用于惯性测量单元的高精度边缘技术_V1

用于惯性测量单元的高精度边缘技术

1.       用于低成本解决方案的先进惯性测量装置

VAST惯性测量单元（IMU）是一个集成的多传感器组件，它将多个加速度计、陀螺仪和磁学结合起来，产生比力、角速率和磁场的三维测量。所有的传感器力、角和磁信号都通过强大的微处理器进行计算和滤波，以改善噪声抑制和带宽改善，从而可以成功地生成惯性参考系，例如地球中心惯性（ECI）参考系。比力是相对于自由落体加速度的量度。减去重力加速度可得到实际坐标加速度的测量值。角速率是旋转速率的量度。

近年来，惯性测量单元（IMU）已成为描述各种惯性系统（包括姿态航向参考系统和惯性导航系统）的总称。

V-IMU使用功能根据三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁场与四层软件设计相结合，如图1所示的,其典型应用为:

•提高V-IMU的安全性和准确性，以及

•帮助V-IMU快速校准

•以最佳方式消除V-IMU因安装、环境和微机电系统本身而产生的微机电系统噪声

V-IMU为以提供陆地、海上和空中应用，板载处理器具有存储器和温度传感器，用于整合数字接口、单元转换和应用具有自主校准模型的传感器。

IMU本身不提供任何导航解决方案（位置、速度、姿态）。在我们的设计中，它只作为MEMS传感器来驱动，与惯性导航系统（INS）相反，惯性导航系统可以用来集成内部IMU的测量来提供导航解决方案。例如，惯性导航系统（INS）将GPS数据与IMU一起应用，形成一个独立的导航系统，该系统使用带有IMU和GPS信息的卡尔曼滤波器来提供姿态测量，以跟踪对象相对于起点、方向和速度的位置、速度和方向。

IMU还可以嵌入GPS，形成AHRS-GPS，将航空导航从纯传感器数据带入制导导航系统层面。实际上，惯导系统可以看作是一个IMU和GNSS导航系统，它嵌入GPS/GNSS，融合惯性、导航和辅助数据（里程表、等）。此外，一个好的惯导系统应在软件计算和定位中实现以下算法以保证其精度：

•  扩展卡尔曼滤波器用于提供横摇、俯仰、航向、位置和速度。

•       转换转换可用于提供所有全球导航卫星系统地球和天体协调转换数据

IMU的应用可以从基础级集成到高级制导和导航领域。

同样，对于航空航天应用，IMU也可用于汽车工业。为了实现这一目标，必须预先考虑并实施以下电子硬件设计的满意度：

图1: V-IMU 设计简图

电子硬件认证（EH）：

因为VAST的专家最初是在航天工业工作的，V-IMU EH的设计考虑了DO-160G相关项目，这是迄今为止世界上最严格的电子硬件认证方法。因此，VAST V-IMU满足下表所示的大多数DO-160G要求，这将自动满足汽车和其他行业的要求：

DO-160G test
温度和高度	温度变化	湿度*	操作冲击与碰撞安全	振动
爆炸性	液体敏感性*	沙尘性*	抗真菌性*	盐雾性*
磁效应感应	功率输入	电压尖峰	音频传导磁化率#	信号磁化率#
射频敏感度#	中低射频能量发射#	高射频能量发射#	雷电感应瞬态敏感度#	雷电直接效应#
结冰	静电放电#	火灾，易燃性

•       为了通过湿度*相关项目，VAST所有MEMS传感器的传感器板都被隔离并用胶水密封

•       为了传递振动，传感器板内部使用低通振动过滤形式，如（质量-M、阻尼器-C、弹簧-K），以实现传感器板悬挂设计

•       为了通过辐射和闪电项目，采用在印刷电路板和金属外壳之间有足够表面接地的金属外壳

•       对于与温度/高度相关的项目，需要另外一个合适的温度传感器。软件实现了温度补偿的相关计算。

•       为了缩短由于MEM传感器速度/角度的随机游走方差而导致的制造过程，创新了自动微调软件算法，并在陀螺仪和加速度计偏离中心时将其正确地微调回零。

•       为了正确响应MEMS健康检查，执行了航空航天位测试，以帮助验证MEMS自检。

•       采用双微机电系统，使传感器信号重复可用。

VAST的产品在设计产品之前,已经拜访了许多客户, 这些产品是经过汽车和小型无人机的痛点,观察客户的意见识别出来。因此，创新的先进惯性测量单元（V-IMU）具有以下创新功能：

1)                      传感器板采用（MCK）机械设计，使传感器悬浮，用作高通滤波器，以避免传感器测量中的机械频率和振幅

2)                      可调（MCK）值使传感器板在传感器测量时允许汽车碰撞响应

3)                      通过对传感器噪声能量函数的优化，保证了软件算法的收敛性和较好的艾伦变分结果。

4)                      动态引线传输功能将有助于消除软件计算时间延迟，使传感器板恢复到所需的测量速度

5)                      软件基于模糊逻辑知识的自动微调控制算法，给出了无温度补偿的传感器板设计。

6)                      双传感器板输出，允许MEMS测量重复测量，可将传感器板故障率从10-3降低到10-5。

7)                      双RS485/422或CAN输出将允许一个传感器板用于两个控制单元

8)                      VAST在单板上，使用不同MEMS传感器，所以，满足航空常见故障冗余管理的要求。

除了上述先进技术外，VAST还将来自航空航天的微调命令应用于其V-IMU，从而允许操作系统通知车辆控制服务器计算机（VCSC）其微调位置。因此，通过消除漂移，可以在整个运行过程中平衡车辆内部的力和力矩，从而使飞机或汽车具有更好的稳态飞行/驾驶性能。六自由度力和力矩的所有小噪声变化都可以得到最佳降低。因此，采用广域V-IMU有助于改善车辆的干扰性能。

2.IMU背景及介绍

VAST在惯性测量单元领域是延用MEMS稳健性技术，而生成的一个成熟的产品，也是MEMS技术的延伸。 Drapers实验室等机构，早期完善了机械旋转惯性传感器技术，创造了史上第一个惯性导航系统。在惯性导航使用上，已使许多伟大的航天成就成为可能，如阿波罗计划。在MEMS技术出现之前，惯性传感器由精密机械陀螺和加速度计组成。

惯性测量单元由于成本高，惯性传感技术被保留用于高端航空航天应用。随着MEMS惯性传感器技术的成熟，低成本的固态芯片级惯性传感器已成为较老的机械惯性传感器的替代品。虽然这些基于MEMS的新型传感器的总体性能比机械传感器低，但它们也大大降低了总体尺寸、功率效率和材料制造成本。因此，自MEMS传感器问世以来，MEMS集成制造单元已经占据了至少80%的市场份额。然而，与机械式旋转惯性和激光式惯性传感器相比，其精度仍有待提高。

3.惯性传感器市场

惯性传感器市场在产品价格和性能方面有着广泛的应用。高端惯性系统和低端惯性系统在价格和性能上有六个数量级的差异。这可能会导致许多买家在处理组件选择和定价时产生很大的困惑。这一创新的目标是提供一种边缘技术，使低成本、高精度的IMU成为IMU市场及其邻近市场的可能。

一般来说， MEMS惯性传感器主要分为低精度，中精度，高精度，他们的主要应用产品分类如下：

•       低精度MEMS惯性传感器：

主要用在消费电子类产品手机、数码相机、硬盘保护器、像简单的IMU+GPS导航、音乐播放器、地板清洁机器人、无线鼠标、掌上型电脑、智能玩具、计步器、运动型游戏机、防盗系统。因为IMU具有加速度测量、倾斜测量、振动测量甚至转动测量等基本测量功能，有待挖掘的消费电子的应用和产品会不断出现。

•       中精度MEMS惯性传感器：

可以作为工业级工厂及汽车级自动化产品，则主要用于工厂机器人、大型医疗设备、工程仪表板、汽车电子稳定系统，GPS辅助导航系统，汽车安全气囊跳出预测与保护、汽车防盗、车辆姿态测量与稳定、精密农业、工业自动化、工程机械姿态角反馈控制等等。

•       高精度MEMS惯性传感器:

可以作为军用级和宇航级产品，一般要求高精度、全温区、抗冲击等参数规范。主要用于通讯卫星无线导航、导弹导引头、光学瞄准系统等稳定性应用；飞机/导弹飞行反馈控制、姿态控制、偏航阻尼反馈控制等控制应用、以及中程导弹制导、惯性GPS导航等制导应用、远程飞行器船舶仪器、战场机器人等

IMU应用程序可以根据高、中、低成本性能的定义进行分类。一位专家认为高端可能另一位专家认为是低端，反之亦然。搜索惯性系统时，可能会遇到战术或汽车应用的问题。这些术语定义了不同的性能等级，相似的惯性传感器可以被分组。一般来说，惯性传感器可分为以下五种性能类别之一。

•       海洋和导航应用

•       战术应用

•       工业应用

•       汽车和工程车辆，和

•       消费者应用

3.1款航海应用

除了用于军事应用的定制惯性测量单元外，船用惯性系统是商用的最高惯性传感器。它们在确定位置和方向方面提供了最佳的总体性能。这些系统通常用于船舶、潜艇和一些航天器上。一个高端的海事应用IMU可以花费超过100万美元。这些系统通常会提供小于1.8公里每天。这意味着，如果由于传感器的微小误差和传感器校准的不完善，设备静止一天，在积分位置解后，一天后计算出的位置将与传感器实际位置相距1800米。这代表了商用惯性传感技术的最佳性能。导航级系统的性能略低于海洋系统，通常用于世界范围内的商用客机和军用飞机。导航等级系统通常小于1.5公里每小时漂移。这些系统的价格约为10万美元，尺寸约为6英寸x 6英寸x 6英寸。导航坡度系统可以与GPS结合，以创建实时精确到厘米以内的定位系统。导航级IMU的一个例子是霍尼韦尔公司生产的HG9900 IMU。

3.2汽车和消费者应用

中级的惯性传感器通常被称为汽车应用。它们通常作为单独的加速度计或陀螺仪出售。然而，许多公司已经开始将来自不同制造商的多个加速度计和陀螺仪结合起来，以创建独立的IMU单元。IMU的汽车应用精度相对不高，即使与GPS等其他导航系统集成，也不能用于惯性导航。这些传感器通常具有良好的重复性，如果在安装后对其进行校准，则可将其用作工业级传感器、姿态航向参考系统（AHRS）或行人航位推算系统的一部分。通常，这些传感器可用于防抱死制动系统、安全气囊、主动悬架系统、游戏控制器和娱乐系统。汽车级和工业级的主要区别在于传感器校准的质量。如果能开发出一套IMU的自动校准系统，将极大地降低IMU制造装配的成本。一个低成本的IMU解决方案可以在任何时候大规模生产。

4.哪个级别的惯性传感器适合我们的应用

由于缺乏与该主题相关的可用信息，确定哪种类型的惯性传感器适合您的应用可能是一个困难的过程。通常，价格是首要考虑因素，而准确度在一定值范围内，例如，偏差磨合值在10℃以内/小时。惯性传感器的数据表可能非常混乱，使潜在买家难以比较不同的产品。

第一步是确定应用程序所需的传感器级别。在需要导航级性能的应用程序中尝试使用工业级IMU只会导致极大的挫败感和混乱。这是为工作选择合适工具的步骤。你不想在需要铲子的地方使用推土机，当然也不想在应该使用推土机的地方使用铲子。

为了比较不同级别惯性传感器的性能，我们将针对两个不同的用例对它们进行分析。每种情况都对应于惯性传感器的一种常见用途。

5.案例1-独立位置估计

这种情况对应于在没有GPS或任何其他外部参考的情况下使用IMU作为独立的惯性导航解决方案。以下是每一级惯性传感器典型误差的概述。

	加速度计偏差	水平位置误差
等级	mg	1秒	10秒	60秒	1小时
导航应用	0.025	0.13毫米	12毫米	0.44米	1.6公里
战术应用	0.3	1.5毫米	150毫米	5.3米	19公里
汽车和工程车	3-10	15毫米	1.5米	53米	190公里
消费者应用	100以上	620毫米	60米	2.2公里	7900公里

VAST的MEMS IMU，加速度计偏差一般在0.03 - 0.08 mg之间,属于导航和战术应用, 但是,价格是在汽车和工程车.

在确定惯性系统作为惯性导航系统的性能时，一般用一阶估计法,他是假定位置误差仅由加速度计偏置误差引起。但是，实际情况，位置估计中的误差实际上是由许多因素引起的，包括陀螺偏差稳定性、加速度计标度因数不确定性和许多其他参数，然而最大的贡献将是由于加速度计偏差中的未校正误差。

加速计水平轴上的任何偏差都会导致计算出的物体在俯仰和横滚方向上的偏差。由于在积分之前，我们必须从IMU加速计测量中减去重力，因此计算方向中的任何误差都将导致我们无法从加速度测量中正确减去重力。由于物体的加速度通常比重力加速度（9.81 m/s^2）小得多，因此不正确地减去重力会导致估计的惯性加速度出现很大的误差，这将直接与位置误差结合起来。由于加速度计中的偏差导致的位置误差将随时间呈二次增长。

加速度计轴的偏差也会影响惯性导航系统的性能。重要的是，加速度计的每个轴都与正交坐标系完美对齐。如下表所示，未对准误差将传播到位置误差中。

加速度计安装偏移	水平位置误差（米）
mg	1秒	10秒	60秒	1小时
0.05°	4.3毫米	0.43米	15米	57公里
0.1°	8.6毫米	0.86米	31米	114公里
0.5°	43毫米	4.3米	150米	570公里
1° 以上	86毫米	8.6米	310公里	1140公里

上表强调了传感器校准的重要性。汽车传感器的封装偏差通常为1°左右，轴间偏差大于0.1°。工业级惯性传感器的校准偏差通常在0.05°以内。

6.陀螺偏航行走和噪声引起的误差

陀螺仪的噪声和偏差不确定性将影响惯性导航系统的位置估计误差。利用陀螺角随机游走参数量化了白噪声对综合方位角的影响。该参数乘以积分时间的平方根，给出了由陀螺白噪声引起的1s（sigma）角游动的估计值。对于导航级系统，这可能是主要的误差来源。对于战术级、工业级和汽车级，这确实会产生影响，但其影响可能比加速度计偏差误差小一个数量级，而加速度计偏差误差则无法解释。

等级	陀螺角随机游走	水平位置误差
	Deg/Öh	1秒	10秒	60秒	1小时
导航应用	0.002	0.01毫米	0.1毫米	1.3毫米	620米
战术应用	0.07	0.1毫米	3.2毫米	46毫米	22公里
汽车和工程车	3	10毫米	0.32米	3.3米	1500公里
消费者应用	5以上	20毫米	0.45米	6.5米	3100公里

7.如何估计水平位置误差

只需使用制造商数据表中给出的加速计偏差，就可以估计静态情况下的水平位置误差量。例如，让我们看看典型的汽车级MEMS加速度计数据表。以下摘录自ST Micro公司生产的LIS344ALH 3轴MEMS加速度计的数据表。

Voff

Zero-level

Full scale=±2g T=25°C

Vdd/2-5%

Vdd/2

Vdd/2+5%

V

从数据表中我们发现零重力(0g)水平已知在5%以内。由于该部分的Vdd为3V，这意味着我们有75mV的不确定度。数据表还告诉我们灵敏度为0.6mv/mg。这意味着加速度计偏差的总不确定度为125 mg。要计算最大静态情况水平位置误差，请使用以下公式：

在上面的方程式中，Hb =水平位置误差从加速度计偏差, 时间(t),用秒为单位替换。例如，使用这个加速计10秒后，计算位置的误差可能高达60米.  

以上公式来自物理学的抛物线方程式:

在上面的方程式中,S是总水平行程距离，Vo是初始速度 = 0，a是加速度，t是时间（秒）.

加速度计偏差的不确定性是汽车级加速度计不能用于惯性导航的主要原因。然而，如果该传感器经过适当校准，则加速度计偏差的不确定度可降低近两个数量级，从而在相同的60秒周期内将水平位置误差降低到几米之内, 汽车级加速度计将很容易实现。

VAST的加速度计工作范围±16g, 如果使用±2g加速度计,加计偏差0.08/8=0.01 mg.

由轴不对中引起的误差可以用下面的公式计算。

在上面的方程式中，HM =水平位置误差从加速度计安装偏移.

陀螺角随机游走引起的不确定度可计算为

在上面的方程式中，HG =水平位置误差从陀螺角随机游走.

VAST的陀螺工作范围±500°/s, 如果使用±250°/s陀螺, 陀螺角随机游走0.15/2 = 0.075 到 0.025 °/Öh.

8.情况2-相对方位确定

惯性传感器也可以用来确定作为时间函数的方位。如果没有绝对参考，IMU只能用于跟踪从某个初始时间点开始的方向变化。对于绝对方位跟踪，您需要将IMU与绝对参考传感器（如磁强计、摄像机或GPS）结合起来。结合一个IMU和一个磁传感器创造了所谓的绝对航向参考系统（AHRS）。在这种情况下，我们将研究由加速度计引起的影响方向估计的误差。AHRS通过假设测量的加速度矢量减去已知的惯性加速度等于重力矢量来确定方向。对于实际惯性加速度未知的情况，AHRS假设加速度计上测量的加速度是实际重力矢量。由于这一假设，加速度计中的任何误差都将转化为向下估计方向的误差。陀螺仪将抑制加速度中大部分基于时间的干扰，但是加速度计校准参数中的任何恒定误差将直接传播到方向误差中。

9.加速度计偏差引起的静态误差

加速度计中的偏差会通过扰动测量的加速度矢量来影响俯仰/侧倾。这将影响测量重力矢量的方向，直接导致估计的俯仰和侧倾误差。下表显示了由于加速度计偏差引起的俯仰和横摇典型误差。

汽车级惯性测量单元的加速度计偏置误差主要是由于标定不精确造成的。工业级和战术级的误差通常是由温度变化引起的，这种变化导致加速度计的偏差，这种偏差是传感器校准模型无法解释的。加速度计的偏差也可能受到传感器模型中未考虑的长期漂移的影响。

10.加速度计未对准引起的静态误差

由于加速度计未对准造成的误差将在一阶上直接转化为俯仰/侧倾误差。下表为各等级惯性传感器的典型失调校准精度。

在校准过程中，通过执行翻滚测试消除偏差.

11.加速度计标度因数引起的静态误差

加速度计的标度因数引起的误差也会引起被测方向的误差。误差的大小取决于校准后的残差。下面显示的是每个不同等级IMU的典型加速度计标度因数误差。

VAST 加速度计标度因数误差大约在300(ppm)~0.009 degrees.

通过假设传感器处于俯仰和侧倾都等于45的方向，可以分析俯仰/侧倾的最大误差。在这种情况下，任一轴上的比例因子误差将拉伸矢量的一维，从而影响测量角度。

12.陀螺标度因数引起的动态误差

陀螺标度因数对动态运动中角速率积分的精度有很大的误差。如果比例因子为关，则陀螺仪跟踪的运动将无法正确缩放，并且在运动完成后可能会产生重大误差。作为一个例子，考虑一个例子，拿起一个IMU，围绕其一个轴旋转360度，并将其放回去。理想情况下，部队应读取与机动前相同的方位。下表显示了每个坡度传感器此简单动作的一些误差。

上表显示了从导航级到战术级的一个数量级差，从战术级到工业级的一个数量级差，从工业级到汽车级的两个数量级差。从表中可以看出，汽车级传感器既不能提供足够的惯性导航精度，也不能提供精确的方向跟踪精度。只有当汽车传感器经过彻底的校准后，它们才能提供足够的性能来执行基本的导航技术。

13.陀螺失调引起的动态误差

陀螺失准将影响在每个坐标方向上测量角速率的方式。未对准会导致测量的角速率矢量失真，从而导致角速率积分后产生的方向误差。作为一个简单的例子，考虑上述陀螺仪比例因子的相同情况，其中我们将IMU仅绕Z轴旋转360度并返回到相同的方向。如果其他X轴和Y轴存在偏差，那么即使没有围绕X轴和Y轴进行物理旋转，它们也会无意中从Z轴旋转中拾取角速率。下表列出了在给定轴偏差的情况下，纵摇和横摇中记录的最大误差量。

与许多其他参数一样，您可以看到，由于陀螺轴对准的误差，每个不同等级之间的性能明显存在数量级差异。

14.总结

由于装配过程中的安装偏差，加速度计和陀螺仪的IMU总误差可能高达几千mg和万分ppm。此外，IMU的自然偏差也会导致大部分的总误差。因此，想要完成一辆优秀的自主汽车，必须从IMU的安装、IMU的选择、车辆的地面水平以及IMU与车辆的对准方法等方面进行仔细的安排和检查,VAST拥有这些技术和知识，为我们的客户提供他们的集成解决方案。