無人機(jī)安裝的監(jiān)視設(shè)備、海上微波接收器,、車載紅外成像傳感器和類似的儀器系統(tǒng)需要穩(wěn)定的平臺(tái)才能獲得最佳性能,但它們通常用于經(jīng)歷振動(dòng)和其他不良運(yùn)動(dòng)的應(yīng)用,。振動(dòng)和正常的車輛運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致通信丟失,、圖像模糊以及許多其他行為,從而降低儀器的性能和執(zhí)行所需功能的能力,。平臺(tái)穩(wěn)定系統(tǒng)采用閉環(huán)控制系統(tǒng)來主動(dòng)消除這種類型的運(yùn)動(dòng),,從而保留這些儀器的關(guān)鍵任務(wù)性能目標(biāo)。圖1是平臺(tái)穩(wěn)定系統(tǒng)的通用框圖,,該系統(tǒng)使用伺服電機(jī)來校正角運(yùn)動(dòng),。反饋傳感器為儀器平臺(tái)提供動(dòng)態(tài)方向信息。反饋控制器處理此信息并將其轉(zhuǎn)換為伺服電機(jī)的校正控制信號(hào),。
圖1.基本平臺(tái)穩(wěn)定系統(tǒng)
由于許多穩(wěn)定系統(tǒng)需要多個(gè)主動(dòng)校正軸,,因此慣性測量單元(IMU)通常包括至少三個(gè)陀螺儀軸(測量角速度)和三個(gè)加速度計(jì)軸(測量加速度和角方向)以提供反饋傳感功能。反饋傳感器的最終目標(biāo)是提供平臺(tái)方向的精確測量,,即使在平臺(tái)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)也是如此,。由于沒有“完美”的傳感器技術(shù)可以在所有條件下提供精確的角度測量,因此平臺(tái)穩(wěn)定系統(tǒng)中的IMU通常在每個(gè)軸上使用兩種或三種傳感器類型,。
加速度計(jì)在其每個(gè)軸的方向上響應(yīng)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)加速度,。“靜態(tài)加速度”可能看起來是一個(gè)奇怪的術(shù)語,但它包含了重要的傳感器行為:對(duì)重力的響應(yīng),。假設(shè)不存在動(dòng)態(tài)加速度,,并且傳感器誤差已通過校準(zhǔn)消除,則每個(gè)加速度計(jì)輸出將代表其軸相對(duì)于重力的方向,。為了確定穩(wěn)定系統(tǒng)中經(jīng)常經(jīng)歷的振動(dòng)和快速加速度下的實(shí)際平均方向,,濾波器和融合程序(結(jié)合來自多種傳感器類型的讀數(shù)以獲得最佳估計(jì)值)通常應(yīng)用于原始測量。
另一種類型的傳感器是陀螺儀,,它提供角速率測量,。陀螺儀測量通過在有限時(shí)間段內(nèi)積分角度速率來促進(jìn)角度測量。執(zhí)行積分時(shí),,偏置誤差會(huì)導(dǎo)致隨時(shí)間累積的比例角度漂移,。因此,陀螺儀性能通常與器件偏置對(duì)不同環(huán)境因素的靈敏度有關(guān),,例如溫度變化,、電源變化、離軸旋轉(zhuǎn)和線性加速度(線性g和整流g×g),。經(jīng)過校準(zhǔn)的高質(zhì)量陀螺儀具有高線性加速度抑制能力,,使這些器件能夠提供寬帶角度信息,以補(bǔ)充加速度計(jì)提供的低頻信息,。
第三種類型的傳感器是3軸磁力計(jì),,用于測量磁場強(qiáng)度。從三個(gè)正交軸測量磁場可以估計(jì)相對(duì)于地球磁場的局部方向的方向角,。當(dāng)磁力計(jì)靠近電機(jī),、監(jiān)視器和其他動(dòng)態(tài)場干擾源時(shí),管理其精度可能具有挑戰(zhàn)性,,但在適當(dāng)?shù)那闆r下,,其角度數(shù)據(jù)可以增強(qiáng)加速度計(jì)和陀螺儀的測量。雖然許多系統(tǒng)僅使用加速度計(jì)和陀螺儀,,但磁力計(jì)可以提高某些系統(tǒng)的測量精度,。
圖2的通用框圖顯示了陀螺儀和加速度計(jì)測量如何利用其基本優(yōu)勢,但盡量減少其弱點(diǎn)的影響,。低通加速度計(jì)和高通陀螺儀濾波器的極點(diǎn)位置通常取決于應(yīng)用,,精度目標(biāo)、相位延遲,、振動(dòng)和“正?!边\(yùn)動(dòng)預(yù)期都有助于這些決策。與系統(tǒng)相關(guān)的行為也會(huì)影響加權(quán)因子,,這也會(huì)影響這兩個(gè)測量值的組合方式,。擴(kuò)展卡爾曼濾波器是結(jié)合濾波和加權(quán)函數(shù)來計(jì)算動(dòng)態(tài)角度估計(jì)的算法的一個(gè)例子,。
圖2.組合單軸傳感器輸出
微機(jī)電系統(tǒng)IMU頻率響應(yīng)分析
在圍繞新的MEMS IMU開發(fā)穩(wěn)定系統(tǒng)時(shí),在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的早期階段了解頻率響應(yīng)非常重要,,因?yàn)镮MU的頻率響應(yīng)將對(duì)控制器設(shè)計(jì)產(chǎn)生直接影響,,并有助于識(shí)別潛在的穩(wěn)定性問題,尤其是在考慮為下一代設(shè)計(jì)提供更寬帶寬的解決方案時(shí),。此信息對(duì)于預(yù)測陀螺儀對(duì)振動(dòng)的響應(yīng)也很有用,。
評(píng)估 IMU 帶寬的策略是確定產(chǎn)品文檔中可用的信息,分析此信息對(duì)系統(tǒng)對(duì)慣性運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響,,并穩(wěn)定系統(tǒng)的響應(yīng),。該分析及其所需的任何糾正措施將成為初步測試的基礎(chǔ)。
頻率響應(yīng)在IMU和陀螺儀的規(guī)格表中通常表示為“帶寬”,。作為性能參數(shù),,它表示輸出幅度下降到傳感器實(shí)際運(yùn)動(dòng)幅度的約70%(–3 dB)的頻率。在某些情況下,,帶寬也可以由輸出響應(yīng)滯后實(shí)際運(yùn)動(dòng)90度的頻率來定義(對(duì)于2極系統(tǒng)),。這兩個(gè)指標(biāo)都會(huì)直接影響控制環(huán)路的一個(gè)重要穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn):單位增益相位裕量——環(huán)路增益為1時(shí)環(huán)路響應(yīng)的實(shí)際相位角與–180°之間的差異。了解反饋傳感器的頻率響應(yīng)是優(yōu)化穩(wěn)定性保證和系統(tǒng)響應(yīng)之間權(quán)衡的關(guān)鍵因素,。除了管理穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)外,,頻率響應(yīng)還直接影響振動(dòng)抑制和建立采樣策略,允許測量慣性平臺(tái)上的所有關(guān)鍵瞬態(tài)信息,。
分析系統(tǒng)中的頻率響應(yīng)從高級(jí)“黑匣子”視圖開始,,該視圖描述了系統(tǒng)在整個(gè)目標(biāo)頻率范圍內(nèi)對(duì)輸入的響應(yīng),。在電子電路中,,輸入和輸出以通用術(shù)語定義,例如信號(hào)電平(伏特),,這通常涉及使用s域表示和電路級(jí)關(guān)系(例如基爾霍夫電壓和電流定律)開發(fā)傳遞函數(shù),。對(duì)于慣性MEMS系統(tǒng),輸入是IMU經(jīng)歷的慣性運(yùn)動(dòng),,輸出通常由數(shù)字代碼表示,。雖然 s 域分析技術(shù)很有價(jià)值,但為這種類型的系統(tǒng)開發(fā)完整的傳遞函數(shù)通常需要額外的技術(shù)和考慮,。
分析過程從了解與傳感器信號(hào)鏈相關(guān)的所有組件開始,。圖 3 提供了典型函數(shù)的總體圖。信號(hào)鏈從核心傳感器元件開始,,將慣性運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為具有代表性的電信號(hào),。如果傳感器元件的帶寬不受限制,則通常會(huì)受到ADC之前信號(hào)調(diào)理電路中的濾波器的限制,。信號(hào)數(shù)字化后,,處理器通常應(yīng)用校正(校準(zhǔn))公式和數(shù)字濾波,。次級(jí)數(shù)字濾波器降低了反饋系統(tǒng)在其控制例程中使用的帶寬和采樣速率。所有這些級(jí)都會(huì)影響傳感器信號(hào)相對(duì)于頻率的增益和相位,。圖3提供了一個(gè)在混合信號(hào)處理系統(tǒng)中具有多個(gè)濾波器的IMU示例,。該系統(tǒng)將作為說明一些有用的分析技術(shù)的示例。
圖3.信號(hào)鏈中的ADIS16488傳感器,,用于頻率分析
核心MEMS傳感器元件
這種分析是由這樣一種理解驅(qū)動(dòng)的:所有可以量化的行為都應(yīng)該是,;然后,可以對(duì)那些不容易量化的事情做出有根據(jù)的假設(shè),。一旦“已知”變量被充分理解,,通常更容易重新審視這些假設(shè)以進(jìn)行審查和澄清。ADIS16488的規(guī)格表(圖3)顯示–3 dB帶寬為330 Hz,。 假設(shè)核心傳感器處于臨界阻尼狀態(tài),,并且在帶寬遠(yuǎn)低于其諧振(16 kHz至20 kHz)時(shí)不是關(guān)鍵因素。這可能并非總是如此,,但這是一個(gè)很好的起點(diǎn),,可以在過程的后期使用噪聲密度或全運(yùn)動(dòng)測試進(jìn)行測試。
接口電路/模擬濾波器
此外,,每個(gè)陀螺儀傳感器在ADC之前都要經(jīng)過一個(gè)2極點(diǎn)低通濾波器,。這提供了足夠的信息來使用拉普拉斯變換在 s 域中開發(fā)傳遞函數(shù)表示。第一極(f1) 處于 404 Hz,,第二個(gè)極點(diǎn) (f2) 為 757 Hz,。
加速度計(jì)的單極 (f1) 傳遞函數(shù)是。
這些公式為程序中的數(shù)值分析提供了基礎(chǔ),,這些程序可以管理與“s = jω”恒等式相關(guān)的復(fù)數(shù),。在 MATLAB 中,以下 m 腳本將生成幅度(比率,,無單位)和相位(度)信息:
Fmax = 9840/2; % one-half of the sample rate
for f = 1:Fmax
w(f) = 2*pi*f;
end
p1 = 404; % pole location = 404Hz
p2 = 757; % pole location = 757Hz
NUM1 = 2*pi*p1;
DEN1 = [1 2*pi*p1];
NUM2 = 2*pi*p2;
DEN2 = [1 2*pi*p2];
H1 = tf(NUM1,DEN1),; % transfer function for first pole
H2 = tf(NUM2,DEN2); % transfer function for second pole
H488a = H1 * H2; % transfer function for 2-pole filter
[maga,phasea] = bode(H488,w),;
for f = 1:Fmax
Mag488a(f) = maga(1,1,f),;
Phase488a(f) = phasea(1,1,f);
end
為了快速評(píng)估與這些濾波器相關(guān)的時(shí)間延遲,,請(qǐng)注意,,單極點(diǎn)濾波器的相位延遲在其?3 dB頻率下等于45°,,或轉(zhuǎn)折頻率周期的1/8,。在這種情況下,加速度計(jì)濾波器的時(shí)間延遲大約等于0.38 ms,。對(duì)于陀螺儀,,延遲等于兩級(jí)的時(shí)間延遲之和,,或約0.47 ms。
平均/抽取濾波器級(jí)
圖3顯示了兩個(gè)平均/抽取濾波器級(jí)的使用,,它們降低了級(jí)的輸出采樣速率并提供額外的濾波,。在具有有限脈沖響應(yīng)(FIR)的數(shù)字濾波器中,相位延遲等于抽頭總數(shù)的一半除以每個(gè)抽頭的采樣速率,。在第一個(gè)濾波階段,,采樣率為9.84 kHz。有四個(gè)水龍頭,,在這種過濾器樣式中,,它們等于平均值的數(shù)量。相位延遲約為0.2 ms,。平均濾波器的幅度響應(yīng)遵循這種關(guān)系,。
使用 MATLAB 進(jìn)行分析時(shí),請(qǐng)使用采樣率 (fs) 的 9.84 kSPS 和四個(gè)抽頭 (N),,以及用于分析模擬濾波器的相同頻率陣列 (f),。使用通用頻率陣列將更容易組合每個(gè)階段的結(jié)果。使用以下代碼分析此第一階段:
Fmax = 9840/2;%采樣率的一半
f = 1:Fmax;
NUM(f) = sin(4*pi*f/9840),;
DEN(f) = 4 * sin(pi*f/9840),;
對(duì)于 fq = 1:Fmax
Hda(fq) = abs(NUM(fq)/DEN(fq));
結(jié)束
分析第二個(gè)平均/抽取濾波器需要事先了解控制系統(tǒng)的采樣率,,但將使用相同的關(guān)系,。例如,如果控制環(huán)路要求采樣率接近 400 SPS,,則第二個(gè)濾波器的平均采樣率和抽取率將等于 6(對(duì)于 410 SPS 和 4 個(gè)樣本的采樣率,,9840/[410 × 4] = 6)。使用相同的 m 腳本代碼分析幅度響應(yīng),,但有三個(gè)例外:(1) 將采樣率從 9480 更改為 2460,,(2) 將兩個(gè)位置的“4”更改為“6”,,以及 (3) 更改 F.MAX從 9840/2 到 2460/2,。相位等于抽頭總數(shù)的一半除以采樣率,約為1.22 ms (3/2460),。
復(fù)合響應(yīng)
圖4和圖5提供了復(fù)合幅度和相位響應(yīng),,其中包括陀螺儀的模擬濾波器和兩個(gè)抽取濾波器。圖4表示將陣列中每個(gè)頻率的級(jí)幅度相乘的結(jié)果,。圖5表示在每個(gè)頻率下將級(jí)的相位貢獻(xiàn)相加的結(jié)果,。標(biāo)有“無抽取”的曲線假設(shè)輸出數(shù)據(jù)速率為2460 SPS,并且第二個(gè)抽取級(jí)被有效關(guān)閉,。標(biāo)有“抽取”的曲線假設(shè)抽取率等于6,,最終輸出數(shù)據(jù)速率為410 SPS,。這兩張圖說明了控制環(huán)路采樣速率和相應(yīng)頻率響應(yīng)之間系統(tǒng)級(jí)權(quán)衡的響應(yīng)差異。
圖4.模擬濾波器和第一抽取級(jí)
圖5.針對(duì) 410-SPS 數(shù)據(jù)速率的復(fù)合響應(yīng)
可編程 FIR 濾波器分析
一旦知道模擬濾波器和抽取濾波器的貢獻(xiàn),,就可以評(píng)估使用板載抽取濾波器和設(shè)計(jì)定制FIR濾波器之間的權(quán)衡,。在圖3所示的ADIS16488中,F(xiàn)IR濾波器包含在IMU中,,但有些系統(tǒng)會(huì)在其數(shù)字信號(hào)處理例程中實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn),。FIR濾波器的時(shí)域f(n)表示通常由差分方程表示,其中z變換為頻率分析提供了分析工具:
幸運(yùn)的是,,許多現(xiàn)代程序都包含基于這些基本關(guān)系的此類分析的特定工具或命令,。在驗(yàn)證自動(dòng)評(píng)估工具的結(jié)果以及直觀地了解何時(shí)質(zhì)疑FIR設(shè)計(jì)工具的輸出時(shí),理解它們?nèi)匀缓苡杏?。MATLAB“fdatool”命令啟動(dòng)其濾波器分析和設(shè)計(jì)包,,幫助設(shè)計(jì)和分析系統(tǒng)FIR濾波器實(shí)現(xiàn)。
慣性頻率響應(yīng)測試方法
在陀螺儀中測試頻率響應(yīng)的最直接方法是使用慣性速率表,,該表能夠引入適當(dāng)?shù)念l率成分,。速率表通常包括可編程伺服電機(jī)和光學(xué)編碼器,用于驗(yàn)證電機(jī)軸上的編程旋轉(zhuǎn),。這種測試方法的優(yōu)點(diǎn)是它應(yīng)用了實(shí)際的慣性運(yùn)動(dòng),。它的缺點(diǎn)是,對(duì)于剛開始使用MEMS的工程師來說,,它并不常見,。
對(duì)于沒有速率表的早期分析驗(yàn)證,測量目標(biāo)頻帶上的頻譜噪聲可以提供有用的見解,。這種簡化的方法不需要復(fù)雜的測試設(shè)備,,只需要與穩(wěn)定平臺(tái)和數(shù)據(jù)收集儀器的安全機(jī)械連接,。然而,它確實(shí)依賴于相對(duì)于頻率具有“平坦”噪聲幅度的機(jī)械噪聲。
圖6顯示了兩個(gè)示例,,它們都使用相同的2極點(diǎn)低通濾波器。第一個(gè)示例(ADIS16375)使用的陀螺儀在其可用頻率范圍內(nèi)具有平坦的響應(yīng),。第二個(gè)示例(ADIS16488)使用的陀螺儀在1.2 kHz處具有適量的峰值,,實(shí)際上將–3 dB頻率擴(kuò)展到約380 Hz。 認(rèn)識(shí)到這種諧振行為對(duì)于正在建模和仿真控制環(huán)路的人來說很有價(jià)值,。在簡單的測試中識(shí)別這種行為也有助于解釋在執(zhí)行更徹底的系統(tǒng)表征時(shí)高于預(yù)期的噪聲水平,。在項(xiàng)目早期理解和識(shí)別后,通??梢酝ㄟ^調(diào)整濾波器極來管理這些行為,。
測量噪聲密度時(shí),請(qǐng)確保采樣率至少是目標(biāo)最高頻率的兩倍,,以滿足奈奎斯特準(zhǔn)則,。此外,,獲取足夠的數(shù)據(jù)樣本以減少測量的不確定性。圖6中的曲線來自長度為256k樣本的時(shí)間記錄的FFT分析,,最大速率為2.46 kSPS,。
圖6.噪聲密度比較
另一種方法是使用陀螺儀的自檢功能。自檢功能提供了使用電信號(hào)刺激傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)的機(jī)會(huì),,而無需設(shè)備承受外部慣性運(yùn)動(dòng),。自檢功能強(qiáng)制改變傳感器內(nèi)核,模擬其對(duì)實(shí)際運(yùn)動(dòng)的響應(yīng),,從而在電輸出中產(chǎn)生相應(yīng)的變化,。并非所有產(chǎn)品都提供對(duì)此的實(shí)時(shí)訪問,但如果可用,,或者制造商可以提供此類頻率響應(yīng)測試的數(shù)據(jù),,它可以成為一個(gè)有用的工具。在最簡單的方法中,,將模擬對(duì)步驟響應(yīng)的自檢與分析期望進(jìn)行比較,。在特定頻率下重復(fù)自檢斷言提供了一種直接方法,用于研究每個(gè)頻率下的傳感器響應(yīng)幅度,??紤]圖 7 中的兩種不同響應(yīng)。在較低頻率下,,陀螺儀輸出看起來像方波,,但每個(gè)轉(zhuǎn)換處的瞬態(tài)響應(yīng)除外。瞬態(tài)響應(yīng)遵循傳感器信號(hào)鏈中濾波器網(wǎng)絡(luò)的“階躍響應(yīng)”預(yù)期,。在第二個(gè)示例中,,自檢的頻率足夠高以防止完全建立,則幅度會(huì)減小,。請(qǐng)注意圖中底部信號(hào)上的藍(lán)色和黑色點(diǎn)狀響應(yīng)之間的幅度差異,。有許多方法可以估計(jì)這些時(shí)間記錄的大小。離散傅里葉變換(DFT)將初級(jí)頻率成分(自檢頻率)與諧波成分分開,,諧波成分可能會(huì)對(duì)幅度/頻率響應(yīng)產(chǎn)生誤差,。
圖7.自檢
結(jié)論
更寬帶寬IMU的趨勢為反饋穩(wěn)定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了顯著的優(yōu)勢。更寬的帶寬可為多傳感器系統(tǒng)提供更好的時(shí)間對(duì)準(zhǔn)和相位裕量管理,。濾波電容器的值和對(duì)溫度的響應(yīng)變化很大,,這可能導(dǎo)致極點(diǎn)頻率成比例變化,。由于相位延遲取決于極點(diǎn)位置,,因此了解和管理這一點(diǎn)非常重要。例如,,當(dāng)反饋傳感器的截止頻率是控制器單位增益反饋的兩倍時(shí),,它將為環(huán)路響應(yīng)增加約22.3°的相位延遲,。如果截止頻率降低20%,相位延遲增加約5.6°,。增加單位增益帶寬中的截止頻率比可將這些影響降低4倍,。
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