慣性測量單元 IMU 傳感器選購時需考慮的主要關鍵規格

      解釋慣性測量單元規格

      慣性測量單元傳(chuan) 感器的應用範圍廣泛，主要基於(yu) 精度和漂移誤差。IMU 通常有“性能等級”，基本上將產(chan) 品性能和航位推算能力（無輔助導航）與(yu) 典型的市場應用聯係起來，以幫助進行一般選擇。例如，與(yu) 商業(ye) 級 IMU 相比，高端戰術級 IMU 具有更低的漂移和偏差不穩定性以及更好的航位推算能力。以下是典型的性能等級與(yu) 應用指南：

      與(yu) 大多數產(chan) 品和技術一樣，慣性測量單元的性能通常與(yu) 成本直接相關(guan) 。了解 IMU 傳(chuan) 感器的規格及其推斷是為(wei) 特定應用選擇合適且經濟高效的 IMU 解決(jue) 方案的關(guan) 鍵。以下是一些需要考慮的關(guan) 鍵規格。

      偏差不穩定

      偏置不穩定性，也稱為(wei) “運行中偏置穩定性”，表示傳(chuan) 感器輸出在穩定溫度下隨著時間的推移運行期間漂移的量。漂移本質上是由傳(chuan) 感技術的物理限製引起的，並且由於(yu) 它是傳(chuan) 感器固有的或係統性的，因此漂移誤差會(hui) 累積。偏差不穩定性可能是確定特定應用的 IMU 類型的最關(guan) 鍵規格，因為(wei) 它提供了與(yu) 時間相關(guan) 的整體(ti) 不穩定性值以及最佳可能的精度估計。

      Advanced Navigation 在 Orientus MEMS IMU 中實現了 3°/小時的陀螺儀(yi) 偏置不穩定性，在 Boreas D90 數字 FOG 中實現了 0.001°/小時的陀螺儀(yi) 偏置不穩定性。對於(yu) 加速偏差不穩定性，Orientu s 達到 20 µg，Boreas D90 達到 7 µg。

      初始偏差

      接通後，當陀螺儀(yi) 和加速度計均靜止且處於(yu) 熱穩定狀態時，無論旋轉力或加速力如何，傳(chuan) 感器都將呈現可測量的輸出或偏移誤差。由於(yu) 測量之間的熱、物理、機械和電氣變化，該初始偏置在每次開啟時可能會(hui) 有所不同。

由於(yu) 初始偏差的性質不同，因此在生產(chan) 過程中無法對其進行校準。然而，輔助導航係統（例如，使用 GNSS）可以更好地估計初始偏差並在輸出測量中過濾它。每次開啟後初始偏置越穩定，濾波效果就越佳。也可以說，初始偏差誤差越低，濾波通常越可靠。初始偏差穩定性與(yu) 無輔助導航係統或執行陀螺羅經的係統最相關(guan) 。

      Advanced Navigation 在 Orientus MEMS IMU 中實現了 <0.2°/s 的陀螺儀(yi) 初始偏差，在 Boreas D90 數字 FOG 中實現了 <0.01°/hr 的陀螺儀(yi) 初始偏差。對於(yu) 加速初始偏差，Orientus 達到 <5 mg，Boreas D90 達到 <100 µg。

      範圍和分辨率

      範圍是傳(chuan) 感器可以測量的最小和最大輸入值限製。任何低於(yu) 最小值或高於(yu) 最大值的輸入都無法準確測量，因此傳(chuan) 感器不會(hui) 產(chan) 生任何輸出。加速度計的範圍定義(yi) 為(wei) g 單位 (1 g = -9.8 m/s2)；磁力計使用 G 等級（“高斯”）來定義(yi) ，陀螺儀(yi) （角速率傳(chuan) 感器）則以°/s 為(wei) 單位。

      分辨率基本上是測量精度。也就是說，在沒有任何信號不穩定的情況下，傳(chuan) 感器的測量增量有多精細。分辨率越高（測量增量越小），靈敏度越高，準確度越好。

      範圍和分辨率值通常是相互關(guan) 聯的，通常傳(chuan) 感器範圍越窄，傳(chuan) 感器分辨率越高。想象一下兩(liang) 個(ge) 傳(chuan) 感器；傳(chuan) 感器 A 的量程為(wei) ± 2 g，分辨率為(wei) 0.05，傳(chuan) 感器 B 的量程為(wei) ± 10 g，分辨率為(wei) 0.5。在此示例中，傳(chuan) 感器 B 提供的重力範圍是傳(chuan) 感器可承受的 5 倍，但傳(chuan) 感器 A 的分辨率要精確 10 倍。

      一些 Advanced Navigation 產(chan) 品具有可配置的範圍，可以在各種應用中提供最佳的分辨率。例如，Certus MEMS INS 可以提供±2 g、±4 g 或±16 g 的加速度，以及±250 °/s、±500 °/s 或±2000 °/s 的陀螺儀(yi) 旋轉速率。

      比例因子/比例誤差

      比例因子是描述傳(chuan) 感器輸出變化與(yu) 被測輸入變化之間的誤差的比率。例如，比例因子為(wei) 0.1% 的加速度傳(chuan) 感器檢測到 2 g (19.61 m/s2) 的實際加速度時可能會(hui) 輸出 19.63 m/s2 的值。比例因子越小，實際輸入與(yu) IMU 產(chan) 生的偏差校正輸出之間的誤差就越小。比例因子誤差通常隨溫度變化，必須在工作溫度範圍內(nei) 進行校準。

      製造商通常將此偏差定義(yi) 為(wei) 百分比或百萬(wan) 分之一 (ppm)。高級導航在 Orientus MEMS IMU 中實現了 <0.04% 的陀螺儀(yi) 比例因子，在 Boreas D90 數字 FOG 中實現了 80 ppm。對於(yu) 加速比例因子，Orientus 達到 0.06%，Boreas D90 達到 100 ppm。

      比例因子穩定性

      比例因子穩定性描述了由於(yu) 溫度而導致的比例因子/比例誤差的任何變化以及該變化的可重複性的一致性。例如，比例因子穩定性較差的傳(chuan) 感器可能會(hui) 隨著溫度的變化而更快地失去精度，並且即使在穩定的溫度下，其輸出的一致性也會(hui) 較差。

      製造商通常將此偏差定義(yi) 為(wei) 百分比或百萬(wan) 分之一 (ppm)。高級導航在 Orientus MEMS IMU 中實現了 <0.05% 的陀螺儀(yi) 比例因子穩定性，在 Boreas D90 數字 FOG 中實現了 10 ppm。對於(yu) 加速比例因子穩定性，Orientus 達到 <0.06 %，Boreas D90 達到 100 ppm。

      噪音和噪音密度

      噪聲可以描述為(wei) 傳(chuan) 感器輸出的隨機變化，而傳(chuan) 感器的輸入和傳(chuan) 感器運行的條件保持不變。傳(chuan) 感器噪聲越“密集”，在給定帶寬上噪聲的影響或“功率”越大，輸出的方差也越大。這可能會(hui) 扭曲或降低原始輸出的質量並引入歧義(yi) 。

      為(wei) 了幫助克服噪聲，或者至少將其最小化，傳(chuan) 感器處理器可以平均或計算噪聲信號的標準偏差，並以較低的速率輸出——這是“下采樣”的過程，它減少了測量到的噪聲量進入傳(chuan) 感器輸出。噪聲密度通常用信號噪聲除以采樣率的平方根來衡量。

      Advanced Navigation 在 Orientus MEMS IMU 中實現了 0.004 °/s/√Hz 的陀螺噪聲密度，在 Boreas D90 數字 FOG 中實現了 0.06 °/hr/√Hz 的陀螺噪聲密度。對於(yu) 加速比例因子穩定性，Orientus 達到 100 µg/√Hz，Boreas D90 達到 <30 µg/√Hz。

      隨機遊走

      隨機遊走是當信號用於(yu) 計算其他數據時由信號噪聲引起的輸出漂移。例如，當對來自陀螺儀(yi) 的角速率信號進行積分以確定角度時，測量結果將由於(yu) 信號噪聲而隨時間漂移，並且可能表現為(wei) 從(cong) 一個(ge) 樣本到下一個(ge) 樣本的隨機步驟。通過將隨機遊走乘以時間的平方根，可以計算出噪聲引起的漂移的標準偏差。

      陀螺儀(yi) 的隨機遊走稱為(wei) 角度隨機遊走 (ARW)，加速度計的隨機遊走稱為(wei) 速度隨機遊走 (VRW)。對於(yu) 陀螺儀(yi) ，隨機遊走的規範通常以 °/√s 或 °/√hr 為(wei) 單位，對於(yu) 加速度計，通常以 m/s/√s 或 m/s/√hr 為(wei) 單位。

      Advanced Navigation 在 Orientus MEMS IMU 中實現了 0.24 °/√hr 的 ARW，在 Boreas D90 數字 FOG 中實現了 0.001 °/√hr 的 ARW。對於(yu) VRW，Boreas D90 達到 17 mm/s/√hr。

      帶寬和采樣率

      帶寬是傳(chuan) 感器可以響應並提供可靠的角速度或線性加速度值的最大輸入頻率。額定頻率之外的輸入通常會(hui) 被衰減。帶寬還與(yu) 采樣率和測量速度有關(guan) 。這種速度轉化為(wei) 傳(chuan) 感器延遲，更高帶寬的傳(chuan) 感器通過更快地對輸入做出反應來提供更好的性能。

      采樣率是傳(chuan) 感器每秒輸出的測量樣本數。請注意，帶寬和采樣率有時可以互換使用，但它們(men) 並不相同。采樣率與(yu) 帶寬不同，因為(wei) 它可以是任何指定的速率，而帶寬取決(jue) 於(yu) 傳(chuan) 感器響應頻率。

      Advanced Navigation IMU 具有 1000 Hz (1 kHz) 采樣率，通常使用帶寬為(wei) 400 Hz 的角速率和加速度傳(chuan) 感器。 1 kHz 采樣率提供了更高的分辨率，可檢測運動的快速變化，並可有效控製動態不穩定的平台。