langaoxingnengtuoluoyishujushouceshi，duoshuxitongshejishiguanzhudediyigeyaosushilingpianwendingxingguige。bijing
，tamiaoshudeshituoluoyidefenbianlvxiaxian
，lisuodangranshifanyingtuoluoyixingnengdezuijiazhibiao！raner，shijidetuoluoyihuiyinweiduozhongyuanyinerchuxianwucha，shideyonghuwufahuodeshujushoucezhongxuanchengdegaolingpianwendingxing。deque

，kenengzhiyouzaishiyanshineicainenghuodenamegaode 性(xing)能(neng)。傳(chuan)統(tong)方(fang)法(fa)是(shi)借(jie)助(zhu)補(bu)償(chang)來(lai)最(zui)大(da)程(cheng)度(du)地(di)降(jiang)低(di)這(zhe)些(xie)誤(wu)差(cha)源(yuan)的(de)影(ying)響(xiang)。本(ben)文(wen)將(jiang)討(tao)論(lun)多(duo)種(zhong)此(ci)類(lei)技(ji)術(shu)及(ji)其(qi)局(ju)限(xian)性(xing)。最(zui)後(hou)，我(wo)們(men)將(jiang)討(tao)論(lun)另(ling)一(yi)種(zhong)可(ke)選(xuan)範(fan)式(shi)——根據機械性能選擇陀螺儀，以及必要時如何提高其偏置穩定度。

 

 

所有中低價位的MEMS陀螺儀都有一定的時間-lingdianpianzhihebiliyinziwucha，ciwaihaihuisuiwenduerfashengyidingdebianhua。yinci，duituoluoyijinxingwendubuchangshihenchangjiandezuofa。yibaneryan
，tuoluoyijichengwenduchuanganqidemudejiuzaiyuci。wenduchuanganqidejueduijingdubingbuzhongyao，zhongyaodeshikezhongfuxingyijiwenduchuanganqiyutuoluoyishijiwendudejinmiouhe。xiandaituoluoyidewenduchuanganqijihu 毫不費力就能達到這些要求。

 

許多技術可以用於溫度補償
，如多項式曲線擬合、fenduanxianxingjinsideng。zhiyaojilulezugoushuliangdewendudian，bingqiezaixiaozhunguochengzhongcaiqulechongfendecuoshi
，namejutishiyonghezhongjishushiwuguanjinyaode。liru，zaimeigewendudefangzhishijianbuzushiyigechangjiandewuchayuan。raner，wuluncaiyonghezhongjishu
，wulunyouduoxixin，wenduchizhi——即通過冷卻與通過加熱達到某一特定溫度時的輸出 之差——都將是限製因素。

 

圖1所示為陀螺儀ADXRS453的溫度遲滯環路。溫度從+25°C變為+130°C，再變為–45°C，最後回到+25°C，與此同時記錄未補償陀螺儀的零點偏置測量結果。加熱周期與冷卻周期中的+25°C零點偏置輸出存在細微的差異(本例中 約為0.2°/s)，這就是溫度遲滯。此誤差無法通過補償來消除

，因為無論陀螺儀上電與否，它都會出現。此外，遲滯的幅度與所施加的溫度“激勵”量成比例。也就是說
，施加於器件的溫度範圍越寬，則遲滯越大。

 

圖1. 經曆溫度循環(–45°C至+130°C)時未補償ADXRS453的零點偏置輸出

 

如果應用允許啟動時複位零點偏置(即無旋轉時啟動)
，或huo者zhe在zai現xian場chang將jiang零ling點dian偏pian置zhi調tiao零ling，則ze可ke以yi忽hu略lve此ci誤wu差cha。否fou則ze


，這zhe就jiu可ke能neng是shi零ling偏pian穩wen定ding性xing性xing能neng的de一yi個ge限xian製zhi因yin素su，因yin為wei我wo們men無wu法fa控kong製zhi運yun輸shu或huo存cun儲chu條tiao件jian。

 

 

理想情況下
，陀螺儀僅測量旋轉速率
，無關其他。但實際應用中
，由於機械設計不對稱和/或(huo)微(wei)加(jia)工(gong)不(bu)夠(gou)精(jing)確(que)
，所(suo)有(you)陀(tuo)螺(luo)儀(yi)都(dou)有(you)一(yi)定(ding)的(de)加(jia)速(su)度(du)敏(min)感(gan)度(du)。事(shi)實(shi)上(shang)，加(jia)速(su)度(du)敏(min)感(gan)度(du)有(you)多(duo)種(zhong)外(wai)在(zai)表(biao)現(xian)，其(qi)嚴(yan)重(zhong)程(cheng)度(du)因(yin)設(she)計(ji)而(er)異(yi)。最(zui)顯(xian)著(zhu)的(de)通(tong)常(chang)是(shi)對(dui)線(xian)性(xing)加(jia)速(su)度(du)的(de)敏(min)感(gan)度(du)(或g敏感度)和對振動校正的敏感度(或g2 敏感度)。由於多數陀螺儀應用所處的設備是繞地球的1 g重力場運動和/或在其中旋轉
，因此對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單緊湊的機械係統設計，抗振性能未經優化(它優化的是成本)，因而振動可能會造成嚴重影響。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！ 對於這種陀螺儀
，零偏穩定性的好壞並無多大意義
，陀螺儀在地球的重力場中稍有旋轉，就會因為g和g2敏感度而產生巨大的誤差。一般而言，此類陀螺儀不規定振動敏感度——默認為非常大。較高性能的MEMS陀螺儀則好得多。表1列出了幾款高性能MEMS陀螺儀的數據手冊所列規格。對於這一類別中的多數陀螺儀
，g敏感度為360°/h/g(或0.1°/s/g)，某些低於60°/h/g，遠遠優於極低成本的陀螺儀。但是，對於小到150 mg(相當於8.6°傾斜)的加速度變化，即使其中最好的陀螺儀也會超出其額定零偏穩定性。

 

表1.

 

有些設計師試圖利用外部加速度計來補償g敏感度(通常是在IMU應用中，因為所需的加速度計已經存在)
，這在某些情況下確實可以改善性能。然而，由於多種原因，g敏感度補償無法獲得完全的成功。大多數陀螺儀的g敏感度會隨振動頻率變化而變化。圖2顯示了Silicon Sensing CRG20-01 陀螺儀對振動的響應。注意，雖然陀螺儀的敏感度在額定規格範圍內(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，因此無法簡單地通過測量DC時的敏感度來執行校準。確實，補償方案將非常複雜，要求根據頻率改變敏感度。

 

圖2. Silicon Sensing CRG20-01對不同正弦音的g敏感度響應

 

作為對比，圖3顯示的是陀螺儀ADXRS646在相似條件下的響應。事實上，有些陀螺儀比其它陀螺儀更容易進行g敏感度補償。不過遺憾的是
，數據手冊幾乎從不提供此類信息，必須由用戶去探索，而且可能極耗精力，但在係統設 計過程中
，常常沒有時間等待驚喜出現。

 

圖3. Analog Devices ADXRS646對隨機振動(15 g rms, 0.11 g2/Hz)的g敏感度響應，1600 Hz濾波

 

另ling一yi個ge困kun難nan是shi將jiang補bu償chang加jia速su度du計ji和he陀tuo螺luo儀yi的de相xiang位wei響xiang應ying相xiang匹pi配pei。如ru果guo陀tuo螺luo儀yi和he補bu償chang加jia速su度du計ji的de相xiang位wei響xiang應ying匹pi配pei不bu佳jia，高gao頻pin振zhen動dong誤wu差cha實shi際ji上shang可ke能neng會hui被bei放fang大da！由此便可得出另一個結論：對於大多數陀螺儀，g敏感度補償僅在低頻時有效。

 

振動校正常常不作規定，原因可能是差得令人難堪，或者不同器件差異巨大。也有可能隻是因為陀螺儀製造商不願意測試或規定(公平地說，測試可能比較困難)。無論如何，振動校正必須引起注意，因為它無法通過加速度計進行補償。與加速度計的響應不同，陀螺儀的輸出誤差會被校正。

 

改善g2敏感度的最常見策略是增加一個機械抗振件，如圖4所示。圖中顯示的是一個從金屬帽殼封裝中部分移出的Panasonic汽車陀螺儀。該陀螺儀組件通過一個橡膠抗振件與金屬帽殼隔離。抗振件非常難以設計
，因為它在寬頻率範圍內的響應並不是平坦的(低頻時尤其差)
，而且其減振 特性會隨著溫度和使用時間而變化。與gminganduyiyang，tuoluoyidezhendongxiaozhengxiangyingkenenghuisuipinlvbianhuaerbianhua。jishinenggouchenggongshejichukangzhenjianyishuaijianyizhipinpuxiadezhaidaizhendong
，cileikangzhenjianyebushihekenengcunzaikuanpinzhendongdetongyongyingyong。

 

圖4. 典型抗振件

 

 

許多應用中會發生常規性短期濫用事件，這些濫用雖然不致於損傷陀螺儀，但會產生較大誤差。下麵列舉幾個例子。

 

有些陀螺儀可以承受速率過載而不會表現異常。圖5顯示了Silicon Sensing CRG20陀螺儀對超出額定範圍大約70%的速率輸入的響應。左邊的曲線顯示的是旋轉速率從0°/s變為500°/s再保持不變時CRS20的響應情況。右邊的曲線則顯示的是輸入速率從500°/s降為0°/s時該器件的響應情況。當 輸入速率超出額定測量範圍時
，輸出在軌到軌之間紊亂地擺動。

 

圖5. Silicon Sensing CRG-20對500°/s速率輸入的響應

 

有些陀螺儀在經受哪怕隻有數百g的衝擊時
，也會表現出“鎖定”的傾向。例如，圖6顯示的是VTI SCR1100-D04在經受250 g 0.5 ms衝擊時的響應情況(產生衝擊的方法是讓一個5 mm鋼球從40 cm的高度落在陀螺儀旁邊的PCB上)。陀螺儀未因衝擊而損壞，但它不再響應速率輸入，需要關斷 再上電以重新啟動。這並非罕見現象，多種陀螺儀都存在類似的行為。檢查擬用的陀螺儀是否能承受應用中的衝擊是明智的。

 

圖6. VTI SCR1100-D04對250 g
、0.5 ms衝擊的響應

 

顯然，此類誤差將大得驚人。因此，必須仔細找出給定應用中可能存在哪些濫用情況，並且驗證陀螺儀是否能經受得住。

 

 

如上所述，多數陀螺儀應用中都存在運動或振動情況。利用上文所示的數據手冊所列規格(如果沒有規定振動校正特性，則使用保守的估計值)，表2列出了表1所示陀螺儀在不同應用中的典型誤差預算。從表3可以看出
，增加g敏感度補償方案後
，雖然抗振性能提高了半個數量級(絕非易事)，但振動敏感度仍然是一個遠大於零偏穩定性的誤差來源。

 

表2. 多種陀螺儀(未經補償)在不同振動情況下的估計誤差(°/s)

 

表3. 采用g敏感度補償的多種陀螺儀(g敏感度改善5倍)在不同振動情況下的估計誤差(°/s)

 

 

在(zai)誤(wu)差(cha)預(yu)算(suan)中(zhong)
，零(ling)偏(pian)穩(wen)定(ding)性(xing)是(shi)最(zui)小(xiao)的(de)分(fen)量(liang)之(zhi)一(yi)
，因(yin)此(ci)選(xuan)擇(ze)陀(tuo)螺(luo)儀(yi)時(shi)
，更(geng)為(wei)合(he)理(li)的(de)做(zuo)法(fa)是(shi)考(kao)慮(lv)將(jiang)最(zui)大(da)誤(wu)差(cha)源(yuan)最(zui)小(xiao)化(hua)。在(zai)大(da)多(duo)數(shu)應(ying)用(yong)中(zhong)
，振(zhen)動(dong)敏(min)感(gan)度(du)是(shi)最(zui)大(da)的(de)誤(wu)差(cha)源(yuan)。然(ran)而(er)，有(you)時(shi)用(yong)戶(hu)可(ke)能(neng)仍(reng)然(ran)希(xi)望(wang)獲(huo)得(de)比(bi)所(suo)選(xuan)陀(tuo)螺(luo)儀(yi)更(geng)低(di)的(de)噪(zao)聲(sheng)或(huo)更(geng)好(hao)的(de)零(ling)偏(pian)穩(wen)定(ding)性(xing)。幸(xing)運(yun)的(de)是(shi)，我(wo)們(men)有(you)辦(ban)法(fa)來(lai)解(jie)決(jue)這(zhe)一(yi)問(wen)題(ti)，那(na)就(jiu)是(shi)求(qiu)平(ping)均(jun)值(zhi)。

 

butongyushejixiangguandehuanjinghuozhendongwucha
，duoshutuoluoyidelingpianwendingxingwuchajuyouzaoshengtexing。yejiushishuo
，butongqijiandelingpianwendingxingshibuxiangguande。yinci
，womenkeyitongguoqiuquduogeqijiandepingjunzhilaigaishanlingpianwendingxingxingneng。ruguoduin個器件求平均值，則期望的改善幅度為√n。寬帶噪聲也可以通過類似的求平均 值方法予以改善。

 

 

長(chang)久(jiu)以(yi)來(lai)
，零(ling)偏(pian)穩(wen)定(ding)性(xing)被(bei)視(shi)為(wei)陀(tuo)螺(luo)儀(yi)規(gui)格(ge)的(de)絕(jue)對(dui)標(biao)準(zhun)
，但(dan)在(zai)實(shi)際(ji)應(ying)用(yong)中(zhong)，振(zhen)動(dong)敏(min)感(gan)度(du)常(chang)常(chang)是(shi)限(xian)製(zhi)性(xing)能(neng)的(de)更(geng)嚴(yan)重(zhong)因(yin)素(su)。根(gen)據(ju)抗(kang)振(zhen)能(neng)力(li)選(xuan)擇(ze)陀(tuo)螺(luo)儀(yi)是(shi)合(he)理(li)的(de)，因(yin)為(wei)其(qi)它(ta)參(can)數(shu)可(ke)以(yi)輕(qing)鬆(song)地(di)通(tong)過(guo)校(xiao)準(zhun)或(huo)對(dui)多(duo)個(ge)傳(chuan)感(gan)器(qi)求(qiu)平(ping)均(jun)值(zhi)來(lai)改(gai)善(shan)。

 

 

為了計算給定應用中振動引起的誤差，需要了解加速度的預計幅度
，以及此種加速度可能發生的頻率。表2和表3所示的應用說明如下：

 

 

計算振動引起的誤差時，必須考慮g敏感度和g2敏感度。以直升機應用為例
，計算如下：

 

 

如果通過加速度計補償g敏感度，則僅g敏感度降低
，降幅為補償係數。

 

 


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