對(duì)于復(fù)雜且高動(dòng)態(tài)慣性配置的MEMS IMU應(yīng)用，評(píng)估功能時(shí)需要考慮許多屬性。在設(shè)計(jì)周期早期評(píng)估這些屬性優(yōu)于追逐開(kāi)放性成果，從而實(shí)現(xiàn)“盡可能精確”。ADI近期舉行的在線研討會(huì)【適合高要求應(yīng)用的高性能MEMS IMU解決方案】概述了這些屬性以及關(guān)鍵應(yīng)用條件。

什么是IMU？

它代表慣性測(cè)量單元。 當(dāng)有人提到這個(gè)縮寫(xiě)名稱時(shí)，我們先看一下傳感器功能，它們能做什么。 想象一個(gè)笛卡爾坐標(biāo)系，形下圖所示，具有x軸、y軸和z軸，傳感器能夠測(cè)量各軸方向的線性運(yùn)動(dòng)，以及圍繞各軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 這就是所有慣性測(cè)量單元的根本出發(fā)點(diǎn)，所有慣性導(dǎo)航系統(tǒng)都是據(jù)此而構(gòu)建。

這些器件帶有一個(gè)三軸加速度計(jì)，顯然這是指x軸、y軸和z軸。 加速度計(jì)會(huì)測(cè)量線性速度的變化，也會(huì)響應(yīng)重力。

IMU中傳感器的功能

加速度計(jì)會(huì)根據(jù)其方向而對(duì)重力作出響應(yīng)，如左圖所示，這使得我們能夠基于非常簡(jiǎn)單的三角公式估算其方向。 利用arcsin公式，我們可以使用一個(gè)軸，而利用arctan公式，我們可以將笛卡爾坐標(biāo)系中兩個(gè)彼此正交的軸合并。

二者的主要區(qū)別在于：arcsin方法能夠測(cè)量+/- 90度，而arctan方法能夠測(cè)量+/- 180度，也就是全部360度，這樣您將知道您在哪一個(gè)象限。

陀螺儀對(duì)旋轉(zhuǎn)角速率進(jìn)行積分，您就能估算角位移。 大致上說(shuō)，加速度計(jì)具有很好的長(zhǎng)期偏置穩(wěn)定性和長(zhǎng)期精度，但會(huì)對(duì)線性振動(dòng)作出響應(yīng)。 當(dāng)進(jìn)行角度估計(jì)時(shí)，線性振動(dòng)會(huì)表現(xiàn)出來(lái)，有時(shí)候需要濾波，這會(huì)給其他方面帶來(lái)負(fù)擔(dān)，或者有時(shí)候振動(dòng)太高，超出加速度計(jì)測(cè)量范圍，從而完全破壞角度估計(jì)。

因此，陀螺儀沒(méi)有對(duì)線性振動(dòng)的一階響應(yīng)，但因?yàn)樗鼘?duì)輸出進(jìn)行積分，所以任何偏置誤差都會(huì)轉(zhuǎn)換為角度估計(jì)的漂移。 任何系統(tǒng)的基本調(diào)整空間在于使用此類(lèi)傳感器的根本出發(fā)點(diǎn)。 加速度計(jì)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性更好，但易受振動(dòng)影響。 陀螺儀不易受振動(dòng)影響，但長(zhǎng)期穩(wěn)定性較差，會(huì)導(dǎo)致估算更快地漂移。

IMU應(yīng)用實(shí)例：工業(yè)檢查系統(tǒng)

想象屏幕上方的灰色條是生產(chǎn)車(chē)間的天花板。 天花板安裝了某種攝像或照相設(shè)備，該設(shè)備檢視其視場(chǎng)下方的生產(chǎn)線中的物件。 再想象某個(gè)東西進(jìn)入視場(chǎng)，停留適當(dāng)?shù)臅r(shí)間以供拍照，然后移動(dòng)到工藝的下一部分。

攝像頭的目標(biāo)是在檢視對(duì)象上分辨出特定物理屬性。 很顯然，它離地必須足夠高，以便其視場(chǎng)能涵蓋整個(gè)對(duì)象，但又不能過(guò)高以致圖像失真。 在此類(lèi)場(chǎng)景中，工廠中的叉車(chē)、大量人員和其他機(jī)械的行走會(huì)引起此類(lèi)設(shè)備擺動(dòng)，圖中的紅色虛線反映了這種情況，擺動(dòng)的最大角度用希臘字母φ加下標(biāo)SW表示。

圖中所示的情況與實(shí)際發(fā)生的情況相比有些夸大，但把虛線端部與理想的攝像機(jī)視場(chǎng)中心相比較非常重要，因?yàn)樵谶@個(gè)特定應(yīng)用中，失真可以與線性位移聯(lián)系起來(lái)，也就是底部的變量dsw。 最終，該檢查系統(tǒng)的質(zhì)量取決于您能把dsw和φsw項(xiàng)縮小到什么程度。

知道該類(lèi)運(yùn)動(dòng)存在并考慮物理位移與實(shí)際角度擺動(dòng)位移之間的簡(jiǎn)單幾何關(guān)系，您就可以把它表示成物理術(shù)語(yǔ)，并與系統(tǒng)的實(shí)際參數(shù)聯(lián)系起來(lái)。

假設(shè)檢查一塊塑料，要求它恰好為12英寸長(zhǎng)，誤差為+/-0.5英寸。 因此，攝像機(jī)視場(chǎng)的分辨率必須在0.5英寸以內(nèi)，由此可以反推出攝像機(jī)平臺(tái)的實(shí)際角度精度要求。

運(yùn)動(dòng)控制涉及各種各樣的應(yīng)用。 假設(shè)把攝像機(jī)，也就是攝像機(jī)上的實(shí)際成像元件，放在一個(gè)小型伺服電機(jī)上，它將能抵消擺動(dòng)效應(yīng)。 當(dāng)攝像機(jī)向左擺動(dòng)時(shí)，伺服電機(jī)向右擺動(dòng)，這樣，接收物件表面光線的成像元件實(shí)際上沒(méi)有運(yùn)動(dòng)，圖像就不會(huì)失真。 這就是成像穩(wěn)定技術(shù)， 現(xiàn)在已經(jīng)相當(dāng)普遍。 過(guò)去它只用在高端攝像機(jī)上，現(xiàn)在由于MEMS技術(shù)，大量數(shù)碼攝像機(jī)也已采用。

這是一個(gè)工業(yè)應(yīng)用示例，它有不同的誤差源需要考慮，但原理非常簡(jiǎn)單。 使用MEMS陀螺儀測(cè)量運(yùn)動(dòng)，然后經(jīng)過(guò)一系列數(shù)字信號(hào)處理，包括濾波、校準(zhǔn)和積分，以便估計(jì)擺動(dòng)角度，讓伺服系統(tǒng)知道要往回?cái)[動(dòng)多遠(yuǎn)。 這就是所謂閉環(huán)系統(tǒng)。

了解這些之后，對(duì)于此類(lèi)系統(tǒng)，我們就能知道這些誤差源對(duì)系統(tǒng)性能會(huì)有什么樣的影響。

再看原圖，實(shí)際上添加了兩條綠色虛線，這個(gè)窗口要窄得多。 紅線反映系統(tǒng)中實(shí)際發(fā)生的情況，綠線告訴我們控制系統(tǒng)穩(wěn)定攝像機(jī)的效果。

有了這些物理參照之后，為了使它有效，陀螺儀性能必須達(dá)到什么程度？ 回到之前的公式，不過(guò)現(xiàn)在是應(yīng)用于綠線，它代表執(zhí)行校正之后或控制環(huán)路全面運(yùn)行之后的殘余誤差。

在這張幻燈片中，最重要的一點(diǎn)是它讓我們能將系統(tǒng)的物理參數(shù)與傳感器指標(biāo)聯(lián)系起來(lái)。 如今的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)師必須不斷地考慮物理行為與傳感器特性兩方面，只有這樣才能作出最恰當(dāng)?shù)臎Q策。不僅是設(shè)計(jì)產(chǎn)品，甚至還要考慮概念和架構(gòu)決策，需要從何種等級(jí)的傳感器開(kāi)始以便成功實(shí)現(xiàn)特定應(yīng)用。 此類(lèi)考慮常常是富有成效的，因?yàn)樗軒椭鷱囊婚_(kāi)始就找準(zhǔn)設(shè)計(jì)思路。

我們都想要成本低至1美元、功耗只有1微安而且終身都保持最高精度的傳感器。 但現(xiàn)實(shí)是，利用目前的技術(shù)無(wú)法制造出這樣的產(chǎn)品。 現(xiàn)有解決方案的成本從不到1美元到10萬(wàn)美元不等。 對(duì)于手頭的設(shè)計(jì)任務(wù)，從一開(kāi)始就要考慮尋找最合適的傳感器。 上面提到過(guò)，關(guān)于運(yùn)動(dòng)檢測(cè)器件，最令人激動(dòng)的地方是我們能親眼看到它。 我可以在桌面上推動(dòng)玻璃杯， 我可以轉(zhuǎn)動(dòng)我的座椅， 這些都可以同我每天都要打交道的東西聯(lián)系起來(lái)，顯然很有幫助。

現(xiàn)在看一個(gè)真正重要的參數(shù)，并了解陀螺儀是如何規(guī)定的。IEEE規(guī)范通過(guò)許多方式來(lái)量化噪聲，但對(duì)于這個(gè)特定應(yīng)用，最合適的方式是查看角向隨機(jī)游動(dòng)。 藍(lán)色虛線顯示的是誤差相對(duì)時(shí)間的累積。 對(duì)于我們的攝像或成像系統(tǒng)，您可以確定圖像捕捉時(shí)間d有多長(zhǎng)？ 它是否意味著快門(mén)打開(kāi)的時(shí)間？ 它是否意味著器件停止以供攝像的時(shí)間？

您可以通過(guò)多個(gè)方面來(lái)把我們的應(yīng)用與此類(lèi)指標(biāo)聯(lián)系起來(lái)，這樣我們就可以開(kāi)始估計(jì)，在我們的時(shí)間范圍內(nèi)，其擺動(dòng)幅度有多大？ 在這個(gè)特定情形中，快門(mén)開(kāi)啟時(shí)間為0.1秒或100毫秒，對(duì)應(yīng)的誤差小于0.001度。

各類(lèi)IMU產(chǎn)品的區(qū)別在哪里

工業(yè)級(jí)MEMS技術(shù)是相對(duì)消費(fèi)級(jí)器件而言的，前者成本更高，但遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)光纖或環(huán)形激光陀螺儀技術(shù)。 這里將從消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)開(kāi)始，說(shuō)明我們所稱的技術(shù)差別。

從多個(gè)角度看，這種技術(shù)差異都是值得關(guān)注的，正如前面所說(shuō)的，目前市場(chǎng)上有很多應(yīng)用，包括大量可穿戴技術(shù)和手機(jī)等，其動(dòng)態(tài)角度估計(jì)能有幾度的分辨率精度就夠好了。 對(duì)于手機(jī)而言，若想知道圖片的哪個(gè)方向朝上，精度只要大約45度就可以了。 在手機(jī)上查看不同的東西或玩游戲時(shí)，常常也只需要3到5度的精度。

再看偏向于工業(yè)應(yīng)用的器件，您會(huì)要求其性能高出10倍以上，而且要能承受更惡劣的環(huán)境條件，這很重要。 使用成本不到10美元的器件時(shí)，年使用量可能是10，000只；再看工業(yè)級(jí)陀螺儀，使用量可能是數(shù)百只左右，成本可能是100美元，理解這一點(diǎn)很重要。

談?wù)摵?jiǎn)單運(yùn)動(dòng)和復(fù)雜運(yùn)動(dòng)時(shí)，想想它涉及到多少個(gè)軸。 我拿著手機(jī)，沿著一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，那么就是繞一個(gè)軸旋轉(zhuǎn)。 這是相對(duì)簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)。再想象有一輛無(wú)人駕駛汽車(chē)，沿著崎嶇的路面高速行駛。 很顯然，它會(huì)沿著各個(gè)方向跳動(dòng)，因此可以預(yù)期，所有三個(gè)軸方向上都有運(yùn)動(dòng)，不光是三個(gè)軸，還有線性和旋轉(zhuǎn)信息。 您會(huì)考慮需要什么樣的精度，還有應(yīng)用所處的條件。

從這里的說(shuō)明可以看出，消費(fèi)級(jí)設(shè)備在變得越來(lái)越好，但工業(yè)級(jí)設(shè)備也是如此。 隨著時(shí)間推移，某些應(yīng)用空間會(huì)成熟起來(lái)。 消費(fèi)級(jí)設(shè)備可能跟上一些發(fā)展，并且?guī)椭鉀Q許多需求，但總是存在一系列不斷發(fā)展的應(yīng)用需要更高的性能水平，而且會(huì)有項(xiàng)目來(lái)證明為此付出額外的成本是值得的。

大量研究都發(fā)現(xiàn)了這樣一個(gè)趨勢(shì)：偏置和其他重要參數(shù)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性與對(duì)傳感器中的機(jī)械應(yīng)力的管理好壞有關(guān)。 封裝已變得非常重要。 往手機(jī)中添加?xùn)|西時(shí)，需要把它做得盡可能小，成本盡可能低；不是任務(wù)需要的材料，每一微克都要從設(shè)備中去除。 自然，它們會(huì)更容易受物理應(yīng)力影響。 甚至把手機(jī)放到口袋這樣簡(jiǎn)單的事情也會(huì)導(dǎo)致封裝彎曲，改變其特性。 對(duì)于這些事情，工業(yè)級(jí)IMU至少會(huì)在一階上進(jìn)行處理。

核心傳感器知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)

下圖右上方是一個(gè)四諧振器內(nèi)核，ADXRS64X系列陀螺儀實(shí)際上就是采用這種內(nèi)核。 該四諧振器內(nèi)核提供兩種不同水平的線性抑制，我們稱之為器件的共模抑制。 這使它在振動(dòng)抑制方面實(shí)現(xiàn)了大跨越。 尤其是0.0001度/秒/g2這一數(shù)據(jù)，對(duì)許多傳統(tǒng)上需要數(shù)萬(wàn)美元解決方案才能上市的應(yīng)用而言，可謂關(guān)系重大。 現(xiàn)在，不到1，000美元的解決方案就能實(shí)現(xiàn)此類(lèi)性能。 它在面市時(shí)是非常令人激動(dòng)的，今天仍然很常用。

新一代傳感器技術(shù)，即右下方的彈性碟方法，是當(dāng)前產(chǎn)品的核心技術(shù)，ADXRS290和ADIS16460慣性測(cè)量單元均采用該技術(shù)。 利用多方面的工藝改進(jìn)和全新的機(jī)械架構(gòu)，我們得以降低噪聲和角向隨機(jī)游動(dòng)，這在前面的幻燈片中已予以說(shuō)明，其性能比我們過(guò)去的工業(yè)級(jí)產(chǎn)品線所采用的各種陀螺儀技術(shù)要高出4倍。

核心傳感器的典型性能差距在哪里？

針對(duì)消費(fèi)市場(chǎng)的MEMS IMU與針對(duì)工業(yè)市場(chǎng)的MEMS IMU進(jìn)行比較時(shí)，又會(huì)顯露出哪些重要特性？

＊ 跨軸靈敏度

＊ 線性振動(dòng)抑制

跨軸靈敏度

想象把一個(gè)IMU放在桌面上，并使它來(lái)回轉(zhuǎn)動(dòng)。 理論上，該運(yùn)動(dòng)只應(yīng)顯示在一個(gè)陀螺儀上，假設(shè)是z軸。 x軸和y軸陀螺儀對(duì)此不應(yīng)有所響應(yīng)。 然而，它們實(shí)際上會(huì)有所響應(yīng)，跨軸靈敏度反映的就是這種響應(yīng)的程度。 跨軸靈敏度還與這些器件在內(nèi)部的對(duì)齊程度有關(guān)。 除物理對(duì)齊外，還有電子校準(zhǔn)對(duì)齊。 就跨軸靈敏度而言，一般器件的典型值為2%，而針對(duì)工業(yè)市場(chǎng)的MEMS器件則是不到0.1%。 二者相差大約20倍，某些情況下您可以通過(guò)系統(tǒng)校準(zhǔn)來(lái)彌補(bǔ)，但它仍有封裝依賴性，當(dāng)封裝隨著時(shí)間而松弛時(shí)，跨軸靈敏度又會(huì)降低。 因此，針對(duì)要求終身保持高性能的應(yīng)用進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮這一10到20倍的性能差距。

線性振動(dòng)抑制

想象一下，讓搭載IMU的印刷電路板在同一張桌子上沿線性方向來(lái)回運(yùn)動(dòng)。理論上，陀螺儀僅測(cè)量角向運(yùn)動(dòng)，因此其響應(yīng)應(yīng)為0。 然而，由于器件制造的一些實(shí)際限制，所有MEMS陀螺儀對(duì)線性振動(dòng)都有一定程度的響應(yīng)。 如何規(guī)定和說(shuō)明這種響應(yīng)，對(duì)制造商而言是一個(gè)重要判斷點(diǎn)，很多時(shí)候根本不做規(guī)定。 即使做了規(guī)定，也不是在全頻率范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)定或規(guī)定。 一個(gè)器件可能有100 Hz的諧振頻率，若用一個(gè)grms激勵(lì)它，陀螺儀上可能顯示一個(gè)10度/秒信號(hào)，這會(huì)擾亂所有需要一定精度水平的測(cè)量，因?yàn)樗且粋€(gè)非模式化的誤差。 對(duì)此需要進(jìn)行非常細(xì)致的研究，這是非常重要的。

以典型方式把這些參數(shù)放在相關(guān)情形下進(jìn)行分析，紫色線表示速率噪聲密度。 速率噪聲密度代表器件完全靜止時(shí)的輸出噪聲。 橙色和紅色虛線表示我剛才討論的內(nèi)容。 這些是噪聲源，可能來(lái)自我們所稱的無(wú)關(guān)源，導(dǎo)航行業(yè)稱之為非模式化的能量源。 市場(chǎng)上可能有這樣的器件：一個(gè)器件的紫色線比另一個(gè)器件要低，但機(jī)械諧振和線性振動(dòng)響應(yīng)卻要高得多。

如果只看一個(gè)噪聲參數(shù)，可能會(huì)輕信這只陀螺儀更好，但實(shí)際上，您需要關(guān)注所有三個(gè)參數(shù)和線性振動(dòng)信息，甚至可能要估計(jì)軸上的旋轉(zhuǎn)量。 全面地看問(wèn)題，而不要片面地看問(wèn)題，確實(shí)非常重要。 從頻譜角度看，總噪聲就是曲線下方的面積。 在這一特定情形中，總能量顯然是以線性振動(dòng)響應(yīng)為主，但不同應(yīng)用會(huì)有不同的分析。 重要的是，在作出關(guān)于使用何種產(chǎn)品的長(zhǎng)期決策之前，務(wù)必注意這一點(diǎn)。

了解實(shí)際的測(cè)試信息非常重要。 數(shù)據(jù)手冊(cè)常常不提供此類(lèi)信息，需要您去詢問(wèn)。 多數(shù)公司開(kāi)設(shè)了論壇，您可以在其中提問(wèn)。 如果不能在論壇中詢問(wèn)，請(qǐng)通過(guò)銷(xiāo)售渠道查詢，能否找到生產(chǎn)線人員并咨詢。 否則可能會(huì)出問(wèn)題。 這里給出了兩個(gè)不同陀螺儀的響應(yīng)曲線，左邊是ADXRS290，右邊是一款主要針對(duì)消費(fèi)市場(chǎng)的器件。 雖然工業(yè)級(jí)器件經(jīng)受的振動(dòng)要高出3倍，但其性能仍然要高出10倍左右。 若把它放到上一張幻燈片中，計(jì)算曲線下的總能量，濾波需求將很可怕，帶寬會(huì)非常低，因?yàn)檫@會(huì)影響穩(wěn)定性控制。 所以，了解這些重要區(qū)別是極其重要的。

IMU機(jī)械設(shè)計(jì)如何避免設(shè)計(jì)陷阱

第一，根據(jù)現(xiàn)有的最佳建議開(kāi)始機(jī)械設(shè)計(jì)。 我們已經(jīng)看到，機(jī)械設(shè)計(jì)不當(dāng)會(huì)引起長(zhǎng)期漂移。 需要強(qiáng)調(diào)的是，如果把IMU安裝在不是針對(duì)它而設(shè)計(jì)的表面上，封裝上就會(huì)有應(yīng)力，進(jìn)而影響器件的行為。 對(duì)此您應(yīng)有所考慮。

第二個(gè)需要考慮的事項(xiàng)是：如何連接該器件？ 如果是嵌入式SPI產(chǎn)品，它本質(zhì)上是一個(gè)從機(jī)，您需要4條IO線來(lái)管理SPI接口。 您需要電源， 需要接地，有時(shí)還需要時(shí)鐘或數(shù)據(jù)就緒接口，但其實(shí)也就這么簡(jiǎn)單。 您需要考慮長(zhǎng)期系統(tǒng)的接口類(lèi)型。

第三是注意通信協(xié)議。 我們所有數(shù)據(jù)手冊(cè)都有簡(jiǎn)單的測(cè)試案例，您可以在環(huán)運(yùn)行，調(diào)試信號(hào)完整度、代碼、位序、時(shí)序等。 我們還有示例代碼，它可幫助您快速上手，但其在細(xì)節(jié)上有所不同。 它提供測(cè)試碼供您使用，您可以用示波器探頭排除各類(lèi)故障。 這也是大家都感興趣的一個(gè)方面。

第四起始代碼。利用這些代碼，您就能將器件連接到嵌入式處理器。

IMU機(jī)械設(shè)計(jì)故障排除技巧