如何將3D加速計和陀螺儀組合使用

加速計和陀螺儀是獲取無人機、蜂窩電話、汽車、接收機和移動物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中加速和旋轉(zhuǎn)信息的傳感器選擇。但加速計和陀螺儀都容易有誤差，加速計可能出現(xiàn)噪音、陀螺儀可能出現(xiàn)漂移，因此要求設(shè)計師采用新穎的方法實現(xiàn)最高的精度。

方法之一是采用傳感器融合。本文將對加速計和陀螺儀進行獨立評估，以期發(fā)現(xiàn)這些噪聲和漂移誤差是如何發(fā)生的。接下來將介紹這兩種傳感器的示例，并說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

加速計用于測量對物體施加的所有線性力，單位是毫伏/克 (mV/g)。移動的物體會展現(xiàn)出動態(tài)運動，例如加速度，并持續(xù)受到重力這一靜態(tài)力。將加速計連接到物體上后，可以測量物體的加速度和作用于物體上的萬有引力。但隨著時間的推移，加速計容易出現(xiàn)位置誤差。

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

陀螺儀可提供物體角速度隨時間的變化率，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)測量物體的角度變化，但同加速計一樣，隨著時間的推移，陀螺儀也會出現(xiàn)穩(wěn)定增大的角度誤差。

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

作為加速計的 MEMS

單個 MEMS 加速計的結(jié)構(gòu)采用固定硅板以及用于響應(yīng)外力的機械彈簧（圖 2）。

圖 2：MEMS 加速計型號采用硅元件和機械元件，根據(jù)加速度的變化得出電容的變化。（圖片來源：HowToMechatronics.com）

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

圖 3：一種 MEMS 加速計電容器結(jié)構(gòu)特寫。（圖片來源：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）。