·偏置不稳定性·角度随机游走(ARW)
光学陀螺具有速率积分的特性,由角速率随机白噪声积分引起的误差角增量具有随机游动的特性,这一误差被称为光学陀螺的角度随机游走(ARW)。
这一误差的主要来源是:光子的自发辐射、探测器的散粒噪声、机械抖动;另外,其它相关时间比采样时间短得多的高频噪声,也引起光学陀螺的角度随机游走。
对于采用抖动偏频的激光陀螺来说,由于交变偏频使激光陀螺频繁通过锁区,产生较大的角度随机游走误差,该误差成为激光陀螺的主要误差源。角度随机游走噪声的带宽一般低于 10Hz,处于大多数姿态控制系统的带宽之内。因此,若不能精确确定角度随机游走,它有可能成为限制姿态控制系统精度的主要误差源。
总之,在理想情况下,校正漂移需要两个基准。
(1)一开始便在设计中使用偏置不稳定性最小的先进 IMU,可以最直接地降低陀螺仪漂移。九自由度 IMU 通常会提供额外的磁力计传感器——大约三轴。磁力计检测磁场相对于地磁北极的强度。此类传感器可以与加速度计数据一同使用,作为另一个外部基准,用来降低陀螺仪漂移误差对偏航轴的影响。然而,设计适当的空间磁力计可能不如加速度计可靠,因为有很多东西会产生与地磁大小差不多的磁场。
(2)另一种更有效的长期漂移消除方法是对陀螺仪实施零角速度更新。只要知道器件处于完全静止状态,便可将相应轴的陀螺仪偏移归零。因具体应用不同,这样的机会有很大差异。但只要系统处于重复出现的安静状态,例如汽车怠速、自主机器人静止或人跨脚步之间的时间,就可以进行归零调整。
MEMS 传感器的集成化趋势
MEMS 陀螺仪是常见的一种传感器,其具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高及测量范围大等优势。目前,最为常见的 MEMS 陀螺仪就是应用到无人机、智能手机、汽车及物联网等领域。
下面,就以无人机的飞控系统为例,来介绍 MEMS 陀螺仪集成加速度传感器未来的发展趋势。
MEMS 陀螺仪优势在于:(1)降低飞行器成本,促进市场应用蓬勃发展;(2)减少了无人机的重量,降低了功耗,提升了飞行时间;(3)通过 MEMS 技术集成更多传感器,有利于实现姿态的精确控制。
可以看到,MEMS 陀螺仪优势明显,但也存在一定局限性。相比、激光陀螺仪,MEMS 陀螺仪的零漂和精度较差都是其不足之处。
因此,集成化成为了 MEMS 陀螺仪的发展方向之一。
在飞控系统中,主要采用 MEMS 陀螺仪测量飞行过程中的俯仰角和滚转角,但一般需要配合 MEMS 加速度计,因为每种传感器都有一定的局限性。
陀螺仪与加速计最大的不同是,陀螺仪的量测数据比较偏向斜度、偏航等动态信息,在积分的过程中,由于零漂影响,必然会引进累计误差,积分时间越长,误差就越大。反而与重力、线性动作感测数据无关,陀螺仪多在侦测物体水平改变状态时较能达到效用,无法如加速度计对于物体移动或移动动能具较高的感测能力。那么,这就需要采用另一种 MEMS 加速度计来校正 MEMS 陀螺仪,由于 MEMS 加速度计没有积分误差,所以在相对静止的条件下可以校正 MEMS 陀螺仪的误差。两者集成之后,应用价值将大幅提升。
随着 MEMS 技术不断成熟,目前 MEMS 陀螺仪和加速度计已经集成在一起,通常称为 6 轴组合传感器。在此涉及的关键技术包括硬件(6 轴组合传感器)和软件(滤波算法、姿态 / 导航算法等)两部分。
艾睿电子官网 -Arrow.cn在售的ADXC1501就是陀螺仪和三轴加速度计的组合,为电子产品设计的稳定控制和其他高性能的应用要求同时提供偏航率和加速度信号。
产品原理框图如下:
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