基于MEMS的慣性測量組合，實現(xiàn)中精度、低成本、高可靠性

MEMS傳感器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高等優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用于航空航天、導(dǎo)航與制導(dǎo)控制以及生物醫(yī)療和生物醫(yī)學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域。隨著MEMS技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟，低成本、安裝體積小、中精度的慣性測量組合在實際應(yīng)用中展現(xiàn)出重要價值。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，面向系統(tǒng)的小型化需求，北京航天發(fā)射技術(shù)研究所和中國人民解放軍93160部隊的研究團隊設(shè)計了一種基于MEMS的慣性測量組合，并通過建立誤差參數(shù)模型，對慣性測量組合的誤差進行了標(biāo)定補償。實驗結(jié)果表明，該慣性測量組合可以實現(xiàn)載體3個軸的視加速度以及繞軸運動的角速度等傳感器信息的輸出，主要性能指標(biāo)滿足設(shè)計需求，未來有望在小型無人機、穩(wěn)定平臺等領(lǐng)域進行應(yīng)用。相關(guān)研究成果以“基于MEMS的慣性測量組合設(shè)計與實現(xiàn)”為題發(fā)表在《自動化與儀表》期刊上。

該慣性測量組合包含以MEMS陀螺儀和石英加速度計為核心器件組合而成的慣性測量單元（IMU），以及通訊板和電源模塊。IMU是慣性測量組合的核心模塊，包括1個三軸MEMS陀螺儀和3個石英加速度計，它可以實時向外輸出載體沿3個載體軸的視加速度以及繞載體軸運動的角速度。利用數(shù)字信號處理（DSP）芯片對MEMS陀螺儀和加速度計的信號進行采集，通過建立誤差模型進行誤差標(biāo)定補償，標(biāo)定后的組合能夠?qū)崟r對外輸出三軸角速度和加速度等傳感器信息。

圖1 慣性測量組合結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 慣性測量組合原理框圖

通訊板是慣性測量組合的數(shù)據(jù)處理中心，一方面完成陀螺儀和加速度計等傳感器的數(shù)據(jù)解析和信號采集工作，另一方面對采集數(shù)據(jù)進行濾波和誤差補償，最終按照通訊協(xié)議完成與上位機軟件之間的交互。與以往的定點DSP相比，該器件的精度高、成本低、功耗小、外設(shè)集成度高、數(shù)據(jù)以及程序存儲量大，適用于各種控制類工業(yè)設(shè)備。

圖3 通訊板電路原理框圖

為了提高加速度計的采樣精度，通訊板集成了電流-頻率轉(zhuǎn)換電路（I/F電路）的功能。采用模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）采樣方式，將高精度A/D轉(zhuǎn)換器應(yīng)用于加速度計輸出信號測量，可以通過新型模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)字信號處理理論解決“小體積、大動態(tài)”的問題。

圖4 加速度計A/D采樣電路

根據(jù)系統(tǒng)運行的硬件平臺和軟件功能，慣性測量組合的軟件主要實現(xiàn)MEMS陀螺儀和3個加速度計的信號采集，進行濾波處理后按規(guī)定的頻率上傳給上位機，軟件主要由串口通信模塊、參數(shù)輸入輸出模塊、信號濾波模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊和CRC校驗?zāi)K等組成。

圖5 軟件工作流程

由于慣性測量組合在制造和安裝等過程中不可避免的會帶來一定的誤差，需要建立誤差模型對誤差進行標(biāo)定補償。在對慣性測量組合進行誤差參數(shù)標(biāo)定之后，研究人員對慣性測量組合的主要性能指標(biāo)進行了驗證。結(jié)果表明，陀螺儀的零偏重復(fù)性和穩(wěn)定性達到10°/h(1σ)，加速度計的零偏重復(fù)性達到40 μg(1σ)，穩(wěn)定性達到15 μg(1σ)。

表1 慣性測量組合主要性能指標(biāo)（1σ）

綜上所述，這項研究針對設(shè)備需求小型化的特點，基于MEMS傳感器設(shè)計了一款中精度、低成本、高可靠性的慣性測量組合，該慣性測量組合可以實現(xiàn)載體三軸角速度和加速度等傳感器信息，精度指標(biāo)滿足實際使用需要，未來有望應(yīng)用于小型無人機、穩(wěn)定平臺等領(lǐng)域。

論文信息：
DOI: 10.19557/j.cnki.1001-9944.2024.02.027

審核編輯：劉清