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自動駕駛基礎(chǔ)(七十五)--慣性測量單元(IMU)二十一

 藍海大叔 2019-10-21

如果特性測定期間的旋轉(zhuǎn)速率為100°/s,對準精度目標為0.1°,噪聲(rms) 必須比對準誤差目標低10倍,那么為了實現(xiàn)這些目標,我們需要對ADIS16485的輸出求多長時間的均值?

使用陀螺儀與輸入之間的一般響應(yīng)(在測試平臺上旋轉(zhuǎn)),下面的計算表明:各陀螺儀的總噪聲(rms) 必須低于62°/小時。

下圖通過一個例子說明了如何使用此IMU的Allan方差曲線來選擇均值時間以滿足上述要求。本例中,0.1秒的均值時間可滿足62°/小時的可重復(fù)性目標,還有一些裕量。

上圖中 ADIS16485 Allan方差曲線,注意,這種方法僅針對傳感器本身的噪聲。若測試平臺有振動,會增加陀螺儀測量的噪聲,則可能需要額外的考慮和濾波。

開發(fā)一個具有必要的精度和環(huán)境控制溫度的三軸慣性測試系統(tǒng),通常需要在固定設(shè)備和工程開發(fā)資源方面投入巨資。對于那些正在開發(fā)第一代或第二代系統(tǒng),在開發(fā)過程中有很多問題需要回答的公司,可能沒有此類資源或時間。這就產(chǎn)生了簡化解決方案的需求,通過謹慎選擇IMU并利用儀器或應(yīng)用中的自然運動可以實現(xiàn)簡化。

        例如,有時候使用角度可能比使用角速率測量來得更方便。公式31是公式11、公式12和公式13合并的結(jié)果,它用相對于全局坐標系的角度(θXω, θYω, θZω) 和陀螺儀輸出的積分(θXG, θYG, θZG) 來代表系統(tǒng)行為(M):

關(guān)于器件選擇,軸到軸對準誤差是一個需要考慮的重要參數(shù),因為當它低于軸到封裝對準誤差參數(shù)時,將有助于降低與電子對準相關(guān)的慣性測試配置(前面公式16)的復(fù)雜度。軸到封裝對準誤差參數(shù)描述的是陀螺儀相對于外部機械基準的方位,而軸到軸對準誤差參數(shù)描述的是各陀螺儀相對于另外兩個陀螺儀的方位。多數(shù)情況下,MEMS IMU中三個陀螺儀的理想方位是彼此成90°,因此軸到軸對準誤差與此行為的另一個常見參數(shù)—跨軸靈敏度—相關(guān)。利用前面公式7作為參考,軸到軸對準誤差代表這三個關(guān)系的最大值:

軸到軸對準誤差制定電子對準流程時,軸到軸對準誤差參數(shù)確定的是假設(shè)傳感器完全正交對準時的誤差。使用完全正交這一假設(shè)條件,僅旋轉(zhuǎn)兩軸便可對準所有三軸。例如,繞y軸和z軸旋轉(zhuǎn)便可直接觀測到M12、M13、M22、M23、M32和M33。假設(shè)完全正交對準并應(yīng)用三角函數(shù),便可利用以上6個元素和以下關(guān)系式計算其他三個元素(M11、M21和M31):

慣性MEMS技術(shù)在過去幾年已經(jīng)取得長足進步,為系統(tǒng)開發(fā)商在復(fù)雜權(quán)衡空間內(nèi)提供了廣泛的選項,包括尺寸、功耗、單位成本、集成成本和性能。對于首次利用MEMS IMU開發(fā)運動控制系統(tǒng)的人員,為了選擇合適的IMU并準備利用該IMU來支持關(guān)鍵系統(tǒng)需求,會有很多東西需要了解。對準精度對性能、成本和計劃方面的關(guān)鍵目標會有重大影響,必須予以認真考慮。在概念和架構(gòu)設(shè)計階段,即使很簡單的分析工具也能幫助找出潛在的風(fēng)險,因此應(yīng)當趁著還有時間影響器件選擇、機械設(shè)計、安裝后校準(電子對準)、初步成本預(yù)測和關(guān)鍵計劃節(jié)點的時候,多做些工作。更進一步說,識別MEMS IMU的關(guān)鍵指標和機會,用系統(tǒng)中提供的自然運動代替三軸慣性測試設(shè)備以最大限度地發(fā)揮系統(tǒng)的價值(性能和總開發(fā)成本),將是非常有益的。

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