評估MEMS陀螺儀信號中常見噪聲源的簡單流程

當(dāng)MEMS慣性測量單元（IMU）用作運(yùn)動控制系統(tǒng)中的反饋傳感器時(shí)，你，必須了解陀螺儀的噪聲情況，因?yàn)椋鼤谒O(jiān)視的平臺上造成不必要的物理運(yùn)動。

根據(jù)具體情況，針對特定MEMS IMU進(jìn)行早期應(yīng)用目標(biāo)噪聲估算時(shí)需要考慮多個(gè)潛在的誤差源。在此過程中需要考慮的三個(gè)常見陀螺儀特性——其固有噪聲、線性振動響應(yīng)和對準(zhǔn)誤差。

圖 1的簡單模型顯示了會影響各誤差源評估的幾個(gè)特性：噪聲源、傳感器響應(yīng)和濾波。此模型給出了對這些特性進(jìn)行頻譜分析所需的基準(zhǔn)。

圖1.陀螺儀噪聲源和信號鏈

傳感器固有噪聲

傳感器固有噪聲代表的是陀螺儀在靜態(tài)慣性和環(huán)境條件下運(yùn)行時(shí)其輸出中的隨機(jī)振動。MEMS IMU數(shù)據(jù)手冊通常會提供速率噪聲密度(RND)參數(shù)來描述陀螺儀相對于頻率的固有噪聲。此參數(shù)通常使用單位°/s/√Hz，是預(yù)測特定濾波器配置固有噪聲的關(guān)鍵。這里的公式給出了一種簡單方法來估算與特定頻率響應(yīng)(噪聲帶寬)和RND相關(guān)的噪聲。

當(dāng)RND的頻率響應(yīng)遵循單極點(diǎn)或雙極點(diǎn)低通濾波器曲線時(shí)，噪聲帶寬(f_NBW)和濾波器截止頻率(f_C)將有如下的關(guān)系。

除了RND參數(shù)外，MEMS IMU數(shù)據(jù)手冊有時(shí)會使用輸出噪聲等參數(shù)指定特定濾波器配置的陀螺儀固有噪聲。輸出噪聲通常使用角速率標(biāo)準(zhǔn)單位(°/s)，并使用均方根(rms)等統(tǒng)計(jì)術(shù)語來描述總噪聲幅度。

線性振動

由于陀螺儀用于測量旋轉(zhuǎn)角速率，因此其對線性運(yùn)動的響應(yīng)會引入測量誤差。MEMS IMU數(shù)據(jù)手冊通常通過“線性加速度對偏置的影響”或“線性加速度”等參數(shù)來描述對線性運(yùn)動的這一響應(yīng)，這些參數(shù)通常使用單位°/s/g。線性振動是一種重復(fù)的慣性運(yùn)動，其幅度大小可通過位移(m)、線性速度(m/s)或線性加 速度(m/s2或g)表示。在特定的振動頻率(f_LV)下，位移(|d_LV|)、速度(|v_LV|)和加速度(|a_LV|)之間的幅度關(guān)系如公式4所示。

當(dāng)振動幅度以加速度(grms)表示時(shí)，與線性加速度參數(shù)相乘可估算陀螺儀測量中產(chǎn)生的噪聲。例如，當(dāng)ADIS16488A承受5g(rms)的振動時(shí)，由于線性加速度等于0.009°/s/g，因此其陀螺儀中的 噪聲估算值將為0.045°/s (rms)。

如圖1所示，陀螺儀信號鏈常常包括濾波器，這有助于減少線性振動引起的噪聲。以頻譜項(xiàng)(幅度、頻率)定義振動可在估算噪聲貢獻(xiàn)時(shí)考慮濾波器的影響。加速度頻譜密度(ASD)函數(shù)是以頻譜項(xiàng)表達(dá)振動的常見方式，通常使用單位g²/Hz。下面通過示例說明已知ASD和陀螺儀頻率響應(yīng)(H_G)時(shí)估算噪聲幅度的步驟：

1

ASD函數(shù)乘以陀螺儀頻率響應(yīng)的平方值；

2

利用帕塞瓦爾定理，通過在目標(biāo)頻率范圍內(nèi)對ASDF進(jìn)行積分來計(jì)算“濾波振動曲線”中的平均功率；

3

求取噪聲功率估算值的平方根，然后與線性加速度系數(shù)(HLG)相乘即可計(jì)算出陀螺儀噪聲幅度。

運(yùn)動控制系統(tǒng)通常會建立慣性參考系，其中包含三個(gè)相互垂直90°的軸。這三個(gè)軸為MEMS IMU中的各個(gè)傳感器提供方位參考。理想情況下，陀螺儀的各個(gè)旋轉(zhuǎn)軸將與系統(tǒng)參考系中的軸完全對齊，將IMU安裝到平臺上之后，其將監(jiān)視運(yùn)行情況。這種情況下，在慣性參考系中圍繞其中一個(gè)軸旋轉(zhuǎn)，只有該軸的陀螺 儀會生成響應(yīng)。實(shí)際操作中，無法實(shí)現(xiàn)這種效果，因?yàn)?a target="_blank">機(jī)械缺陷必定會造成一些對齊誤差，從而導(dǎo)致離軸陀螺儀響應(yīng)慣性參考系中圍繞一個(gè)軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。量化此響應(yīng)需要一些三角恒等式，并謹(jǐn)慎定義陀螺儀的對齊誤差。

每個(gè)陀螺儀的對齊誤差均具有兩個(gè)分量，分別定義其相對于慣性參考系中另一個(gè)軸的對齊誤差。例如，對于圖2中的系統(tǒng)，θ_XZ代表x軸陀螺儀相對于z軸的對齊誤差。此對齊誤差定義有助于建立公式以計(jì)算離軸陀螺儀對系統(tǒng)慣性參考系中圍繞另一個(gè)軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的響應(yīng)。公式中給出了一個(gè)示例，其量化了x 軸陀螺儀相對于z軸的對齊誤差(θ_XZ)和圍繞z軸旋轉(zhuǎn)(ω_ZR)而產(chǎn)生的響應(yīng)(ω_GX)。

圖2.三軸式陀螺儀對齊誤差

MEMS IMU通常具有兩種類型的對齊誤差，它們相互關(guān)聯(lián)，但在系統(tǒng)級建模中具有不同應(yīng)用——軸到封裝和軸到軸：

• “軸到封裝對齊誤差”描述陀螺儀相對于器件封裝上特定機(jī)械特性的對齊情況。將IMU安裝到系統(tǒng)后，如果系統(tǒng)無法支持慣性對齊，則軸到封裝對齊誤差將成為整體對齊誤差的主要因素之一。系統(tǒng)與 IMU的機(jī)械接口的機(jī)械缺陷也會增加整體對齊誤差；

• “軸到軸對齊誤差”描述各個(gè)陀螺儀旋轉(zhuǎn)軸相對于其他兩個(gè)陀螺儀的相對對齊精度。在系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)簡單的對齊過程時(shí)，此參數(shù)影響最大，此時(shí)通常沿系統(tǒng)的慣性參考系中的一個(gè)軸直線移動整個(gè)組件(IMU已安裝在系統(tǒng)平臺上)，同時(shí)需要觀察傳感器。

如果對齊誤差不是IMU規(guī)格的一部分，則通過評估器件封裝中主要機(jī)械特性的物理容差就可以估算這些誤差。例如，以下情況會引入0.5°的對齊誤差：

• 4 mm × 4 mm LGA封裝上的焊接回流工藝具有35 μm的安裝誤差；

• PCB上相距20 mm的兩個(gè)安裝孔之間具有0.175 mm的容差。

案例研究

為了說明這些原理，請看以下示例，其中估算ADIS16488A中的陀螺儀噪聲，該器件用于在以下配置/條件下運(yùn)行的新型航電系統(tǒng)：

• 陀螺儀可用全帶寬

• 振動(ASD(f))：0.122g²/Hz；10 Hz到2000 Hz (總振動= 5grms)

• 最大旋轉(zhuǎn)速率 = ±100°/s，頻率范圍 = 5 Hz到50 Hz

全帶寬配置匹配與ADIS16488A針對固有傳感器噪聲的0.135°/s(rms)的輸出噪聲規(guī)格相關(guān)的條件。對于振動貢獻(xiàn)，圖3給出了曲線說明ASD(f)以及濾波曲線ASD_F(f)。ASD_F(f)中的頻率響應(yīng)反映了與此IMU陀螺儀信號路徑中雙極點(diǎn)(404 Hz，757 Hz)低通濾波器相關(guān)的衰減曲線。

圖3.振動頻譜分析

利用公式通過線性加速度參數(shù)乘以ASDF (f)曲線幅值2.24grms，可估算產(chǎn)生的噪聲電平為0.02°/s (rms)。此噪聲電平比通過公式5到的0.045°/s (rms)低55%，利用公式的方法未采用頻譜項(xiàng)評估此噪聲源。這種改善是采用頻譜項(xiàng)定義振動曲線以獲取值的一個(gè)示例。

通過如下公式可計(jì)算50 Hz頻率下圍繞z軸進(jìn)行±100°/s旋轉(zhuǎn)振蕩時(shí)的x軸陀螺儀噪聲。由于50 Hz恰好位于雙極點(diǎn)濾波器的通帶中，因此濾波器無法抑制此噪聲源。此計(jì)算假設(shè)ADIS16488A的軸到軸對齊誤差是主要誤差源(也就是說，將IMU安裝到系統(tǒng)后，全面部署時(shí)將包括簡單的慣性參考系對齊過程)。

表1總結(jié)了ADIS16488A中來自各個(gè)因素的陀螺儀噪聲。公式12給出了0.15°/s (rms)的整體噪聲估算值(ωNOISE)，表示表1中所有三個(gè)噪聲源的平方和根值(RSS)。

上述這些方法利用相應(yīng)數(shù)據(jù)手冊中的常用參數(shù)信息以及對慣性條件的初步見解或估算，給出了評估MEMS陀螺儀信號中常見噪聲源的簡單流程。了解和評估這些噪聲源有助于您確定重要的應(yīng)用信息，指導(dǎo)IMU選擇流程，還可以發(fā)掘改善機(jī)會（簡單對齊，當(dāng)IMU支持相應(yīng)的軸到軸對齊誤差級別時(shí)）以使用更經(jīng)濟(jì)的解決方案，反之則無法實(shí)現(xiàn)這種優(yōu)勢。