提高IMU性能的四種方法分享

Microstrain提高IMU性能的四種方法

微機電系統（MEMS）陀螺儀和加速度計比以往任何時候都更小、更輕、更強大。目前最先進的芯片比十年前有了飛躍性的進步，使得集成了這些傳感器的低成本 MEMS 慣性測量單元（IMU）可以提供與戰術級系統相媲美的性能，而這些系統以前只能在昂貴的高端應用中找到。

盡管性能有了大幅提升，但 MEMS 慣性測量單元仍有一些獨特的特性需要用戶注意。通過在系統中考慮這些特性并遵循良好的 IMU 數據實踐，可以確保您的應用獲得最佳性能。

以下是一些提高慣性傳感器性能的小竅門：

PART.01

?使?MEMS IMU 免受振動影響?

將 MEMS 與不必要的振動隔離開來對于獲得精確的測量結果至關重要。用戶通常對系統的整體運動（如車輛軌跡）感興趣，而對測量振動不感興趣。振動有多種來源：系統組件（如電機）、傳感器所連接結構因地形運動而產生的共振，甚至是附近人員行走產生的振動。通過深思熟慮地將 IMU 安裝在隔振平臺上，可以最大限度地減少這些影響，提高傳感器性能。振動隔離不僅對數據準確性非常重要，還能提高系統的使用壽命。即使是最堅固耐用的 IMU 也包含敏感元件，暴露在高沖擊事件中可能會損壞這些元件。

MEMS傳感器在振動時也會產生噪聲成分，稱為振動整流誤差（Vibration Rectification）。也就是說，振蕩振動信號會在傳感器輸出中整流為不理想的偏移，出現虛假的直流分量，從而對測量精度產生不利影響。通過最大限度地減少 IMU 上的振動，就能最大限度地減少誤差并提高整體系統性能。

將 MEMS 與不必要的振動隔離開來對于獲得精確的測量結果至關重要。用戶通常對系統的整體運動（如車輛軌跡）感興趣，而對測量振動不感興趣。振動有多種來源：系統組件（如電機）、傳感器所連接結構因地形運動而產生的共振，甚至是附近人員行走產生的振動。通過深思熟慮地將 IMU 安裝在隔振平臺上，可以最大限度地減少這些影響，提高傳感器性能。振動隔離不僅對數據準確性非常重要，還能提高系統的使用壽命。即使是最堅固耐用的 IMU 也包含敏感元件，暴露在高沖擊事件中可能會損壞這些元件。

MEMS傳感器在振動時也會產生噪聲成分，稱為振動整流誤差（Vibration Rectification）。也就是說，振蕩振動信號會在傳感器輸出中整流為不理想的偏移，出現虛假的直流分量，從而對測量精度產生不利影響。通過最大限度地減少 IMU 上的振動，就能最大限度地減少誤差并提高整體系統性能。

PART.02

?定期捕捉陀螺偏差?

所有陀螺儀都會受到各種效應的影響，從而導致其開啟偏置或在沒有輸入旋轉時輸出非零偏移的變化。這種誤差在 MEMS 傳感器中更為明顯，這也是 MEMS 傳感器目前不能用于 "陀螺羅盤 " （gyrocompass利用擺式陀螺的特性尋找和指示真北向的儀表）的原因。

如果您使用的是姿態和航向參考系統 (AHRS) 或慣性導航系統 (INS)，這些設備中的濾波算法會實時估算這一偏差，但濾波器需要一定時間（有時需要幾分鐘）才能確定準確的偏差值。如果您使用的是基礎的 IMU 來讀取角速率測量值，它將無法估算出這一偏差。在這兩種情況下，最好定期捕捉這一偏差，因為這樣做可以優化設備的性能。

捕捉偏差要求設備在捕捉期間保持靜止。在此過程中，任何振動源（如汽車發動機）也必須關閉。在 Parker 的 MicroStrain 設備中，您可以使用 SensorConnect 應用程序或 MIP SDK 啟動捕獲。幾秒鐘后，設備將估算出偏差并將其存儲在內部存儲器中。定期執行此操作是消除應用中陀螺儀老化效應的最佳方法。捕捉這一偏差，因為這樣做可以優化設備的性能。

進行積分時，使用積分的delta-theta（Δθ）和delta-velocity（ΔV），而不是原始角速率和加速度

當今的 MEMS IMU 數據傳輸率很高，能達到 1 kHz 或更高！如果您正在設計一個需要對角速率和加速度信息進行數學積分的系統，例如導航濾波器，那么直接使用角速率和加速度輸出可能很有吸引力。這些值的單位大家都很熟悉，如果查看標準物理方程，就會發現它們被直接列舉出來（例如 F = ma）。但是，IMU 通常會輸出一組更有用的不同量：角速率的時間積分（稱為 delta-thetaΔθ）和加速度的時間積分（稱為 delta-velocityΔV）。

使用這些數據而不是瞬時數據的好處如下：

這些積分包含了設備在實際運動中旋轉和加速時所受到的復雜的錐形和搖櫓（coning and sculling）效應?？紤]到這些效應，即使在最大速率下，Δθ和 ΔV值也比典型的瞬時值積分更為精確。

由于 IMU 以最快的速率為您進行積分，因此您可以以更低的速率請求這些值，從而節省系統寶貴的 CPU 循環周期。例如，如果設備以 1,000 Hz 的頻率報告數據，但您的濾波器只需要 50 Hz 頻率的信息，那么通過使用這些積分，您可以節省 20 倍的計算量，同時提高精度。精度的提高來自于 IMU 以最大速率捕捉動態，同時考慮到錐形和搖櫓（coning and sculling）效應。

PART.03

?注意時間同步?

在您的 IMU 使用過程的某個階段，您可能會了解到時間就是一切！準確的時間戳和時間對準的重要性往往在產品開發后期常被忽視。如果您沒有考慮到這一點，而您的系統又沒有按照預期運行，那么您可能現在才發現問題所在。

時間同步不準確會導致慣性測量出現明顯的比例因子誤差。例如，當系統時鐘與 IMU 時鐘不同步時，時鐘之間的漂移會造成微小的誤差累積，其效果就像IMU 的角速率和加速度輸出乘以一個錯誤的比例因子。隨著系統動態性能的提高，這種誤差也會隨之增大。

應用要求越高，時間調整就越重要。

有兩種方法可以緩解這種情況：使用精確基準（硬件脈沖或其他）對系統中的所有時鐘進行校準，并通過算法補償任何不對齊的事件；或者使用能夠生成事件數據的 IMU。第一種方法很常見，但在有許多組件的系統中實施起來往往相當復雜。MicroStrain 在 3DM-CV7-AHRS 中增加了第二種方法，以幫助我們的客戶滿足嚴格的定時需求。

有了事件驅動的 IMU，硬件輸入脈沖可以生成軟件信息（反之亦然），從而使以前難以處理的事件得到很好的處理。例如，在視覺里程測量中，了解從一個相機幀到下一個相機幀的集成 IMU 輸出非常重要。如果沒有事件驅動的 IMU，這可能會變得相當棘手，但有了事件驅動的 IMU，就會變得非常簡單：將攝像頭的快門輸出引腳連接到 IMU，并對其進行配置，以便在接收到脈沖時提供 Δθ和 ΔV 輸出。這樣就能獲得與相機生成的圖像一致的精確積分，從而大大簡化了該領域的時間校準問題。反過來，事件驅動式 IMU 可以在數據量有效時產生脈沖，用于驅動硬件（如攝像頭）上的捕捉事件，并保持同樣嚴格的時間對齊。

通過遵循這些簡單的提示，您可以提高 IMU 性能，讓您的投資發揮最大效益。

審核編輯：黃飛

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