評(píng)估加速計(jì)和陀螺儀，全方位了解噪音和漂移誤差

加速計(jì)和陀螺儀是用于從無(wú)人機(jī)、手機(jī)、汽車、飛機(jī)和移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中獲取加速度和旋轉(zhuǎn)信息的傳感器。但加速計(jì)和陀螺儀都容易出錯(cuò)，加速計(jì)可能出現(xiàn)噪音、陀螺儀可能出現(xiàn)漂移，因此要求設(shè)計(jì)師采用新穎的方法實(shí)現(xiàn)最高的精度。

方法之一是應(yīng)用傳感器融合。本文將分別評(píng)估加速計(jì)和陀螺儀，以了解這些噪音和漂移誤差是如何產(chǎn)生的。接下來(lái)將介紹這兩種傳感器的示例，并說(shuō)明如何利用傳感器融合技術(shù)，將這兩種傳感器的結(jié)果結(jié)合在一起并減少這些誤差的影響。

選擇正確的傳感器

加速計(jì)用于測(cè)量對(duì)物體施加的所有線性力，單位是毫伏/克 （mV/g）。移動(dòng)的物體會(huì)展現(xiàn)動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)，例如加速度，并持續(xù)受到重力這一靜態(tài)力。將加速計(jì)連接到物體上后，可以測(cè)量物體的加速度和作用于物體上的萬(wàn)有引力。但隨著時(shí)間的推移，加速計(jì)容易出現(xiàn)位置誤差。

圖 1：配備 3D 加速計(jì)和 3D 陀螺儀傳感器的無(wú)人機(jī)能夠成功向地面控制裝置提供位置反饋。（圖片來(lái)源：維基百科和 STMicroelectronics）

陀螺儀可提供隨著時(shí)間推移，物體角速度的變化率，單位是 mV/度/秒 （mV/deg/sec）。將陀螺儀連接到物體上后，傳感器可以平穩(wěn)測(cè)量物體的角度變化，但同加速計(jì)一樣，隨著時(shí)間的推移，陀螺儀也會(huì)出現(xiàn)穩(wěn)定增大的角度誤差。

很多加速計(jì)和陀螺儀采用微機(jī)電系統(tǒng) （MEMS） 制造而成。在 MEMS 傳感器的生產(chǎn)過(guò)程中，硅元件和機(jī)械元件被組合在同一塊微米級(jí)硅基底上。這些器件中的主要元件是機(jī)械元件、感應(yīng)機(jī)制和專用集成電路 （ASIC）。

MEMS 加速計(jì)

個(gè)別 MEMS 加速計(jì)的結(jié)構(gòu)采用固定式硅板以及用于響應(yīng)外力的機(jī)械彈簧（圖 2）。

圖 2：MEMS 加速計(jì)型號(hào)采用硅元件和機(jī)械元件，根據(jù)加速度的變化得出電容的變化。（圖片來(lái)源：HowToMechatronics.com）

通用的 MEMS 感應(yīng)技術(shù)是使用片載可變電容器。在運(yùn)動(dòng)中，綠色的固定板保持靜止，而橙色的重物沿加速度軸彎曲。通過(guò)這種運(yùn)動(dòng)，電容值 C1 和 C2 會(huì)隨著固定板與重物之間距離的變化而變化。

圖 3：一種 MEMS 加速計(jì)電容器結(jié)構(gòu)的特寫(xiě)鏡頭。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）

在數(shù)量上，C1 和 C2 值的變化取決于電容器板之間的距離 d（圖 3）。

總結(jié)

當(dāng)設(shè)計(jì)師設(shè)法從移動(dòng)的物體提取更精確的信息時(shí)，同時(shí)使用 3D MEMS 加速計(jì)和陀螺儀，再輔以傳感器融合策略，可為運(yùn)動(dòng)和導(dǎo)航問(wèn)題提供一個(gè)可靠的解決方案。