误入歧途的陀螺仪

问题:

我听说陀螺仪航向的漂移误差可能会随时间推移而累积。我的IMU会发生这种问题吗?

RAQ:Issue 139

答案:

测量角速率的MEMS陀螺仪有多个误差贡献因素,偏置不稳定性是其中之一。然而,与提供增强性能的分立器件相比,惯性测量单元(IMU)具有多方面优势。六自由度IMU由多个惯性MEMS传感器组成,这些传感器经过温度补偿和校准,对齐在正交轴上。内置三轴陀螺仪测量绕一个已知点的旋转,而三轴加速度计测量位移。后处理步骤利用数字信号处理器或微控制器执行,从而在内部实现传感器融合。

陀螺仪会受偏置不稳定性影响,由于器件固有的不足和噪声,陀螺仪的初始零点读数会随时间漂移。偏置可重复性可以在IMU的已知温度范围内进行校准。然而,恒定偏置不稳定性的积分会引起角度误差。此类误差会随着陀螺仪旋转或角度估计的长期漂移而累积。漂移的不良后果是航向计算的误差会持续增加而不减退。加速度计则相反,其对振动和其他非重力加速度敏感。

引起陀螺仪漂移的主要原因是两个因素的结合:一个是慢速变化的接近DC的变量,称为偏置不稳定性;另一个是较高频率的噪声变量,称为角度随机游走(ARW)。这些参数的大小用每单位时间的旋转角度来衡量。偏航轴对此漂移最为敏感。俯仰(姿态)和滚动轴的相当一部分陀螺仪漂移可以在IMU内部予以消除,即利用加速度计的反馈结果监控相对于重力的位置。在IMU内部利用低通或卡尔曼滤波器对陀螺仪输出进行滤波,也是广泛采用的消除部分漂移误差的方法。

理想情况下,校正所有轴的陀螺仪漂移需要两个基准。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。

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。

当然,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。要测量陀螺仪的恒定偏置误差,可以在器件未旋转时,获取输出在较长时间内的平均值。IMU艾伦方差曲线显示陀螺仪漂移(每小时旋转度数)与积分时间(τ)的关系。它一般是以对数-对数比例尺绘制的。ADIS16490是ADI高性能战术级IMU产品系列中的最新产品。ADIS16490的运动中偏置稳定度仅为每小时1.8°。参见图1所示的ADIS16490艾伦方差曲线,1小时点(3600秒)对应的误差为1.8°。

Figure 1
图1.ADIS16490陀螺仪艾伦方差根

作者

Ian-Beavers-blue

Ian Beavers

Ian Beavers是ADI公司(美国北卡罗来纳州格林斯博罗)高速模数转换器团队的应用工程师。他于1999年加入公司。他拥有超过18年的半导体行业工作经验。他于美国北卡罗来纳州立大学获得电气工程学士学位和北卡罗来纳大学格林斯博罗分校MBA学位。他是EngineerZone®高速ADC支持社区的会员。如有任何问题,请到ADI公司EngineerZone在线技术支持社区发送给IanB。