基于三軸轉(zhuǎn)臺的MEMS慣性傳感器參數(shù)測量方法*

李姣姣 王東波 趙祚喜 譚志斌 趙汝準(zhǔn)

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)南方農(nóng)業(yè)機械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點實驗室）

0 引言

由于MEMS慣性傳感器尺寸小、重量輕、功耗低、線性度好，主要用于檢測機械的運動學(xué)參數(shù)，包括GPS空間定位及飛行器的姿態(tài)檢測等[1]。慣性導(dǎo)航或者姿態(tài)測量精度主要取決于MEMS慣性傳感器的測量精度[2]。

目前，測量MEMS慣性傳感器的運動學(xué)參數(shù)精度并無簡單易行的方法，主要由傳感器說明手冊提供。國內(nèi)較多學(xué)者使用軟件方法提高M(jìn)EMS器件精度，如基于最小分辨率方法抑制MEMS陀螺漂移[3]。硬件測試方法主要有[4]：帶有可控環(huán)境箱的速率轉(zhuǎn)臺能夠提供速率測試；溫度試驗可以放入環(huán)境試驗箱內(nèi)測試；搖擺速率轉(zhuǎn)臺能夠確定陀螺儀與相關(guān)電子控制電路對施加于其敏感器輸入軸的振蕩旋轉(zhuǎn)的頻率響應(yīng)特性；加速度計性能的檢查可以使用精密分度頭完成，以上方法只能進(jìn)行一項或者兩項測試，并不能模擬綜合測試。三軸多功能轉(zhuǎn)臺能夠模擬多種運動狀態(tài)，進(jìn)行綜合試驗。趙汝準(zhǔn)等基于三軸慣性測試轉(zhuǎn)臺的集成慣性傳感器ADIS16355實驗研究[5]，譚志斌等MEMS慣性傳感器的三軸轉(zhuǎn)臺實驗研究[6]，對慣性傳感器進(jìn)行了單一的測試，本文在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了綜合測試，并于實際應(yīng)用中分析其精度。

三軸轉(zhuǎn)臺是測試角運動參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，通過設(shè)置各種軸轉(zhuǎn)動來模擬實際環(huán)境中的角運動進(jìn)行本實驗。本文以SGT320E三軸多功能轉(zhuǎn)臺為基礎(chǔ)，選擇ADIS16355傳感器與 AHRS[7]作為實驗樣例，研究MEMS慣性傳感器運動學(xué)參數(shù)的檢測方法，搭建MEMS慣性傳感器運動學(xué)參數(shù)測量平臺，并在激光平地機平地鏟水平測試中驗證了其精度。

1 實驗設(shè)備與方法

1.1 SGT320E轉(zhuǎn)臺介紹

三軸多功能轉(zhuǎn)臺是為準(zhǔn)確測試慣性系統(tǒng)和器件而設(shè)計制造的仿真測試設(shè)備[8]。采用本機控制方式時，三軸同時具有速率、位置以及正弦擺動模式，且互不干擾；通過串口仿真控制轉(zhuǎn)臺以預(yù)定方式轉(zhuǎn)動，能實現(xiàn)更復(fù)雜的轉(zhuǎn)動效果。

轉(zhuǎn)臺的硬件分為三部分：機械臺體、工控機、工作臺，如圖1所示。

各控制柜間及臺體間由相關(guān)電纜連接，轉(zhuǎn)臺的安裝和使用環(huán)境都有很高的要求。機械臺體主要由內(nèi)軸、中軸、外軸組成，內(nèi)軸的安裝臺供慣性傳感器安裝固定；工控機是轉(zhuǎn)臺的核心部分，負(fù)責(zé)計算機控制、信號配置、配電控制；工作臺提供了人機交互界面，可通過該平臺設(shè)置控制參數(shù)。

1.2 運動學(xué)參數(shù)測量方法及誤差模型建立

設(shè)備安裝示意圖如圖2所示，三軸轉(zhuǎn)臺內(nèi)軸、中軸、外軸能夠按照要求旋轉(zhuǎn)，互不影響。MEMS慣性傳感器固定在三軸轉(zhuǎn)臺內(nèi)框的安裝板中心，傳感器信號通過轉(zhuǎn)臺的連接線輸出，轉(zhuǎn)臺輸出數(shù)據(jù)與慣性傳感器輸出數(shù)據(jù)通過串口能同時被PC機接收，將接收到的傳感器數(shù)據(jù)與轉(zhuǎn)臺數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，進(jìn)行誤差分析。

1.2.1 陀螺儀誤差補償

參照文獻(xiàn)[4]，在靜態(tài)條件下，假定考慮地球速率分量存在，陀螺儀的輸出（W0）可以表示為：

式（1）中：廣州重力加速度g為9.788 m/s2；Bf為g無關(guān)的零偏[4]；Bgx、Bgy、Bgz是由分別作用在傳感器x、y和z軸上的加速度ax、ay、az引起的g相關(guān)零偏。對于常規(guī)速率積分陀螺，這些軸對應(yīng)于陀螺儀的自轉(zhuǎn)軸、輸入軸和輸出軸。

如果將陀螺的x軸置于與重力矢量一致且指為向上和向下，則得到相應(yīng)的測量結(jié)果m1和m2為：

系數(shù)Bf和Bgx可以從這兩次測量結(jié)果的和與差中計算得到。同樣，g相關(guān)零偏系數(shù)可以通過y和z軸與重力矢量對準(zhǔn)進(jìn)行測量來確定。

常規(guī)陀螺儀提供的旋轉(zhuǎn)速率測量值（Wx），可以根據(jù)繞其輸入軸施加的速率（wx）用下列表達(dá)式表示：

式(3)中：ax和az分別為陀螺儀沿其輸入軸和自轉(zhuǎn)軸的加速度；Bf為g無關(guān)的零偏；Bgx、Bgz為與g有關(guān)的零偏系數(shù)；Bgx為非等彈性零偏系數(shù)；nx為x軸陀螺儀零平均值隨機零偏；My、Mz為交叉耦合系數(shù)；Sx為標(biāo)度因數(shù)誤差。

由于交叉耦合系數(shù)為輸入角速率的百萬分之幾，Bgxax、Bgzaz、Baxzayaz很小，誤差模型可以簡化為：

同理

1.2.2 加速度計誤差補償

采用六位置法[10]計算加速度誤差模型

式(7)中：Ax、Ay、Az為加速度計的實際測量值，單位為g；ax0、ay0、az0為加速度計的零偏，單位為g；Kax1、Kay1、Kaz1為加速度計安裝誤差系數(shù)；Kax3、Kay3、Kaz3為加速度計二次方有關(guān)的誤差系數(shù)，單位為g-1；Sax、Say、Saz為加速度計的標(biāo)度因數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 陀螺儀測試

2.1.1 陀螺儀每個位置上的加速度有關(guān)的陀螺漂移

如果將陀螺的x軸置于與重力矢量一致且指為向上和向下，則得到相應(yīng)的測量結(jié)果m1和m2。系數(shù)Bf和Bgx可以從這兩次測量結(jié)果的和與差中計算得到。同樣，可以將y軸置于重力矢量一致且指為向上和向下，可算得系數(shù)Bf和Bgy。同樣，以將z軸置于重力矢量一致且指為向上和向下，可算得系數(shù)Bf和Bgz。將采集到的陀螺儀數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)處理計算得到陀螺儀的三軸零偏，如表1與表2所示。

表1 ADIS16355陀螺儀三軸零偏

表2 MTi陀螺儀三軸零偏

2.1.2 標(biāo)度因數(shù)的測量

標(biāo)度因數(shù)是指傳感器輸出信號和其對應(yīng)的轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)速率之間的相互關(guān)系，即關(guān)系曲線的擬合曲線相對水平線的角度[9]。設(shè)置轉(zhuǎn)臺以外框速率方式轉(zhuǎn)動[5]，從靜止開始，每增加20°/s運行一段時間，例如20°/s，40°/s，60°/s……最后達(dá)到 200°/s（轉(zhuǎn)臺的最高速率是200°/s），然后由 20°/s遞減至－200°/s，得出陀螺儀輸出速率與轉(zhuǎn)臺速率進(jìn)行對比，得到陀螺儀的輸出誤差值。采用數(shù)據(jù)擬合方法[11]得到標(biāo)度因數(shù)如表3所示。

2.2 加速度計測試

將安裝好的ADIS16355通電預(yù)熱十分鐘后[6]，按照表4[10]進(jìn)行測試，每個位置按照100 Hz的采樣頻率采集數(shù)據(jù)，靜態(tài)保持1分鐘，取平均值。按照表4所示位置，分別對加速度計輸出數(shù)據(jù)求平均值，得到加速度計各個位置值。

表3 三軸標(biāo)度因數(shù)

表4 加速度計六位置軸向設(shè)置圖

根據(jù)文獻(xiàn)[11]六位置法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

則ADIS16355三軸加速度計的模型為：

則MTi三軸加速度計的模型為：

2.3 數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

由表5可知，各項測試數(shù)據(jù)均在參考值范圍內(nèi)，說明ADIS16355與MTi的性能參數(shù)均符合實驗要求。

3 MEMS激光平地機實驗

將 MEMS傳感器按照上述方法進(jìn)行誤差補償后，安裝到水田激光平地機平地鏟上，進(jìn)行傾斜角的測量。該系統(tǒng)分別采用ADIS16355與AHRS慣性傳感器模塊融合來測量平地鏟實時傾斜角。模塊安裝于姿態(tài)測量系統(tǒng)中，其中數(shù)字陀螺儀中心對準(zhǔn)平地鏟轉(zhuǎn)銷中心o，如圖3所示。

表5 性能指標(biāo)參考值與測試值對比

圖3 平地鏟水平傾角傳感器及安裝示意圖

如文獻(xiàn)[12]建立 MEMS傳感器組合測量傾斜角模型，給MEMS傳感器加入誤差補償，再進(jìn)行傳感器融合算法的解算，如圖4所示。

圖4 平地鏟傾角測量示意圖

實驗結(jié)果證明，水平激光平地機在平地過程中，水平系統(tǒng)測量平地鏟水平傾斜角曲線如圖5所示，平均誤差為0.25°，最大誤差為2.55°，大部分在±1°以內(nèi)，滿足水田平地需要。

4 結(jié)論

SGT320E三軸多功能轉(zhuǎn)臺的多種運動方式能夠再現(xiàn)物體的各種運動狀態(tài)。通過SGT320E三軸多功能轉(zhuǎn)臺來測試MEMS傳感器的性能參數(shù)是一個可行的方法。該方法所需材料少，操作簡單，采用Matlab采集處理數(shù)據(jù)，方便可靠。通過水田激光平地機實驗驗證，該方法能夠通過誤差補償提高M(jìn)EMS慣性傳感器精度。

圖5 水平系統(tǒng)所測平地鏟水平傾斜角曲線

本實驗仍有一些不足，需進(jìn)一步完善。本實驗只在20℃到35℃室溫范圍內(nèi)進(jìn)行測試，未考慮MEMS受溫度影響。如果要測試傳感器性能受溫度的影響，需要將轉(zhuǎn)臺封閉在環(huán)境試驗箱內(nèi)進(jìn)行觀測。

[1] 呂強,劉峰,王珂珂,等.三軸慣性傳感器ADIS16355在姿態(tài)檢測中的應(yīng)用[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2010(9):51-54.

[2] 李艷波,曾鳴.三軸轉(zhuǎn)臺誤差源對陀螺加速度表測試的影響[J].航空精密制造技術(shù),2008,44(2):28-31．

[3] 翁海詮,任春華,張敬棟,等.基于最小分辨率的 MEMS陀螺漂移抑制方法研究[J].儀器儀表學(xué)報,2011,32(10):2371-2375．

[4] David H, Titterton and John L Weston. Strapdown Inertial Navigation Technology［M］.Printed in the UK by MPG Books Limited, Bodmin, Cornwall, 2004.

[5] 趙汝準(zhǔn),趙祚喜,張霖,等.基于三軸慣性測試轉(zhuǎn)臺的集成慣性傳感器ADIS16355實驗研究[J].機電工程技術(shù)，2012,41（3）：22-26.

[6] 譚志斌,趙祚喜,張霖,等.MEMS慣性傳感器的三軸轉(zhuǎn)臺實驗研究[J].電子測量技術(shù),2012,35(4):110-115.

[7] 美國 Crossbow 公司. AHRS500GA-[ ]Series Operator’s Manual .www.Crowsbow.com

[8] SGT320E型三軸多功能轉(zhuǎn)臺使用維護(hù)說明書［Z］.中國航空工業(yè)集團(tuán)公司北京航空精密機械研究所,2010.

[9] 黎永鍵,趙祚喜.姿態(tài)航向參考系統(tǒng) AHRS500GA 田間導(dǎo)航定位試驗研究[A].紀(jì)念中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會成立30周年暨中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會學(xué)術(shù)年會論文集[C],2009

[10] 宋麗君,秦永元.MEMS加速度計的六位置測試法[J].測控技術(shù),2009,28(7):11-17．

[11] 劉保柱,蘇彥華,張宏林,等.MATLAB7.0從入門到精通［M］.北京:人民郵電出版社,2010.

[12] 黎永鍵,趙祚喜.水田激光平地機平地鏟姿態(tài)測量系統(tǒng)的設(shè)計［J］.農(nóng)機化研究,2011(2):69-75.