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感測器/MEMS  

MEMS IMU/陀螺儀對準基礎

上網時間: 2015年09月07日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:MEMS  陀螺儀  慣性測量  對準偏差  系統精度 

作者:Mark Looney,ADI公司iSensor應用工程師

對於在反饋迴路中採用MEMS慣性測量單元(IMU)的高性能動作控制系統,感測器對準偏差經常是其關鍵考慮之一。對於IMU中的陀螺儀,感測器對準偏差是指各陀螺儀的旋轉軸與系統定義的「慣性參考架構」(也稱為「全域架構」)之間的角度差。

為了管控對準偏差影響感測器節點精確度,可能需要獨特的封裝、特殊的組裝製程,或甚至在最終配置進行複雜的慣性測試。所有這些事情都可能對專案管理的重要指標(如計畫、投資和各系統中IMU相關的總成本等)產生重大影響。

因此,在設計週期的早期,當還有時間以最有效解決方案定義系統架構時,確保將感測器對準偏差納入考慮至關重要。畢竟,沒有人希望在燒掉80%的計畫時間和預算之後才發現,所使用的低成本感測器還得再增加數百甚至數千美元的非預期成本,才能滿足終端用戶不容商量的交貨要求。那可真是糟糕至極!

為設計系統架構IMU功能時,必須瞭解和評估三項基本的對準概念:誤差估計、瞭解對準偏差造成關鍵系統行為的影響,以及安裝後的電子校準。初始誤差估計應當包括來自IMU以及機械系統在執行過程中固定就位所造成的誤差。瞭解這些誤差對系統關鍵功能的影響有助於確定相關性能目標,防止過度處理問題,同時管控無法兌現關鍵性能和成本承諾的風險。最後,為了最佳化系統的性能/成本折衷空間,可能需要某種形式的電子校準。

預測安裝後的對準偏差

應用的對準精確度取決於兩項關鍵因素:IMU的對準偏差以及機械系統在執行過程中固定就位的精碓度。IMU的貢獻(ΨIMU)和系統的貢獻(ΨSYS)通常並不相關,因此,估計總對準偏差時,通常利用和方根計算兩個誤差源的和:

……………………(1)

有些IMU規格表透過「軸到封裝對準偏差」或「軸到座標對準偏差」等參數來量化對準偏差。圖1放大顯示了ADIS16485中各陀螺儀相對於其封裝邊緣的對準偏差。圖中的綠色虛線代表封裝定義的參考座標。實線表示封裝內部陀螺儀的旋轉軸,而ΨIMU表示三個對準偏差項的最大值(ΨX、ΨY、ΨZ)。


圖1:ADI16485軸到座標的對準偏差。

為了預測系統造成對準偏差的影響(公式1的ΨSYS),必須分析機械缺陷導致IMU在系統中的停駐位置相對於全域座標偏斜的可能性。使用焊接到印刷電路板的IMU時,必須考慮以下因素:原始放置精確度、焊料沉積的差異、回流焊期間的浮動、PCB關鍵特性(如安裝孔等)的容差,以及系統架構本身的容差等。使用模組式IMU時,它可以與系統外殼實現更直接的耦合,如圖2所示。此類介面有兩項關鍵機械特性可協助管控安裝偏斜誤差、安裝架(4×)以及安裝巢式基座。


圖2:內嵌式底板設計概念

在此類安裝方案中,四個安裝架的高度差異就是機械差異的一個例子,可能導致x軸和y軸的安裝偏斜。圖3放大說明這種偏差(H1與H2)對x軸安裝偏斜(ΨX)的影響。


圖3:安裝架差異引起的對準偏差

公式2反映出x軸偏斜角度(ΨX)與高度差(H2到H1)以及兩接觸點間跨度(W到W1)的關係:

……………………(2)

安裝架高度差異對y軸的安裝偏斜也有類似的影響。此時,利用封裝長度(L)取代公式2中的寬度(W),便可得到如下用於估計y軸偏斜角度(ΨY)的關係式。

……………………(3)

圖4提供另一個例子來說明機械特性如何影響z軸的安裝偏斜。在本例中,機械螺絲先穿過IMU主體的安裝孔(位於四角),再穿過安裝架的安裝孔,最後插入安裝架背部的鎖緊螺母。在這種情況下,機械螺絲的直徑(DM)與底板中相關通孔的直徑(DH)其間差異將導致z軸偏斜。


圖4:安裝螺絲/孔影響z軸偏斜角度

公式4反映z軸安裝偏斜(ΨZ)與直徑差和旋轉半徑(RS,等於相對兩角的兩個安裝螺絲間距離的一半)的關係。

……………………(4)

範例1:使用2mm機械螺絲將ADIS16485安裝到6mm×6mm安裝架上,安裝孔的直徑為2.85mm,高度容差為0.2mm,估算與此相關的總對準偏差。

解決方法:使用44mm的標準寬度(W),x軸偏斜角度(見圖3)預測值為0.3°。

封裝各邊安裝孔之間的標準距離分別為39.6mm和42.6mm。這些尺寸構成直角三角形的兩邊,其斜邊等於封裝相對兩角的兩個孔之間的距離。旋轉半徑(RS,見圖4)等於此距離的一半(29.1mm),因此z軸偏斜的預測值為0.83°。

對於公式1中的複合預測公式,ΨSYSZIMU

(下一頁繼續:對準偏差對系統精確度的影響)


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