提高 IMU 性能的四種方法

文章出處：新聞資訊責(zé)任編輯：深圳市廣陵達(dá)科技有限公司發(fā)表時間：2024-10-22 17:21:59

微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS) 陀螺儀和加速計比以往更小、更輕、功能更強(qiáng)大。當(dāng)前最先進(jìn)的芯片比十年前的芯片有了質(zhì)的飛躍，使得集成這些傳感器的低成本 MEMS 慣性測量單元 (IMU) 能夠提供與以前的戰(zhàn)術(shù)級系統(tǒng)相當(dāng)?shù)男阅?。僅出現(xiàn)在昂貴的高端應(yīng)用中。盡管性能大幅提升，MEMS IMU 仍然具有用戶應(yīng)注意的獨特特性。通過在系統(tǒng)中考慮這些因素并遵循良好的 IMU 數(shù)據(jù)實踐，您可以確保應(yīng)用程序獲得最佳性能。

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您可以利用以下一些技巧來提高慣性傳感器的性能：

將 MEMS IMU 與振動隔離

將 MEMS 與不必要的振動隔離對于獲得準(zhǔn)確的測量至關(guān)重要。用戶通常對系統(tǒng)的整體運動感興趣，例如車輛軌跡，而對測量振動不感興趣。振動可能來自多種來源：系統(tǒng)組件（例如電機(jī)）、傳感器所附著的結(jié)構(gòu)由于地形運動而產(chǎn)生的共振，甚至是附近行走的人產(chǎn)生的振動。通過精心安裝 IMU（也許安裝在隔振平臺上），您可以最大限度地減少這些影響并提高傳感器性能。隔振不僅對于數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性很重要，而且還可以延長系統(tǒng)的使用壽命。即使是最堅固的 IMU 也包含敏感元件，這些元件可能會因暴露于高沖擊事件而損壞。

MEMS 傳感器還具有振動時產(chǎn)生的噪聲分量，稱為振動校正誤差 (VRE)。也就是說，振蕩振動信號被整流為傳感器輸出中不期望的偏置偏移，從而對測量的準(zhǔn)確性產(chǎn)生不利影響。通過最大限度地減少 IMU 上引起的振動，您可以最大限度地減少誤差并提高整體系統(tǒng)性能。

定期捕獲陀螺儀偏差

所有陀螺儀都會受到多種效應(yīng)的影響，這些效應(yīng)會導(dǎo)致其開啟偏置發(fā)生變化，或者在未施加輸入旋轉(zhuǎn)時輸出非零偏移。該誤差在 MEMS 傳感器中更為嚴(yán)重，也是 MEMS 傳感器目前無法用于“陀螺羅盤”的原因。

如果您使用的是姿態(tài)和航向參考系統(tǒng) (AHRS) 或慣性導(dǎo)航系統(tǒng) (INS)，這些設(shè)備中的過濾算法會實時估計這種偏差，但過濾器需要時間，有時需要幾分鐘的時間確定準(zhǔn)確的偏差值。如果您使用基本 IMU 來讀取角速率測量值，它將無法估計此偏差。在這兩種情況下，最好定期捕獲這種偏差，因為這樣做可以優(yōu)化設(shè)備的性能。

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捕獲偏差需要您的設(shè)備在捕獲期間保持靜止。重要的是，在此過程中，任何振動源（例如車輛發(fā)動機(jī)）也必須關(guān)閉。在 Parker 的 MicroStrain 設(shè)備中，您可以使用 SensorConnect應(yīng)用程序或 MIP SDK 來啟動捕獲。幾秒鐘后，設(shè)備將估計偏差并將其存儲在其內(nèi)部存儲器中。定期執(zhí)行此操作是應(yīng)對應(yīng)用中陀螺儀老化影響的最佳方法。

執(zhí)行積分時使用積分 delta-theta 和 delta-velocity 而不是原始角速率和加速度

當(dāng)今的 MEMS IMU 具有高數(shù)據(jù)速率，約為 1 kHz 或更高！如果您正在設(shè)計一個需要對角速率和加速度信息進(jìn)行數(shù)學(xué)積分的系統(tǒng)（例如導(dǎo)航濾波器），那么直接使用角速率和加速度輸出可能很誘人。這些值的單位很熟悉，如果您查看標(biāo)準(zhǔn)物理方程，您會看到它們直接枚舉（例如 F = ma。）但是 IMU 通常會輸出一組更有用的不同量：角速率的時間積分，稱為 delta-theta，加速度的時間積分稱為delta-velocity。使用這些而不是瞬時表示的好處如下：

? 這些積分結(jié)合了設(shè)備在實際運動中旋轉(zhuǎn)和加速時所受到的復(fù)雜的圓錐效應(yīng)和劃槳效應(yīng)?？紤]到這些影響意味著 delta-theta 和 delta-velocity 值比以典型方式積分瞬時值更準(zhǔn)確，即使在最大速率下也是如此。

? 由于 IMU 以最快的速率為您完成此集成，因此您可以以低得多的速率請求這些值，從而為系統(tǒng)節(jié)省寶貴的 CPU 周期。例如，如果設(shè)備本機(jī)報告 1,000 Hz 的數(shù)據(jù)，但您的過濾器只需要 50 Hz 的信息，通過使用這些積分，您可以節(jié)省 20 倍的計算量，同時提高精度。精度的提高來自于 IMU 以最大速率捕獲動態(tài)，同時考慮了圓錐和劃槳效應(yīng)。

密切注意時間同步

在 IMU 之旅的某個時刻，您可能會發(fā)現(xiàn)時機(jī)就是一切！直到產(chǎn)品開發(fā)后期，準(zhǔn)確的時間戳和時間對齊的重要性常常被忽視。如果您沒有考慮到這一點并且您的系統(tǒng)沒有按預(yù)期工作，那么您可能剛剛發(fā)現(xiàn)了問題。

不準(zhǔn)確的時間同步會導(dǎo)致慣性測量出現(xiàn)明顯的比例因子誤差。例如，當(dāng)系統(tǒng)時鐘和 IMU 時鐘不同步時，由于時鐘之間的漂移，您將積累小誤差，其效果與 IMU 的角速率和加速度輸出乘以錯誤的比例因子相同。隨著系統(tǒng)動態(tài)的增加，此錯誤也會增加。

有兩種方法可以緩解這種情況：使用精密參考（硬件脈沖或其他）對齊系統(tǒng)中的所有時鐘，并通過算法補(bǔ)償事件的任何未對齊，或者使用能夠生成事件數(shù)據(jù)的 IMU。第一種方法很常見，但在具有許多組件的系統(tǒng)中實施起來通常相當(dāng)復(fù)雜。第二種方法是 Parker 添加到 3DM-CV7-AHRS中的方法，以幫助我們的客戶滿足精確的計時需求。

借助事件驅(qū)動的 IMU，硬件輸入脈沖可以生成軟件消息（反之亦然），從而使以前難以處理的事件能夠很好地對齊。例如，在視覺里程計中，了解從一個相機(jī)幀到下一幀的集成 IMU 輸出非常重要。如果沒有事件驅(qū)動的 IMU，這可能會變得相當(dāng)棘手，但有了事件驅(qū)動的 IMU，事情就變得非常簡單：將相機(jī)的快門輸出引腳連接到 IMU，并將其配置為在接收脈沖時提供 delta-theta 和 delta-velocity 輸出。這會產(chǎn)生與相機(jī)生成的圖像對齊的精確積分，從而大大簡化了該領(lǐng)域的時間對齊問題。相反，事件驅(qū)動的 IMU 可以在數(shù)據(jù)量有效時生成脈沖，該脈沖可用于驅(qū)動硬件（例如相機(jī)）上的捕獲事件，并保持同樣嚴(yán)格的時間調(diào)整。

通過遵循這些簡單的提示，您可以提高 IMU 性能并充分利用您的投資。