn;10、±20,、±30等等,，從而繪制出有關(guān)器件工作特性曲線。4紅色虛線表示靈敏度曲線,。反映了斜率的變化,。線性度誤差，更明確地說是二階線性度誤差,，看上去與稍微向上傾斜的正弦波幾乎一樣,。線性度曲線可以展示誤差在公式中的不同呈現(xiàn)方式。同樣的原理也適用于測量線性度與靈敏度關(guān)系,。必須確保平臺穩(wěn)定,；確保旋轉(zhuǎn)速率精確；隨著曲線形成,，盡量提高采樣速率,，對足夠多的數(shù)據(jù)求平均值，這樣才能得到良好,、精確的測量值,。

偏置的確定項(xiàng)，它指的是三個不同項(xiàng)目：初始偏置誤差,、偏置溫度系數(shù)以及電源靈敏度,。三者均可影響結(jié)果。如果僅考慮需要的設(shè)備,，偏置實(shí)際上是最容易測量的,。理論上，只要確保陀螺儀不旋轉(zhuǎn),、無振動,，甚至不受電腦風(fēng)扇振動影響——如此微小的振動有時也會影響測量，只要控制這些參數(shù)以及溫度,、電源,，將陀螺儀放置在桌面上就能測量偏置。開始測量偏置時,，最常見的情形之一是器件最終欠采樣,。許多陀螺儀提供寬帶寬響應(yīng)，原因很多,。一些設(shè)計(jì)人員在測量偏置時會采用極低的采樣速率,，大多數(shù)情況下，他們得不到精確結(jié)果,。我們的第一條建議是,，此時采樣速率越高越好,。但應(yīng)保證它至少是器件內(nèi)任何其他影響因數(shù)的兩倍。其次,，必須確保采集足夠多的數(shù)據(jù),，使偏置在求平均值后降至器件噪聲以下。關(guān)鍵的是,，測量偏置時,，必須了解影響器件的因素，而且必須確保以良好的采樣速率采集和更新數(shù)據(jù),。重點(diǎn)就在這里,。當(dāng)討論分立式器件與全集成式器件ADIS16136的關(guān)系時，首先后者內(nèi)置了電源管理系統(tǒng),。通過內(nèi)部調(diào)節(jié)器上嚴(yán)格的線性調(diào)整率,，電源靈敏度大幅降低至很小的水平，在表征時幾乎難以察覺,。另外，采用經(jīng)工廠校準(zhǔn)的器件,，這一校準(zhǔn)過程有時需數(shù)小時,，進(jìn)一步將偏置降低至極低水平。

圖5所示為全集成式陀螺儀,。無論是采用高可靠性的模擬輸出器件ADXRS620,，還是直接采用全集成式、經(jīng)過溫度校準(zhǔn)的器件ADIS16265,，此框圖都能說明相應(yīng)集成水平的細(xì)節(jié),。首先，開發(fā)有機(jī)設(shè)計(jì)而且有時間,、資源和經(jīng)驗(yàn)完成整個設(shè)計(jì)流程的設(shè)計(jì)人員,。如果要開發(fā)穩(wěn)定性可達(dá)10º/小時的系統(tǒng)，假設(shè)是在3.3V系統(tǒng)中,，所有其他條件已得到控制,，那么在校準(zhǔn)后，模擬系統(tǒng)內(nèi)的誤差必須控制在1µV以內(nèi),。這并非不可能,，但是，開始設(shè)計(jì)前設(shè)計(jì)者必須知道靈敏度的底線在哪里,。這不僅能告訴設(shè)計(jì)者模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分辨率類型,，而且還能說明放大器、緩沖器,、濾波器等器件內(nèi)需要控制的噪聲參數(shù),、輸入偏置等等,。在此基礎(chǔ)上，可以考慮使用哪種誤差降低手段,。16136具有高溫度校準(zhǔn)性能,，靈敏度和偏置性能可達(dá)10倍~20倍。
 

器件中的三種不同誤差源,，分別是靈敏度誤差,、非線性度和偏置各有路徑。如圖6所示,，藍(lán)色的路徑可以看成機(jī)器人實(shí)際所在的路徑,。紅色則是導(dǎo)航計(jì)算機(jī)在靈敏度誤差、非線性度誤差和偏置誤差影響下假定的路徑,。Ψe和de誤差項(xiàng)顯示的是航向誤差和位移誤差的實(shí)際差異,。靈敏度誤差很簡單。假設(shè)我以特定速率旋轉(zhuǎn),，陀螺儀讀數(shù)高出實(shí)際值10%,，則存在10%的航向誤差。由于旋轉(zhuǎn)速率將轉(zhuǎn)換為機(jī)器人的實(shí)際瞬時線速度,，可以看到,，位移實(shí)際上將隨著轉(zhuǎn)速增加。非線性度很有意思,，有時候它是無關(guān)緊要的,。但有時它也有影響，舉例說明,。假設(shè)現(xiàn)在沒有靈敏度誤差,。那么可以說，右邊的圖似乎有小誤差,，從底部路徑可以看出,。虛線路經(jīng)代表底部線性度，它最終導(dǎo)致航向和d因數(shù)差異,。假設(shè)我在停車場教女兒開車,，我沿著S曲線行駛。而她以障礙滑雪方式行駛,，90º向左,，90º向右，最后,，雖然航向仍相同,，但肯定有位移。如果重看非線性度曲線的第二階,，會發(fā)現(xiàn)一側(cè)高一側(cè)低,，這就是累積的結(jié)果,。偏置誤差在上一節(jié)中已經(jīng)講過。如果我沿直線駕駛,，偏置誤差將導(dǎo)致航向誤差的累積,，再加上線速度的關(guān)系，至少對導(dǎo)航計(jì)算機(jī)而言,，機(jī)器人是曲折前進(jìn)的,，而且位移誤差越來越大。

關(guān)鍵內(nèi)核特性

成本特性決定了陀螺儀的尺寸,、成本差異,。每個因素都很重要。噪聲,、穩(wěn)定性和振動性能是所有系統(tǒng)都需要控制的高水平,、詳細(xì)、關(guān)鍵指標(biāo),。

寬帶噪聲通常對穩(wěn)定或反饋系統(tǒng)最為重要,。對于導(dǎo)航系統(tǒng)，它對決定求平均值的范圍很重要,，后者用于設(shè)置偏置,，也就是停止和重新校準(zhǔn)偏置的校準(zhǔn)點(diǎn)。數(shù)據(jù)手冊上列出了若干因數(shù),。首先是總噪聲規(guī)格，單位通常是º/均方根秒,。還有噪聲密度,，描述總噪聲與系統(tǒng)帶寬之間的關(guān)系。當(dāng)然還有噪聲帶寬,。注意,，噪聲帶寬并不等于-3dB點(diǎn)。您可以翻看噪聲基準(zhǔn)書籍,，比如Matzenbacher及大學(xué)里常用的其他經(jīng)典教科書,。在單脈沖系統(tǒng)上，噪聲帶寬通常是1.6乘以3dB點(diǎn),。在具有兩個相異極點(diǎn)的集成式陀螺儀中,，通常是1.4。所以,，此處切不可將所有規(guī)格混同,。重要的是，測量噪聲時,，必須確保具有穩(wěn)定的平臺,。應(yīng)保證處于無振動的環(huán)境中,。細(xì)微的溫度變化，比如說長時間采集數(shù)據(jù)時有風(fēng)吹拂了器件,，如果不校準(zhǔn),，也會影響測量值。這些細(xì)節(jié)都需注意,。還有,，總是不停的控制采樣速率，必須采集足夠的數(shù)據(jù),，以便獲得良好的統(tǒng)計(jì)樣本,。對于噪聲密度測量，相比其他方法,，通常需要對大量記錄執(zhí)行快速傅里葉變換,，然后求整體平均值。接著,，挑選出相對于頻率非常平坦的一部分頻帶,。我們僅提供3dB帶寬的1/10的指標(biāo)。該值覆蓋了一般應(yīng)用,，有時還會更低,。也許你會問：為什么有人需要帶寬器件？實(shí)際上,，在平臺穩(wěn)定系統(tǒng)中,，更寬的帶寬可以給設(shè)計(jì)人員帶來更多靈活性，提供符合反饋環(huán)路穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)的最大相位裕量,。以上是需要寬帶寬的情況,。如果需要最佳精度，也可以縮小帶寬,。對于大多數(shù)導(dǎo)航系統(tǒng),，低頻特性可能同樣重要，許多情況下甚至更為重要,。

在討論陀螺儀的用途前,，我需要回顧一下測量穩(wěn)定性的Allan方差平方根法。它是納入IEEE標(biāo)準(zhǔn)的傳統(tǒng)規(guī)格,，是由David Allan在開發(fā)GPS衛(wèi)星原子鐘時發(fā)明的,。事實(shí)上，它已經(jīng)成為測量時變型隨機(jī)過程穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)工具,。首先,，τ代表積分時間。繪制該曲線圖時，每條垂直線代表數(shù)據(jù)的一個時間記錄,。積分時間即數(shù)據(jù)的時間記錄,，應(yīng)采集至少30次連續(xù)記錄，將每個記錄內(nèi)的偏置估算值平均化,。重復(fù)操作30次,。通過30次測量得出實(shí)際偏置，然后代入屏幕底部的公式,，Allan方差公式將依此程序剔除Allan方差曲線上的一點(diǎn),。例如， “角向隨機(jī)游動”,，這代表一秒的積分時間,。它的含義是，我們采集30s的數(shù)據(jù),，將數(shù)據(jù)分為30段,，每段為一秒。然后求每一段的平均值,。最后,，就本例而言，得到曲線上約60º/小時的一點(diǎn),。同樣,，此時間周期中最重要的是（溫度變化），如果我在辦公室空調(diào)通風(fēng)口下方開始本測試,，而且使用未校準(zhǔn)的陀螺儀,，問題就大了。需要強(qiáng)調(diào)的是,，控制采樣速率,、控制振動、控制電源溫度影響還是很重要,。

作為最重要的指標(biāo)，陀螺儀上會指定角向隨機(jī)游動,、運(yùn)動中偏置穩(wěn)定度,，有時在光纖陀螺儀上還能看到速率隨機(jī)游動，但MEMS陀螺儀上一般不會指定,。關(guān)于角向隨機(jī)游動,，可以看到此處公式與60有關(guān)，基本上是將速率噪聲密度乘以60并除以2的平方根因此速率噪聲密度與角向隨機(jī)游動相關(guān),。運(yùn)動中偏置穩(wěn)定度通常稱為陀螺儀的分辨率,，或者可以獲得的最佳穩(wěn)定度，均需要仔細(xì)控制。最后,，速率隨機(jī)游動是一個長期測量值,，有時需要數(shù)天來測量，只利用溫度靈敏度會很困難,。通常不會在數(shù)據(jù)手冊中指定該值,，但對于最新一代器件，希望速率隨機(jī)游動介于2度至4度/小時/平方根小時之間,。

影響振動的因素通常有兩個：線性g效應(yīng),，還有整流特性。線性g通常是額定值,，如果在垂直于器件旋轉(zhuǎn)軸的平面內(nèi)發(fā)生線性g,，陀螺儀內(nèi)將有何響應(yīng)？理想情況下,，假設(shè)在陀螺儀內(nèi)旋轉(zhuǎn),，陀螺儀會有響應(yīng)。如果我以線性方式運(yùn)動,，陀螺儀無響應(yīng),。在現(xiàn)實(shí)中，使用微型機(jī)械結(jié)構(gòu)時,，這些因數(shù)變得與運(yùn)動中偏置穩(wěn)定度同樣重要,。這里關(guān)鍵的一點(diǎn)是如何測量它？如何觀測它,？它在數(shù)據(jù)手冊中有何意義,？讓我們來慢慢分析。其實(shí)線性g測量非常簡單,。大多數(shù)情況下,，可以使用重力作為激勵。您可以沿一個方向轉(zhuǎn)動器件,，例如一側(cè)直立,。然后翻轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)動位置，即完全±1g方位,，以便提供響應(yīng),。而g×g測量稍為困難，因?yàn)檫@些器件,，特別是646及內(nèi)置646的其他器件,，提供非常良好的響應(yīng)。因此一般必須提高g水平,，測量沖擊,，而且必須使用高端加速度計(jì)進(jìn)行測量,。ADI現(xiàn)在已在數(shù)據(jù)手冊中指定該值，可以用于估算振動,。事實(shí)上,，必須沿某個方向及其相反方向旋轉(zhuǎn)，獲得線性g效應(yīng),，然后留下g×g效應(yīng),。

加速度計(jì)沿不同于重力的方向傾斜時，加速度改變,。對于陀螺儀上的線性g效應(yīng),，如果我將陀螺儀平放于桌面上，轉(zhuǎn)動至與地球重力矢量成10º,，效果便會出現(xiàn)到目前為止,，這一效應(yīng)通常可觀察,、可校準(zhǔn),。器件額定值為0.005º/秒/g2，它的運(yùn)動中偏置穩(wěn)定度也令人印象深刻,，應(yīng)在在2º~4º/小時左右,。在2g rms環(huán)境中，振動不會很多,，對于飛機(jī)框架或UAV,，以及行駛在道路上的機(jī)器人，該值降低至72º/小時,。

慣性測量單元

多數(shù)慣性運(yùn)動很復(fù)雜,。由于涉及多個軸，單個陀螺儀常常不夠用,。此外,，陀螺儀還有線性和旋轉(zhuǎn)元件。另外還要考慮環(huán)境條件,。慣性測量單元通常至少提供3軸加速度計(jì)和3軸陀螺儀,。一些器件還會提供磁力計(jì)，幫助提供陀螺儀反饋,。偶爾也會提供氣壓計(jì),，以測量海拔高度變化。

在制定陀螺儀選型和表征支持規(guī)格時,，跨軸靈敏度是一大區(qū)分指標(biāo),。例如,，對于適用于手機(jī)的器件,，如基本手勢應(yīng)用，以及高性能器件，如儀表型應(yīng)用,，跨軸靈敏度非常重要,。目前，基于可用的所有指標(biāo),，最高性能的MEMS陀螺儀仍然是單軸器件,。雖然行業(yè)技術(shù)大有進(jìn)步，但就穩(wěn)定性和振動而言,，基于迄今討論的所有指標(biāo),，單軸器件仍然居冠。這就意味著,，如果要設(shè)計(jì)分立式IMU,，必須開發(fā)3D結(jié)構(gòu)，同時開發(fā)3D校準(zhǔn),。依據(jù)我們構(gòu)建此類器件的經(jīng)驗(yàn),，可以獲得的最佳對準(zhǔn)在2º~4º之間。與特定軸實(shí)現(xiàn)4º對準(zhǔn)實(shí)際上可以獲得約7%的靈敏度,。如果機(jī)器人在傾角變化±45º的地面行走,，航向不穩(wěn)定度可達(dá)2.1º。短時間內(nèi)這可能無甚影響,，但如果嘗試從下方跟蹤機(jī)器人,，比如一組樹木，又沒有GPS訪問,，問題就來了,。通過校正，ADIS163xx和4xx器件將該值降低至0.1%以下,，因此該值是關(guān)鍵指標(biāo)之一,。在閱讀一頁數(shù)據(jù)手冊上的新聞稿或功能組合時，通常沒有這些參數(shù),，當(dāng)然這不是因?yàn)橹圃焐滔腚[瞞什么,，而是因?yàn)槠浣K端市場沒有此需求。該參數(shù)是提供給您的,。用戶決定了您需要控制的性能組合,。 ADI所有IMU經(jīng)過100%校準(zhǔn)，而且附帶這些參數(shù),。視器件而定,，每個器件要經(jīng)過250甚至500個步驟。所有校準(zhǔn)需花數(shù)小時,。在開發(fā)和購買某一性能或功能水平的產(chǎn)品時,，這些參數(shù)需要大致瀏覽一下,。

總結(jié)

器件ADXR646在多個參數(shù)上具有業(yè)界領(lǐng)先的性能。它的線性加速度效應(yīng)和在寬振動條件范圍內(nèi)支持12º/小時的運(yùn)動中偏置穩(wěn)定度的能力,。ADI有兩個不同部門負(fù)責(zé)這些器件的設(shè)計(jì)和支持,。我們就像該器件的客戶，在設(shè)計(jì)部分IMU和部分高級陀螺儀時利用了這些服務(wù),，其作用不可忽視,。提供這些規(guī)格是為了節(jié)省各位的時間，同時用作重要的性能指標(biāo),。購買集成器件相對于自己動手開發(fā)的優(yōu)勢,。以16488為例，靈敏度誤差可降低10到15倍,，更不用說偏置誤差了,。另外常常還有跨軸靈敏度的提升。相比針對手持式應(yīng)用設(shè)計(jì)的低級別器件,，例如手機(jī),、圖片轉(zhuǎn)動設(shè)備或Wii遠(yuǎn)程設(shè)備，該參數(shù)也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出,。除了校準(zhǔn)能力高超,，物理結(jié)構(gòu)強(qiáng)固也是優(yōu)勢之一，比如說,，塑料元件沾水后無膨脹或收縮,。這也有利于跨軸靈敏度。附帶一提,，這些器件曾在2 000 g下接受測試,。經(jīng)過數(shù)百個溫度周期，就是壽命測試,，器件仍然能保持跨軸靈敏度,，這真的是一大技術(shù)進(jìn)步。