簡(jiǎn)介

　　選擇陀螺儀時(shí)，需要考慮將最大誤差源最小化。在大多數(shù)應(yīng)用中，振動(dòng)敏感度是最大的誤差源。其它參數(shù)可以輕松地通過(guò)校準(zhǔn)或求取多個(gè)傳感器的平均值來(lái)改善。偏置穩(wěn)定度是誤差預(yù)算較小的分量之一。

　　瀏覽高性能陀螺儀數(shù)據(jù)手冊(cè)時(shí)，多數(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)師關(guān)注的第一個(gè)要素是偏置穩(wěn)定度規(guī)格。畢竟，它描述的是陀螺儀的分辨率下限，理所當(dāng)然是反映陀螺儀性能的最佳指標(biāo)！然而，實(shí)際的陀螺儀會(huì)因?yàn)槎喾N原因而出現(xiàn)誤差，使得用戶(hù)無(wú)法獲得數(shù)據(jù)手冊(cè)中宣稱(chēng)的高偏置穩(wěn)定度。的確，可能只有在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)才能獲得那么高的性能。傳統(tǒng)方法是借助補(bǔ)償來(lái)最大程度地降低這些誤差源的影響。本文將討論多種此類(lèi)技術(shù)及其局限性。最后，我們將討論另一種可選范式——根據(jù)機(jī)械性能選擇陀螺儀，以及必要時(shí)如何提高其偏置穩(wěn)定度。

　　環(huán)境誤差

　　所有中低價(jià)位的MEMS陀螺儀都有一定的時(shí)間-零點(diǎn)偏置和比例因子誤差，此外還會(huì)隨溫度而發(fā)生一定的變化。因此，對(duì)陀螺儀進(jìn)行溫度補(bǔ)償是很常見(jiàn)的做法。一般而言，陀螺儀集成溫度傳感器的目的就在于此。溫度傳感器的絕對(duì)精度并不重要，重要的是可重復(fù)性以及溫度傳感器與陀螺儀實(shí)際溫度的緊密耦合?，F(xiàn)代陀螺儀的溫度傳感器幾乎毫不費(fèi)力就能達(dá)到這些要求。

　　許多技術(shù)可以用于溫度補(bǔ)償，如多項(xiàng)式曲線(xiàn)擬合、分段線(xiàn)性近似等。只要記錄了足夠數(shù)量的溫度點(diǎn)，并且在校準(zhǔn)過(guò)程中采取了充分的措施，那么具體使用何種技術(shù)是無(wú)關(guān)緊要的。例如，在每個(gè)溫度的放置時(shí)間不足是一個(gè)常見(jiàn)的誤差源。然而，無(wú)論采用何種技術(shù)，無(wú)論有多細(xì)心，溫度遲滯——即通過(guò)冷卻與通過(guò)加熱達(dá)到某一特定溫度時(shí)的輸出之差——都將是限制因素。

　　圖1所示為陀螺儀ADXRS453的溫度遲滯環(huán)路。溫度從+25℃變?yōu)?130℃，再變?yōu)楱C45℃，最后回到+25℃，與此同時(shí)記錄未補(bǔ)償陀螺儀的零點(diǎn)偏置測(cè)量結(jié)果。加熱周期與冷卻周期中的+25℃零點(diǎn)偏置輸出存在細(xì)微的差異（本例中約為0.2°/s），這就是溫度遲滯。此誤差無(wú)法通過(guò)補(bǔ)償來(lái)消除，因?yàn)闊o(wú)論陀螺儀上電與否，它都會(huì)出現(xiàn)。此外，遲滯的幅度與所施加的溫度“激勵(lì)”量成比例。也就是說(shuō)，施加于器件的溫度范圍越寬，則遲滯越大。

　　圖1. 經(jīng)歷溫度循環(huán)（–45℃至+130℃）時(shí)未補(bǔ)償ADXRS453的零點(diǎn)偏置輸出

　　如果應(yīng)用允許啟動(dòng)時(shí)復(fù)位零點(diǎn)偏置（即無(wú)旋轉(zhuǎn)時(shí)啟動(dòng)），或者在現(xiàn)場(chǎng)將零點(diǎn)偏置調(diào)零，則可以忽略此誤差。否則，這就可能是偏置穩(wěn)定度性能的一個(gè)限制因素，因?yàn)槲覀儫o(wú)法控制運(yùn)輸或存儲(chǔ)條件。

　　抗振

　　理想情況下，陀螺儀僅測(cè)量旋轉(zhuǎn)速率，無(wú)關(guān)其他。但實(shí)際應(yīng)用中，由于機(jī)械設(shè)計(jì)不對(duì)稱(chēng)和/或微加工不夠精確，所有陀螺儀都有一定的加速度敏感度。事實(shí)上，加速度敏感度有多種

　　外在表現(xiàn)，其嚴(yán)重程度因設(shè)計(jì)而異。最顯著的通常是對(duì)線(xiàn)性加速度的敏感度（或g敏感度）和對(duì)振動(dòng)校正的敏感度（或g2敏感度）。由于多數(shù)陀螺儀應(yīng)用所處的設(shè)備是繞地球的1 g重力場(chǎng)運(yùn)動(dòng)和/或在其中旋轉(zhuǎn)，因此對(duì)加速度的敏感度常常是最大的誤差源。

　　成本極低的陀螺儀一般采用極其簡(jiǎn)單緊湊的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)，抗振性能未經(jīng)優(yōu)化（它優(yōu)化的是成本），因而振動(dòng)可能會(huì)造成嚴(yán)重影響。1000°/h/g（或0.3°/s/g）以上的g敏感度也不足為奇，比高性能陀螺儀差10倍以上！對(duì)于這種陀螺儀，偏置穩(wěn)定度的好壞并無(wú)多大意義，陀螺儀在地球的重力場(chǎng)中稍有旋轉(zhuǎn)，就會(huì)因?yàn)間和g2敏感度而產(chǎn)生巨大的誤差。一般而言，此類(lèi)陀螺儀不規(guī)定振動(dòng)敏感度——默認(rèn)為非常大。

　　較高性能的MEMS陀螺儀則好得多。表1列出了幾款高性能MEMS陀螺儀的數(shù)據(jù)手冊(cè)所列規(guī)格。對(duì)于這一類(lèi)別中的多數(shù)陀螺儀，g敏感度為360°/h/g（或0.1°/s/g），某些低于60°/h/g，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于極低成本的陀螺儀。但是，對(duì)于小到150 mg（相當(dāng)于8.6°傾斜）的加速度變化，即使其中最好的陀螺儀也會(huì)超出其額定偏置穩(wěn)定度。

　　有些設(shè)計(jì)師試圖利用外部加速度計(jì)來(lái)補(bǔ)償g敏感度（通常是在IMU應(yīng)用中，因?yàn)樗璧募铀俣扔?jì)已經(jīng)存在），這在某些情況下確實(shí)可以改善性能。然而，由于多種原因，g敏感度補(bǔ)償無(wú)法獲得完全的成功。大多數(shù)陀螺儀的g敏感度會(huì)隨振動(dòng)頻率變化而變化。圖2顯示了Silicon Sensing CRG20-01陀螺儀對(duì)振動(dòng)的響應(yīng)。注意，雖然陀螺儀的敏感度在額定規(guī)格范圍內(nèi)（在一些特定頻率處略有超出，但這些可能不重要），但從DC到100 Hz，其變化率為12:1，因此無(wú)法簡(jiǎn)單地通過(guò)測(cè)量DC時(shí)的敏感度來(lái)執(zhí)行校準(zhǔn)。確實(shí)，補(bǔ)償方案將非常復(fù)雜，要求根據(jù)頻率改變敏感度。

　　圖2. Silicon Sensing CRG20-01對(duì)不同正弦音的g敏感度響應(yīng)

　　作為對(duì)比，圖3顯示的是陀螺儀ADXRS646在相似條件下的響應(yīng)。事實(shí)上，有些陀螺儀比其它陀螺儀更容易進(jìn)行g(shù)敏感度補(bǔ)償。不過(guò)遺憾的是，數(shù)據(jù)手冊(cè)幾乎從不提供此類(lèi)信息，必須由用戶(hù)去探索，而且可能極耗精力，但在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，常常沒(méi)有時(shí)間等待驚喜出現(xiàn)。

　　圖3. Analog Devices ADXRS646對(duì)隨機(jī)振動(dòng)（15 g rms， 0.11 g2/Hz）的g敏感度響應(yīng)，1600 Hz濾波

　　另一個(gè)困難是將補(bǔ)償加速度計(jì)和陀螺儀的相位響應(yīng)相匹配。如果陀螺儀和補(bǔ)償加速度計(jì)的相位響應(yīng)匹配不佳，高頻振動(dòng)誤差實(shí)際上可能會(huì)被放大！由此便可得出另一個(gè)結(jié)論：對(duì)于大多數(shù)陀螺儀，g敏感度補(bǔ)償僅在低頻時(shí)有效。