關(guān)于提升高性能陀螺儀的可靠性的方法介紹

長(zhǎng)久以來(lái)偏壓穩(wěn)定度被視為維持陀螺儀穩(wěn)定度的重要指標(biāo)，但在大多數(shù)的實(shí)際應(yīng)用中，振動(dòng)敏感度往往也是另個(gè)重要關(guān)鍵。因此，為提升陀螺儀穩(wěn)定性，須同時(shí)考量偏壓穩(wěn)定度及振動(dòng)敏感度。選擇陀螺儀時(shí)，須要考慮將最大誤差源最小化。在大多數(shù)應(yīng)用中，振動(dòng)敏感度是最大的誤差源。

其它參數(shù)可以輕松地透過(guò)校準(zhǔn)或求取多個(gè)感測(cè)器的平均值來(lái)改善。偏壓穩(wěn)定度是誤差預(yù)算較小的元素。

瀏覽高性能陀螺儀資料手冊(cè)時(shí)，多數(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)師關(guān)注的第一個(gè)要素是偏壓穩(wěn)定度規(guī)格。畢竟其描述的是陀螺儀的解析度下限，理所當(dāng)然是反映陀螺儀性能的最佳指標(biāo)。然而，實(shí)際的陀螺儀會(huì)因?yàn)槎喾N原因而出現(xiàn)誤差，使得使用者無(wú)法獲得資料手冊(cè)中宣稱的高偏壓穩(wěn)定度。的確，可能只有在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)才能獲得那么高的性能。傳統(tǒng)方法是借助補(bǔ)償來(lái)最大程度地降低這些誤差源的影響。本文將討論多種此類技術(shù)及其局限性。最后，我們將討論另一種替代范例--根據(jù)機(jī)械性能選擇陀螺儀，以及必要時(shí)如何提高其偏壓穩(wěn)定度。

1溫度補(bǔ)償克服環(huán)境誤差

所有中低價(jià)位的MEMS陀螺儀都有一定的時(shí)間，零點(diǎn)偏置和比例因數(shù)誤差，此外還會(huì)隨溫度而發(fā)生一定的變化。因此，對(duì)陀螺儀進(jìn)行溫度補(bǔ)償是很常見(jiàn)的做法。一般而言，陀螺儀整合溫度感測(cè)器之目的就在于此。溫度感測(cè)器的絕對(duì)精確度并不重要，重要的是可重復(fù)性及溫度感測(cè)器與陀螺儀實(shí)際溫度的緊密耦合?，F(xiàn)代陀螺儀的溫度感測(cè)器幾乎毫不費(fèi)力就能達(dá)到這些要求。

許多技術(shù)可以用于溫度補(bǔ)償，如多項(xiàng)式曲線擬合、分段線性近似等。只要記錄了足夠數(shù)量的溫度點(diǎn)，并且在校準(zhǔn)過(guò)程中采取充分措施，那么具體使用何種技術(shù)是無(wú)關(guān)緊要的。例如，在每個(gè)溫度的放置時(shí)間不足是一個(gè)常見(jiàn)的誤差源。然而，不管采用何種技術(shù)，無(wú)論有多細(xì)心，溫度遲滯，亦即透過(guò)冷卻與加熱達(dá)到某一特定溫度時(shí)的輸出之差，都將是限制因素。

圖1所示為陀螺儀ADXRS453的溫度遲滯回路。溫度從+25℃變?yōu)?130℃，再變?yōu)?45℃，最后回到+25℃，與此同時(shí)記錄未補(bǔ)償陀螺儀的零偏壓測(cè)量結(jié)果。加熱周期與冷卻周期中的+25℃零偏壓輸出存在細(xì)微的差異(本例中約為0.2o/s)，這就是溫度遲滯。此誤差無(wú)法透過(guò)補(bǔ)償來(lái)消除，因?yàn)闊o(wú)論陀螺儀上電與否，它都會(huì)出現(xiàn)。此外，遲滯的強(qiáng)度與所施加的溫度「激勵(lì)」量成比例。也就是說(shuō)，施加于元件的溫度范圍越寬，則遲滯越大。

圖1 隨著溫度循環(huán)(-45℃～130℃)的未補(bǔ)償ADXRS453零偏壓輸出

假如應(yīng)用裝置允許在啟動(dòng)時(shí)進(jìn)行零偏壓重置(即無(wú)旋轉(zhuǎn)時(shí)啟動(dòng))或者在現(xiàn)場(chǎng)將零偏壓歸零，則可以忽略此誤差。否則，這可能就會(huì)成為偏壓穩(wěn)定度的限制因素，因?yàn)槲覀儫o(wú)法控制運(yùn)輸或是儲(chǔ)存的條件。

2設(shè)置機(jī)械式抗振動(dòng)裝置改善敏感度

理想情況下，陀螺儀僅測(cè)量旋轉(zhuǎn)速率，無(wú)關(guān)其他。但實(shí)際應(yīng)用中，由于機(jī)械設(shè)計(jì)不對(duì)稱或微加工不夠精確，所有陀螺儀都有一定的加速度敏感度。事實(shí)上，加速度敏感度有多種外在表現(xiàn)，其嚴(yán)重程度因設(shè)計(jì)而異。最顯著的通常是對(duì)線性加速度的敏感度(或g敏感度)和對(duì)振動(dòng)校正的敏感度(或g2敏感度)。由于多數(shù)陀螺儀應(yīng)用所處的設(shè)備是繞地球的1 g重力場(chǎng)運(yùn)動(dòng)或在其中旋轉(zhuǎn)，因此對(duì)加速度的敏感度常常是最大的誤差源。

成本極低的陀螺儀一般采用極其簡(jiǎn)單緊湊的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)，抗振性能未經(jīng)優(yōu)化(它優(yōu)化的是成本)，因而振動(dòng)可能會(huì)造成嚴(yán)重影響。1000o/h/g(或0.3o/s/g)以上的g敏感度也不足為奇，比高性能陀螺儀差10倍以上。對(duì)于這種陀螺儀，偏壓穩(wěn)定度的好壞并無(wú)多大意義，陀螺儀在地球的重力場(chǎng)中稍有旋轉(zhuǎn)，就會(huì)因?yàn)間和g2敏感度而產(chǎn)生巨大的誤差。一般而言，此類陀螺儀不規(guī)定振動(dòng)敏感度被認(rèn)為非常大。

較高性能的MEMS陀螺儀則好得多。表1列出幾款高性能MEMS陀螺儀之規(guī)格。對(duì)于這一類別中的多數(shù)陀螺儀，g敏感度為360o/h/g(或0.1o/s/g)，某些低于60o/h/g，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于極低成本的陀螺儀。但是，對(duì)于小到150mg(相當(dāng)于8.6o傾斜)的加速度變化，即使其中最好的陀螺儀也會(huì)超出其額定偏壓穩(wěn)定度。

有些設(shè)計(jì)師試圖利用外部加速度計(jì)來(lái)補(bǔ)償g敏感度(通常是在IMU應(yīng)用中，因?yàn)樗璧募铀俣扔?jì)已經(jīng)存在)，這在某些情況下確實(shí)可以改善性能。然而，由于多種原因，g敏感度補(bǔ)償無(wú)法獲得完全的成功。大多數(shù)陀螺儀的g敏感度會(huì)隨著振動(dòng)頻率變化而變化。圖2顯示了Silicon Sensing CRG20-01陀螺儀對(duì)振動(dòng)的回應(yīng)。

圖2 CRG20-01對(duì)不同正弦音頻的g敏感度響應(yīng)

值得注意的是，雖然陀螺儀的敏感度在額定規(guī)格范圍內(nèi)(在一些特定頻率處略有超出，但這些可能不重要)，但從DC到100Hz，其變化率為12:1，因此無(wú)法簡(jiǎn)單地透過(guò)測(cè)量DC時(shí)的敏感度來(lái)執(zhí)行校準(zhǔn)。確實(shí)，要求根據(jù)頻率改變敏感度的補(bǔ)償方案將非常復(fù)雜。

圖3所示為ADXRS646陀螺儀在相似條件下的響應(yīng)。有些陀螺儀會(huì)比其他陀螺儀易于進(jìn)行g(shù)敏感度補(bǔ)償。但不幸的是這項(xiàng)資訊幾乎從來(lái)不會(huì)出現(xiàn)在資料手冊(cè)當(dāng)中，必須由使用者自行去發(fā)掘，往往極耗心力，但在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，常常沒(méi)有時(shí)間等待驚喜出現(xiàn)。

圖3 ADXRS646對(duì)隨機(jī)振動(dòng)(15g rms，0.11g2/Hz)的g敏感度響應(yīng)，1600Hz濾波

另一個(gè)困難是將補(bǔ)償加速度計(jì)與陀螺儀的相位響應(yīng)相匹配。假如陀螺儀的相位響應(yīng)與補(bǔ)償加速度計(jì)沒(méi)有良好的匹配，那么高頻率振動(dòng)誤差實(shí)際上可能會(huì)被放大。由此便可得出另一個(gè)結(jié)論：對(duì)于大多數(shù)陀螺儀，g敏感度補(bǔ)償僅在低頻時(shí)有效。

振動(dòng)校正常常不作規(guī)定，原因可能是差得令人尷尬，或是不同裝置差異巨大。也有可能只是因?yàn)橥勇輧x生產(chǎn)廠商不愿意測(cè)試或是設(shè)定所導(dǎo)致的(公平的來(lái)說(shuō)，測(cè)試可能比較困難)。不論是何者，振動(dòng)校正必須引起注意，因?yàn)樗鼰o(wú)法以加速度計(jì)進(jìn)行補(bǔ)償。不同于加速度計(jì)響應(yīng)，陀螺儀的輸出誤差會(huì)被校正。

要改善g2敏感度，最常見(jiàn)的策略就是增加一組機(jī)械式抗振動(dòng)設(shè)置，例如圖4中所示。圖中為從金屬帽殼封裝中部份移出的Panasonic汽車陀螺儀。此一陀螺儀元件以橡膠抗振動(dòng)設(shè)置與金屬帽殼隔離。

圖4 典型的抗振動(dòng)設(shè)置

抗振動(dòng)設(shè)置非常難以設(shè)計(jì)，因?yàn)樗趯掝l率范圍內(nèi)的響應(yīng)并不是平坦的(低頻時(shí)尤其差)，而且其減振特性會(huì)隨著溫度和使用時(shí)間而變化。與g敏感度一樣，陀螺儀的振動(dòng)校正響應(yīng)可能會(huì)隨著頻率而不同。雖然可以成功設(shè)計(jì)出抗振動(dòng)設(shè)置，以衰減得知頻譜下的窄頻振動(dòng)，但這一的類抗振設(shè)置也不適合應(yīng)用于寬頻振動(dòng)。

3機(jī)械濫用引起之主要問(wèn)題

應(yīng)用中會(huì)發(fā)生常規(guī)性短期濫用事件，這些濫用雖然不致于損傷陀螺儀，但會(huì)產(chǎn)生較大誤差。下面列舉幾個(gè)例子。

有些陀螺儀可以承受速率超載而不會(huì)表現(xiàn)異常。圖5顯示Silicon Sensing CRG20陀螺儀對(duì)超出額定范圍大約70%的速率輸入的響應(yīng)。左邊的曲線顯示的是旋轉(zhuǎn)速率從0o/s變?yōu)?00o/s再保持不變時(shí)CRS20的響應(yīng)情況；而右邊的曲線則顯示輸入速率從500o/s降為0o/s時(shí)該元件的響應(yīng)情況。當(dāng)輸入速率超出額定測(cè)量范圍的時(shí)候，輸出在軌對(duì)軌之間紊亂地?cái)[動(dòng)。

圖5 CRG-20對(duì)500o/s速率輸入的響應(yīng)

有些陀螺儀在遭遇哪怕只有數(shù)百g的沖擊的時(shí)后，也會(huì)表現(xiàn)出「鎖定」傾向。例如，圖6顯示的是VTI SCR1100-D04在受到250g 0.5ms沖擊時(shí)的響應(yīng)情況(讓5mm鋼球以40cm高度落在陀螺儀旁邊的PCB上)。

圖6 VTI SCR1100-D04對(duì)250g、0.5ms沖擊的響應(yīng)

陀螺儀未因沖擊而損壞，但它不再回應(yīng)速率輸入，須要關(guān)斷再上電以重新啟動(dòng)。這并非罕見(jiàn)的現(xiàn)象，多種陀螺儀都存在類似的行為。這對(duì)即將考慮使用的陀螺儀是否能承受應(yīng)用中的沖擊是明智的。

顯然，此類誤差將大得驚人。因此，必須仔細(xì)找出特定應(yīng)用中可能存在哪些濫用情況，并且驗(yàn)證陀螺儀是否能承受得住。

4誤差預(yù)算之計(jì)算

如上所述，多數(shù)陀螺儀應(yīng)用中都存在運(yùn)動(dòng)或振動(dòng)情況。利用上文所示的資料手冊(cè)所列規(guī)格(如果沒(méi)有規(guī)定振動(dòng)校正特性，則使用保守的估計(jì)值)，表2列出了表1所示陀螺儀在不同應(yīng)用中的典型誤差預(yù)算。從表3可以看出，增加g敏感度補(bǔ)償方案后，雖然抗振性能提高了半個(gè)數(shù)量級(jí)，但振動(dòng)敏感度仍然是一個(gè)遠(yuǎn)大于零、偏穩(wěn)定性的誤差來(lái)源。

平均值為降低誤差新選擇

在誤差預(yù)算中，偏壓穩(wěn)定度是最小的元素之一，因此選擇陀螺儀時(shí)，更為合理的做法是考慮將最大誤差源最小化。在大多數(shù)應(yīng)用中，振動(dòng)敏感度是最大的誤差源。然而，有時(shí)用戶可能仍然希望獲得比所選陀螺儀更低的雜訊或更好的偏壓穩(wěn)定度。幸運(yùn)的是，目前有辦法來(lái)解決這一問(wèn)題，那就是求平均值。

不同于設(shè)計(jì)相關(guān)的環(huán)境或者是振動(dòng)誤差，多數(shù)陀螺儀的偏壓穩(wěn)定度誤差具有雜訊特性。也就是說(shuō)，不同元件的偏壓穩(wěn)定度是不相關(guān)的。因此，可通過(guò)求取多個(gè)元件的平均值來(lái)改善偏壓穩(wěn)定度性能。如果對(duì)n個(gè)元件求平均值，則期望的改善幅度為√n。寬頻雜訊也可以透過(guò)類似的求平均值方法予以改善。

長(zhǎng)久以來(lái)，偏壓穩(wěn)定度被視為陀螺儀規(guī)格的絕對(duì)標(biāo)準(zhǔn)，但在實(shí)際應(yīng)用中，振動(dòng)敏感度常常是限制性能的更嚴(yán)重因素。根據(jù)抗振能力選擇陀螺儀是合理的，因?yàn)槠渌麉?shù)可以輕松地透過(guò)校正或?qū)Χ鄠€(gè)感測(cè)器求平均值來(lái)改善。