利用MEMS慣性測量單元來消除各傳感器之間的全部對齊誤差
發布時間:2021-06-09 來源:亞德諾半導體 責任編輯:lina
【導讀】延yan長chang電dian池chi壽shou命ming是shi各ge種zhong應ying用yong中zhong常chang見jian的de設she計ji要yao求qiu。無wu論lun是shi玩wan具ju還hai是shi水shui表biao,設she計ji師shi都dou有you各ge式shi技ji術shu來lai提ti高gao電dian池chi壽shou命ming。在zai這zhe篇pian博bo文wen中zhong,我wo將jiang闡chan述shu一yi種zhong可ke策ce略lve性xing地di繞rao過guo低di掉diao電dian線xian性xing穩wen壓ya器qi(LDO)的技術。
正在將MEMS慣性測量單元(IMU)用於個人交通工具平台的自平衡製導係統,是否會有一款麵向消費者,能消除各傳感器之間的全部對齊誤差,並且所有核心傳感器元件都集成在單個芯片上的IMU?
否,對於這個設計來說,這一般不是一個保險的期望。采用魯棒的分立傳感器和最佳封裝並經過優化校準的工業級IMU,其對齊精度要比位於單個芯片上的消費級IMU高得多。
消費級和工業級IMU往往以不同方式規定軸對齊特性。消費級IMU的典型做法是將所有對齊誤差集總為一個跨軸靈敏度規格。麵向工業的IMU,比如ADIS16490,則使用兩個不同規格以便更直接地說明對齊精度:軸到軸對齊誤差和軸到封裝對齊誤差。軸到封裝對齊誤差描述各軸相對於IMUfengzhuangneijixietexingdeduiqichengdu。zhoudaozhouduiqiwuchamiaoshugejiasudujihetuoluoyizhoudeduiqizaiduodachengdushangfuhelixiangzhengjiaoxing。zhengyinruci,zhoudaozhouduiqiwuchayechangbeichengweizhengjiaowucha。
跨軸靈敏度(CAS)和軸到軸對齊誤差(A2A_MAE)有如下數學關係:
CAS = sin(A2A_MAE) A2A_MAE = asin(CAS)
非正交性發生在傳感器軸之間、傳感器上或源於傳感器與外殼之間的封裝不對齊。對於工業級IMU,這些規格會在工廠校準,並在數據手冊中詳細說明。對於分立器件,跨軸靈敏度規格不包括相對於PCB的裝配偏差。
理想情況下,陀螺儀和加速度計中的多個軸是彼此正交的。然而,這裏有個常見的誤解:既然多軸陀螺儀或加速度計可以設計在一個分立MEMS器件之內,那麼各軸應是完美正交的,彼此成 90°角(jiao)。雖(sui)然(ran)這(zhe)些(xie)器(qi)件(jian)中(zhong)的(de)所(suo)有(you)慣(guan)性(xing)傳(chuan)感(gan)器(qi)都(dou)位(wei)於(yu)單(dan)個(ge)芯(xin)片(pian)上(shang),但(dan)加(jia)工(gong)和(he)製(zhi)造(zao)偏(pian)差(cha)所(suo)引(yin)入(ru)的(de)固(gu)有(you)誤(wu)差(cha)仍(reng)可(ke)能(neng)造(zao)成(cheng)正(zheng)交(jiao)誤(wu)差(cha)。相(xiang)應(ying)的(de)等(deng)效(xiao)對(dui)齊(qi)精(jing)度(du)與(yu)完(wan)全(quan)校(xiao)準(zhun)的(de)工(gong)業(ye)級(ji)IMU相比,實際上並不是非常好。

圖1. 左邊的理想三軸正交情況反映矢量的真實影響。正交誤差使得所有軸上都能檢測到泄漏的部分旋轉或力。
對消費級器件的簡單調查發現,跨軸靈敏度常常在1%到5%範圍內。利用以上關係式,可知等效軸到軸對齊誤差為0.57°到2.87°。
不過也可用毫弧度為單位來定義,相當於0.057°。工業級IMU的精度通常要高得多。我們也可利用此關係將工業級IMU的軸到軸對齊誤差0.018°轉換為等效跨軸靈敏度0.031%。
CAS
= sin(A2A_MAE)
= sin(0.018°)
= 0.00031
= 0.031%
工業級IMU ADIS16489的所有慣性傳感器不是位於一個芯片上,盡管有這個明顯的缺點,但其性能仍要比最佳消費級器件高出大約32倍。
為了解正交誤差的影響,假設一個加速度計軸指向正上方,器件恰好處於水平狀態。加速度計在此z軸(zhou)上(shang)測(ce)量(liang)重(zhong)力(li)的(de)總(zong)影(ying)響(xiang)。如(ru)果(guo)其(qi)他(ta)兩(liang)個(ge)軸(zhou)完(wan)全(quan)正(zheng)交(jiao),那(na)麼(me)它(ta)們(men)不(bu)會(hui)測(ce)量(liang)到(dao)任(ren)何(he)重(zhong)力(li)矢(shi)量(liang)。然(ran)而(er),若(ruo)有(you)正(zheng)交(jiao)誤(wu)差(cha),其(qi)他(ta)兩(liang)個(ge)水(shui)平(ping)軸(zhou)就(jiu)會(hui)測(ce)量(liang)到(dao)重(zhong)力(li)矢(shi)量(liang)的(de)一(yi)部(bu)分(fen)。例(li)如(ru),若(ruo)器(qi)件(jian)的(de)跨(kua)軸(zhou)靈(ling)敏(min)度(du)為(wei)1%,其對重力的等效響應將是 10 mg,這相當於0.6°的等效對齊誤差。反之,如果第一個軸不與水平框架正交,它便測不到完整的重力矢量。
正zheng交jiao誤wu差cha是shi加jia速su度du計ji總zong誤wu差cha中zhong特te別bie穩wen定ding的de成cheng分fen,因yin此ci可ke通tong過guo一yi次ci性xing校xiao準zhun來lai校xiao正zheng。為wei了le確que定ding一yi對dui加jia速su度du計ji軸zhou的de正zheng交jiao誤wu差cha,須xu讓rang加jia速su度du計ji在zai所suo有you可ke能neng的de90°方向空間中旋轉,並測量各軸對重力的靜態響應。這可以利用精密萬向節頭或在已知正交表麵上進行。
將器件安裝到PCBzhihou,yaotongguoxiaozhunxiaochusuoyougongzuotiaojianxiadezhengjiaowuchashihenkunnande。guanxingxiaozhunyaoqiuzaiqijianjinglishoukongyundongmoshidetongshiguancegechuanganqixiangying。weigaoxiaoshixiancileiyundongmoshi,changchangxuyaogaoduzhuanyehuadeshebeihejingyan。yuyijingyuxiaozhundegongyejiIMU不同,安裝在PCB上的每個消費級MEMS器件都需要針對其他傳感器、環境表現和溫度進行校準。
在分立器件安裝到微型PCB上堅固耐用的模塊中之後,包括三個陀螺儀軸和三個加速度計軸的工業級IMU在製造中利用校準步驟實現高超性能。這種工廠校準不僅能識別和補償MEMS器件本身的正交誤差,還能補償裝配相關的偏斜。因此,與裝配偏差、跨軸誤差和溫度相關的誤差降至最小。ADIS16489工廠校準可將平台穩定、導航和機器人應用中的軸對齊誤差降至最低。ADIS16489內置一個數字三軸陀螺儀和一個三軸加速度計,陀螺儀軸到軸對齊誤差僅有±0.018°,加速度計軸到軸誤差為±0.035°。除了高性能傳感器參數以外,ADIS16489還利用聚對二甲苯塗層作為內部電路的防潮層。
(來源:亞德諾半導體)
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