如何选择合适的惯性传感器？

作者：大象暴走CAR
2020-03-27 11:09
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　　在做惯性导航模块或者飞控的时候第一件事就是器件的选取，这个是第一步也是很重要的一步，因为他不仅关系到硬件成本还关乎到你最终产品的性能。

　　IMU是一个集成的传感器套件，结合了多个加速度计和陀螺仪，可以相对于惯性参考系进行比力和角速度的三维测量。然而，近年来，IMU一词已成为一个统称，用于描述各种惯性系统，包括姿态航向参考系统（AHRS）和INS。IMU本身不提供任何类型的导航解决方案（位置、速度、姿态）。INS集成了内部IMU的测量，提供导航解决方案。

　　通常情况下，惯性传感器可以分为以下三个性能类别。

　　航海级和导航级惯导系统：大型、准确且昂贵

　　航海级惯导系统是商用最高级别的传感器，用于船舶、潜艇，偶尔用于航天器上。该系统可提供漂移小于1.8km/天的无辅助导航解决方案。这些传感器的成本高达100万美元。

　　导航级惯导系统的性能略低于航海级惯导系统，通常用于商用客机和军用飞机。其漂移量小于1.5km/h，其价格高达10万美元。

　　战术级和工业级惯性传感器：对于主力应用价值很高

　　战术级和工业级传感器是这三类传感器中最为多样化的，可解决各种性能和成本情况，其市场机遇是巨大的。该类别用于许多需要以较低成本获得高性能数据以实现大量生产的应用，常见于自动割草机、送货机器人、无人机、农业机器人、移动工业机器人和自主航行船舶。虽然成本较低，但购买者需要在准确性、性能、尺寸和质量方面付出代价。

　　汽车级和消费级传感器：商品应用

　　在商业市场上，IMU的最低等级被称为汽车级。这些传感器通常以单独的加速度计或陀螺仪的形式出售。许多公司已经开始将来自不同制造商的多个加速计和陀螺仪结合起来，以创建独立的IMU单元。即使与GPS等其他导航系统集成在一起，汽车级IMU也不够精确，不足以用于惯性导航。这些传感器常用于悬架系统、安全气囊、防抱死制动系统、娱乐系统和其他类似应用。这是所有传感器中成本最低的，每个传感器约为100美元。

　　而具体选取传感器件时，无外乎要关注如下3个方面，然后根据需求进行选择。

　　1、传感器的精度参数

　　2、传感器对应的价格且是否好购买

　　3、对应的硬件设计难度

　　陀螺仪的选取：

　　下面介绍几个在陀螺仪选取过程中比较关注的几指标：

　　1、量程

　　量程是我们在选用传感器的时候首先就要确定的！你选的传感器的是用来干什么的，一般的飞控，惯导系统选择在300度/s，450度/秒就可以了，其他的根据自己的使用场景做选择，比如说一些高精度平台要的量程小一点对应的精度会高一些。

　　2、零偏稳定性

　　零偏是指陀螺仪在零输入状态下的输出，其用较长时间输出的均值等效折算为输入角速率来表示，也就是观测值围绕零偏的离散程度，比如0.005degree/sec表示每秒会漂0.005degree。在零输入状态下的长时间稳态输出是一个平稳的随机过程，即稳态输出将围绕均值（零偏）起伏和波动，习惯上用均方差来表示，这种均方差被定义为零偏稳定性。而初始零偏误差可以理解为静态误差，它不会随时间的波动，可以用过软件校准。

　　3、刻度因子（标度因数）

　　是指陀螺仪输出量与输入角速率的比值。这个比值是用一特定的直线斜率表示的，该直线是根据整个输入角速率范围内测得的输入、输出数据，用最小二乘法拟合求得可以用过软件校准。

　　4、角度随机游走

　　当陀螺仪处于零输入状态时，脱落的输出信号为白噪声和慢变随机函数的叠加。漫变随机函数可用来确定零偏和零偏稳定性指标，白噪声定义为单位检测带宽平方根下等价旋转角速度的标准偏差，单位（degree/sec/√Hz或degree/hr/√Hz）。这个白噪声也可以用单位为degree/√Hz的角度随意游走系数来表示，随机游走系数是指由白噪声产生的随时间积累的陀螺仪输出误差系数。当外界条件基本不变诗，可以认为上面所分析的各种噪声的主要统计特性是不随时间推移而变化的。

　　5、抗振性

　　对于陀螺仪的性能参数，大部分设计师第一个要关注的就是零偏稳定性，长久以来它被视为陀螺仪规格的绝对标准，毕竟它是描述陀螺仪分辨率的下限理所应当的是反应陀螺仪性能的最佳指标！然而实际中陀螺仪会因为各种原因出现误差导致用户无法获得与实验手册上宣称的指标参数。实际上很多性能参数都是可以在后续的校准算法中得到改善的如零偏，刻度因子，正交轴误差，温度漂移。

　　选择陀螺仪时，需要考虑将最大误差源最小化。在大多数应用中，振动敏感度是最大的误差源。其它参数可以轻松地通过校准或求取多个传感器的平均值来改善。零偏稳定性是误差预算较小的分量之一。

　　在理想状态下陀螺仪仅仅只需要测量旋转速率，但在实际的应用中所有的陀螺都有仪都有一定的加速度敏感度，加速度敏感度有多种外在表现，最显著的通常是对线加速度（g敏感度）或对振动的敏感度（g2敏感度），由于多数陀螺仪应用所处的设备是绕地球的1g重力场运动和/或在其中旋转，因此对加速度的敏感度常常是最大的误差源。

　　成本极低的陀螺仪一般采用极其简单紧凑的机械系统设计，抗振性能未经优化(它优化的是成本)，因而振动可能会造成严重影响。1000°/h/g(或0.3°/s/g)以上的g敏感度也不足为奇，比高性能陀螺仪差10倍以上!对于这种陀螺仪，零偏稳定性的好坏并无多大意义，陀螺仪在地球的重力场中稍有旋转，就会因为g和g2敏感度而产生巨大的误差。一般而言，此类陀螺仪不规定振动敏感度——默认为非常大。

　　当然在实际的一些应用中很多人会在器件中增加一个机械抗振件，抗振件的设计也不是一件简单的事，因为它在宽频率范围内的响应并不是平坦的，在低频时尤其差，并且其减震特性会随着温度和使用时间变化。

　　所以在大部分应用中陀螺仪的选取过程中抗振性是其中非常关键的指标了。