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應用越來越廣的慣性傳感器IMU
http://www.380304.tw 2020-08-10 13:59:49 IND4汽車人
電工電氣網】訊
  IMU全稱Inertial Measurement Unit,慣性測量單元,主要用來檢測和測量加速度與旋轉運動的傳感器。其原理是采用慣性定律實現的,這些傳感器從超小型的的MEMS傳感器,到測量精度非常高的激光陀螺,無論尺寸只有幾個毫米的MEMS傳感器,到直徑幾近半米的光纖器件采用的都是這一原理。
 
  最基礎的慣性傳感器包括加速度計和角速度計(陀螺儀),他們是慣性系統的核心部件,是影響慣性系統性能的主要因素。尤其是陀螺儀其漂移對慣導系統的位置誤差增長的影響是時間的三次方函數。而高精度的陀螺儀制造困難,成本高昂。因此提高陀螺儀的精度、同時降低其成本也是當前追求的目標。
 
  陀螺儀的發展趨勢:
 
  隨著微電子技術的發展,出現了新型的慣性傳感器微機械陀螺儀和加速度計。MEMS(Micro-Electro-Mechanical System,微機電系統/微電子機械系統)技術傳感器也逐漸演變成為汽車傳感器的主要部件。本文這里重點介紹MEMS的六軸慣性傳感器。它主要由三個軸加速度傳感器及三個軸的陀螺儀組成。
 
  一、MEMS慣性傳感器分級、組成及原理
 
  1、MEMS慣性傳感器分級
 
  目前不管是傳統汽車還是自動駕駛汽車用的慣性傳感器通常是中低級的,其特點是更新頻率高(通常為:1kHz),可提供實時位置信息。但它有個致命的缺點——他的誤差會隨著時間的推進而增加,所以只能在很短的時間內依賴慣性傳感器進行定位。通常在自動駕駛車輛中與GNSS(全球導航衛星系統)配合一起使用,稱為組合慣導。
 
  2、MEMS慣性傳感器組成及原理
 
  慣性傳感器是對物理運動做出反應的器件,如線性位移或角度旋轉,并將這種反應轉換成電信號,通過電子電路進行放大和處理。加速度計和陀螺儀是最常見的兩大類MEMS慣性傳感器。加速度計是敏感軸向加速度并轉換成可用輸出信號的傳感器;陀螺儀是能夠敏感運動體相對于慣性空間的運動角速度的傳感器。三個MEMS加速度計和三個MEMS陀螺儀組合形成可以敏感載體3個方向的線加速度和3個方向的加速度的微型慣性測量組合(Micro Inertial Messurement Unit,MIMU),慣性微系統利用三維異構集成技術,將MEMS加速度計、陀螺儀、壓力傳感器、磁傳感器和信號處理電路等功能零件集成在硅芯片內,并內置算法,實現芯片級制導、導航、定位等功能。
 
  (1)MEMS加速度計
 
  MEMS加速度計是MEMS領域最早開始研究的傳感器之一。經過多年的發展,MEMS加速度計的設計和加工技術已經日趨成熟。
 
  上圖為MEMS加速度計,它的工作原理就是靠MEMS中可移動部分的慣性。由于中間電容板的質量很大,而且它是一種懸臂構造,當速度變化或者加速度達到足夠大時,它所受到的慣性力超過固定或者支撐它的力,這時候它會移動,它跟上下電容板之間的距離就會變化,上下電容就會因此變化。電容的變化跟加速度成正比。根據不同測量范圍,中間電容板懸臂構造的強度或者彈性系數可以設計得不同。還有如果要測量不同方向的加速度,這個MEMS的結構會有很大的不同。電容的變化會被另外一塊專用芯片轉化成電壓信號,有時還會把這個電壓信號放大。電壓信號在數字化后經過一個數字信號處理過程,在零點和靈敏度校正后輸出。
 
  加速度計還有一個自測試功能。當它剛通電時,邏輯控制會向自測試電路發出命令。自測試電路產生一個直流電壓加載到MEMS芯片的自測試電路板上,中間可活動電容板就會因靜電吸引而下移。接下來的處理過程跟測試真的加速度一樣。
 
  目前,國外眾多研究機構和慣性器件廠商都開展了MEMS加速度計技術研究,如美國的Draper實驗室、Michigan大學、加州大學Berkley分校、瑞士Neuchatel大學、美國Northrop Grumman Litton公司、Honeywell公司、ADI、Silicon Designs、Silicon Sensing、Endevco公司、瑞士的Colibrys公司、英國的BAE公司等。
 
  其中,以Draper實驗室為代表的研究機構和大學的主要工作在于提升MEMS加速度計的技術指標。能夠提供實用化MEMS加速度計產品的主要廠家有ADI、Silicon Designs、Silicon Sensing、Endevco和瑞士的Colibrys公司。
 
  (2)MEMS陀螺儀角速度計
 
  自20世紀80年代以來,對角速率敏感的MEMS陀螺儀角速度計受到越來越多的關注。根據性能指標,MEMS陀螺儀同樣可以分為三級:速率級、戰術級和慣性級。速率級陀螺儀可用于消費類電子產品、手機、數碼相機、游戲機和無線鼠標;戰術級陀螺儀適用于工業控制、智能汽車、火車、汽船等領域;慣性級陀螺儀可用于衛星、航空航天的導航、制導和控制。
 
  上圖為MEMS陀螺儀角速度計(MEMS gyroscope),其工作原理是利用角動量守恒原理及科里奧效應測量運動物體的角速率。它主要是一個不停轉動的物體,它的轉軸指向不隨承載它的支架的旋轉而變化。
 
  與加速度計工作原理相似,陀螺儀的上層活動金屬與下層金屬形成電容。當陀螺儀轉動時,他與下面電容板之間的距離機會發生變化,上下電容也就會因此而改變。電容的變化跟角速度成正比,由此我們可以測量當前的角速度。
 
  據不完全統計,研究MEMS陀螺儀的機構如下:斯坦福大學、密歇根大學、加州大學伯克利分校、歐文、洛杉磯、中東技術大學、弗萊堡大學、南安普敦大學、首爾國立大學、根特大學、清華大學、北京大學、東南大學、上海交通大學、浙江大學、博世、ST、InvenSense、NXP、ADI、TI等。
 
  (3)慣性傳感器的誤差問題
 
  由于制作工藝的原因,慣性傳感器測量的數據通常都會有一定誤差。第一種誤差是偏移誤差,也就是陀螺儀和加速度計即使在沒有旋轉或加速的情況下也會有非零的數據輸出。要想得到位移數據,我們需要對加速度計的輸出進行兩次積分。在兩次積分后,即使很小的偏移誤差會被放大,隨著時間推進,位移誤差會不斷積累,最終導致我們沒法再跟蹤物體的位置。第二種誤差是比例誤差,所測量的輸出和被檢測輸入的變化之間的比率。與偏移誤差相似,在兩次積分后,隨著時間推進,其造成的位移誤差也會不斷積累。第三種誤差是背景白噪聲,如果不給予糾正,也會導致我們沒法再跟蹤物體的位置。
 
  二、慣性傳感器應用
 
  慣性傳感器能夠為車輛中的所有控制單元提供車輛的即時運動狀態。路線偏移,縱向橫向的擺動角速度,以及縱向、橫向和垂直加速度等信號被準確采集,并通過標準接口傳輸至數據總線。所獲得的信號用于復雜的調節算法,以增強乘用車和商用車(例如,ESC/ESP、ADAS、AD)以及摩托車(優化的曲線ABS)、工業車輛和農用車的舒適性與安全應用。
 
  三、MEMS慣性傳感器的發展
 
  未來MEMS慣性傳感器的發展主要有四個方向:
 
  1、高精度
 
  導航、自動駕駛和個人穿戴設備等對慣性傳感器的精度需求逐漸提高,精細化測量需求和智能化的發展也對傳感器的精度提出了越來越高的要求。
 
  2、微型化
 
  器件的微型化可以實現設備便攜性,滿足分布式應用要求。微型化是未來智能傳感設備的發展趨勢,是實現萬物互聯的基礎。
 
  3、高集成度
 
  無論是慣性測量單元還是慣性微系統都是為了提高器件的集成度,進而實現在更小的體積內具備更多的測量功能,滿足裝備小體積、低功耗、多功能的需求。
 
  4、適應性強
 
  隨著MEMS慣性傳感器的應用范圍越來越廣泛,工作環境也會越來越復雜,例如:高溫、高壓、大慣量和高沖擊等,適應復雜環境能夠進一步拓寬MEMS慣性傳感器的應用范圍。
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