MEMS陀螺仪的重要参数包括:量程(动态范围) DYNANMIC RANGE,分辨率(Resolution)、零角速度输出(零位输出)、灵敏度(Sensitivity)。这些参数是评判MEMS陀螺仪性能好坏的重要标志,同时也决定陀螺仪的应用环境。
下面我们把MEMS陀螺仪的主要性能参数列出来,并做简单介绍:
· 量程(动态范围) DYNAMIC RANGE
陀螺仪的量程通常以正、反方向输入角速率的最大值来表示,比如:+/-300 degree/sec。该值越大表示陀螺仪敏感角速率的能力越强,在此输入角速率范围内,陀螺仪刻度因子非线性度能满足规定要求,通常陀螺仪的量程是可以配置的。
· 灵敏度 (分辨率)SENSORTIVITY RESOLUTION
灵敏度(分辨率)表示在规定的输入角速率下能感知的最小输入角速率的增量,比如:0.05 degree/sec/LSB。一般而言MEMS陀螺仪的测量范围越大,灵敏度会相应降低。分辨率是指陀螺仪能检测的最小角速度,该参数与零角速度输出其实是由陀螺仪的白噪声决定。
零角速度输出(零位输出)ZERO OUTPUT
MEMS陀螺仪的误差主要包括零位误差和动态误差,一般重点对零位误差做处理。
零位误差又分为零值偏移误差和随机漂移误差,目前对MEMS陀螺仪零位误差的估算方法主要包括1σ和Allan方差两种方法。1σ方法得到的是误差的总体指标,Allan方差分析法可以对误差的各种成分进行有效的分析。目前对零值偏移误差的补偿方法比较简单,一般采用在静态条件下测定零值偏移常量,在应用中通常采用对其一次性的零值偏移补偿的方法。在陀螺仪长时间工作以及外界环境发生变化条件下,零值偏移量并非恒定值,所以这种简单的零值偏移误差补偿方法存在很大的缺陷。对陀螺仪的随机漂移误差补偿,目前常采用Kalman滤波的方法,因这种方法具有较好的实时性得到了广泛的引用,但是Kalman滤波法要求信号必须是平稳时间序列,且要知道信号的激励噪声和观测噪声的方差。在实际应用中这两种方差较难测得。
刻度因子
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。
非线性度
非线性度是在输入角速率范围内,陀螺仪输出量相对最小二乘法拟合直线的最大的偏差与最大输出量之比,表征了陀螺仪实际输入和输出数据的偏离程度,决定了该拟合数据的可信度。
线性加速度敏感度
线性加速度灵敏度反映的是陀螺仪对加速度的敏感程度,单位是degree/sec/g。
· 振动敏感度
振动敏感度是指陀螺仪对振动的敏感程度,单位是degree/sec/g2。陀螺仪对线性加速度和振动越不敏感,那么陀螺仪的性能越好,构建的算法也就越有效。
· 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0.005 degree/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。
噪声密度
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。
带宽
带宽是指陀螺仪能够精确测量输入的角速率的频率范围,这个范围越大表明陀螺仪的动态响应能力越强。
偏置电压灵敏度
偏置电压灵敏度是指陀螺仪的输出对供电电源变化的敏感程度,比如:0.03degree/sec/V,即供电电源每变化1V,输出角速率变化多少。
自检功能
自检功能在使用前自动测试器件的机械和CMOS电路部分,以提供系统的鲁棒性。
功耗
功耗包括陀螺仪在不同分辨率或不同数据输出率下运行时的功耗,休眠功耗。在低功耗应用像可穿戴、物联网应用等领域这个指标尤为重要。
冲击生存能力
冲击生存能力指陀螺仪承受不同程度下加速度冲击的能力,比如:2000g加速度冲击后陀螺仪保证系统正常工作。考虑到陀螺仪的应用环境可能会收到较大的冲击时,这个指标尤为重要,一般陀螺仪受到超过它的加速度承受范围会挂掉,必须重启上电后才能正常工作。
工作温度范围
MEMS陀螺仪的机械架构决定了温度会影响数据的输出,而超过工作温度范围可能会导致数据输出产生较大的偏差。
· 封装误差
封装误差是裸片对角线和封装对角线的夹角。
分辨率是指陀螺仪能检测的最小角速度,该参数与零角速度输出其实是由陀螺仪的白噪声决定。这三个参数主要说明了该陀螺仪的内部性能和抗干扰能力。对使用者而言,灵敏度更具有实际的选择意义。测量范围是指陀螺仪能够测量的最大角速度。不同的应用场合对陀螺仪的各种性能指标有不同的要求。
MEMS陀螺的最大的短板或者致命的缺点就是存在漂移误差。
首先是零点漂移,就是当车体静止且放平状态时陀螺仪的读数。
另一个是刻度因子误差,因为MEMS陀螺仪是输出电压信号通过计算转换为角速度,所以存在刻度因子误差,要命的是它会随着温度变化而不同,就是说如果车辆跨了纬度,室外温度发生变化时,必须重新学习刻度因子和零点误差。
最后,当用陀螺仪前一时刻的车辆行驶方向来推算当前车辆的行驶方向时,当前车辆的行驶方向必将引入前一时刻陀螺仪的漂移误差,形成了累计误差,它随着时间的推移变得越来越大。
通常消除误差的解决方案是采用GPS信号好的时候学习刻度因子,车子静止时候学习零点漂移。采用地图匹配(MapMatching)或者采用卡尔曼滤波组合导航来消除累计误差。
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