分析稳定系统中的惯性MEMS的频率响应.PDF

分析稳定系统中的惯性 关，这些因素包括温度变化、电源变化、离轴旋转和线性加速 度（线性g 和整流g × g ）。校准的高质量陀螺仪，具有对线性 加速度的高抑制，使这些设备能够提供宽带角信息，作为对加 MEMS 的频率响应 速度计提供的低频信息的补充。 第三种类型的传感器是3 轴磁力计，它可以测量磁场强度。从 作者：Mark Looney 三个正交轴的磁场测量实现了相对于地球磁场本地方向的定 稳定系统简介 向角估算。当磁力计接近电机、显示器和其他动态磁场干扰源 时，管理其精度可能非常困难，但在适当情况下，它的角度数 无人飞行器安装的监控设备、海上微波接收机、车辆安装的红 据可作为来自加速度计和陀螺仪的数据的补充。虽然很多系统 外成像系统传感器以及其他仪器系统都需要具有稳定的平台， 仅使用加速度计和陀螺仪，但磁力计可以改进某些系统的测量 以达到最佳性能，但它们通常在可能遇到振动和其他类型不良 精度。 运动的应用中使用。振动和正常车辆运动会导致通信中断、图 像模糊以及其他很多行为，从而降低仪器的性能和执行所需功 图2 的整体框图显示了如何使用陀螺仪和加速度计测量，既利 能的能力。平台稳定系统采用闭环控制系统，以主动消除此类 用它们的基本优势，同时又最大程度减少它们的弱点产生的影 运动，从而保证达到这些仪器的重要性能目标。图1 是平台稳 响。低通加速度计和高通陀螺仪滤波器的极点位置通常取决于 定系统的整体框图，它使用伺服电机来校正角向运动。反馈传 应用，另外精度目标、相位延迟、振动和“正常”运动预测都 感器为仪器平台提供动态方位信息。反馈控制器处理这些信 会对位置决定产生影响。因系统而异的行为也会影响加权因 息，并将其转换为伺服电机的校正控制信号。 子，而加权因子会对如何组合这两种测量产生影响。扩展卡尔 曼滤波器就是一个组合滤波和加权函数以计算动态角度估计 的算法的例子。 图1. 基本平台稳定系统。 由于很多稳定系统需要多个轴向的主动校正，因此惯性测量单 元 （IMU ）通常包括至少三个轴向的陀螺仪（测量角速度）和 三个轴向的加速度计（测量加速度和角定向）来提供反馈检测 功能。反馈传感器的最终目标是提供平台定向的精确测量，即 图2. 组合单轴传感器输出。 使当平台正在运动时也要做到。由于没有“万能”传感器技术 能够在任何条件下提供精确的角度测量，因此平台稳定系统中 MEMS IMU 频率响应分析 的IMU 通常在每个轴上使用两种或三种传感器类型。 围绕新的MEMS IMU 开发稳定系统时，在系统设计早期阶段 加速度计响应每个轴向上的静态和动态加速。“静态加速度” 了解频率响应是非常重要的，因为 IMU 的频率响应将对控制 似乎是一个陌生的词汇，但它涉及重要的传感器行为：对重力 器设计产生直接影响，可以帮助识别潜在稳定性问题—特别是 的响应。假定不存在动态加速，并通过校准消除了传感器误差， 在考虑到新一代设计的高带宽解决方案时。这些信息对于预测 则每个加速度计输出将代表它的相对于重力的轴定向。为了确 陀螺仪的振动响应也非常有用。 定在存在振动和快速加速的情况下稳定系统中通常出现的实 评估IMU 带宽的一种策略是确定哪些信息在产品文档中提供， 际平均定向，通常