将传感器融合应用于加速度计和陀螺仪

加速度计和陀螺仪是获取无人机,手机,汽车,飞机和移动物联网设备中加速度和旋转信息的首选传感器。然而,加速度计和陀螺仪都容易出错,包括噪声和漂移,要求设计者采用新颖的方法来达到最佳的精度。
其中一种方法包括传感器融合。本文将独立评估加速度计和陀螺仪,以了解这些噪声和漂移错误是如何发生的。然后将介绍每种类型的传感器的例子,并展示如何使用传感器融合技术来结合这两个传感器的结果,并减少这些错误的影响。

选择正确的传感器

加速度计可以测量所有以毫伏/克(mV / g)为单位的物体上的线性力。运动物体可以表现出动态的运动,如加速度,以及重力作为连续的静力。通过将加速计附加到物体上,可以测量其加速度和作用在物体上的重力。但是,加速度计随着时间的推移会出现位置误差的趋势。
意法半导体(ST)无人机采用3D加速度计和3D陀螺仪传感器
图1:具有三维(3D)加速计和3D陀螺仪传感器的无人机成功地向地面控制单元提供位置反馈。(图片来源:维基百科和意法半导体)
陀螺仪给出了以mV /度/秒(mV /度/秒)为单位的物体上工作的角速度随时间变化的速率。通过将陀螺仪附加到物体上,传感器可以平滑地测量物体的角度变化,但是陀螺仪会呈现稳定增长的角度误差,这与加速度计一样随时间而增加。
许多加速度计和陀螺仪使用微机电系统(MEMS)制造。MEMS传感器的生产过程将硅和机械功能结合在相同的微米硅衬底上。这些器件的主要组件是机械元件,传感机制和专用集成电路(ASIC)。

MEMS作为加速计

单个MEMS加速度计的结构使用固定的硅片和机械弹簧来响应外力(图2)。 
MEMS加速度计模型的图像
图2:MEMS加速度计模型使用硅和机械元件来产生对应于加速度变化的电容变化。(图片来源:HowToMechatronics.com)
常见的MEMS传感技术是使用片上可变电容器。在运动中,绿色的固定板保持静止而橙色的质量沿着加速轴弯曲。随着这个移动,电容值C1和C2随着固定板和质量之间的距离变化而变化。
一个MEMS加速度计电容器的结构的特写视图
图3:一个MEMS加速度计电容器的结构特写图。(图片来源:Digi-Key Electronics)
定量地说,C1和C2值的变化取决于电容极板之间的距离d(图3)。
等式1
哪里:
ε 0 =空气的介电常数= 8.85×10 -12法拉/米
ε - [R =相对于空气衬底的介电常数
L =相邻固定板的长度和质量
W =固定板的厚度和质量
d =固定板和质量之间的分离
等式1中的关键变量是d。在恒定的加速度和引力的作用下,距离的变化保持不变。当传感器静止或达到匀速状态时,结构松弛。然而,引力依然存在。
作为一个单元,这些电容器的值可以在亚皮法(pF)的范围内。将多个平行板并行放置可将值增加到可用范围。
这些电容器的测量电路示例将C1和C2作为相对电源之间的分压器(图4)。信号通过一个低通滤波器,然后用一个delta-sigma模数转换器(ADC)进行数字化。
Maxim C1和C2的图形成两个相反的电源之间的分压器
图4:在一个实例中,C1和C2在两个相反的电源之间形成一个分压器,输出数字化。(图片来源:Maxim Integrated)

3D加速度计

在3D加速计中,有三个正交安装的加速度传感器(图5)。
3D加速计X,Z和Y轴的示意图
图5:3D加速度计为x,y和z轴的位置加速度提供输出数据。(图片来源:意法半导体)
所有三个加速度计的传感机制都是电容式的。用于运动激活功能的合适加速度计是意法半导体的LIS2DW12TR数字输出3轴加速度计。LIS2DW12TR是一款具有数字输出和四种不同工作模式的MEMS 3D加速计:高分辨率,正常,低功耗和断电。
高分辨率模式提供了一个14位数据输出代码,以提高测量精度。满量程位设置为±2 g时,高分辨率模式的典型灵敏度为0.244毫克/位(mg / digit)。或者,满量程位设置为±16 g,高分辨率模式的典型灵敏度为1.952 mg / digit。该器件具有典型的零g出厂校准偏移准确度±20 mg。
3D加速度计测量沿x,y和z轴的线性加速度。在旋转的情况下,例如滚筒,内部固定板与质量之间的距离保持不变。随后,加速度计将不会响应角速度。  
利用这个属性,3D加速度计适用于运动检测,手势识别,显示方向和自由落体检测等应用。但是,它只能满足无人机感应要求的一部分。

三维陀螺仪

MEMS陀螺仪也依赖于硅和机械元件之间的变化电容,但是通过这种配置,传感器随角速度变化产生电容变化。
3D陀螺仪有三个垂直安装的陀螺传感器(图6)。重力的测量以英尺/秒/秒(ft./s/s)表示,其中  1g等于地球的重力。所有三个陀螺仪的传感机制都是电容式的。

三维陀螺仪的图表
图6:三维陀螺仪提供围绕x,y和z轴的角加速度旋转的输出数据。(图片来源:意法半导体)
适用于导航系统的陀螺仪是意法半导体的I3G4250D三轴数字输出陀螺仪。它提供了一个16位的数据输出代码。
将满量程位设置为每秒245度(dps)时,典型的灵敏度是每位每秒8.75毫微秒(mdps /位)。或者,将满量程位设置为2000 dps,高分辨率模式的典型灵敏度为70 mdps /位。该器件的典型数字零速率水平为±10 dps。这种零速率级别和灵敏度性能使设计人员可以避免在生产过程中进一步进行补偿和校准。
3D陀螺仪测量x,y和z轴周围的角加速度。如果在陀螺仪上施加线性加速度,内部固定板与质量之间的距离保持不变。随后,陀螺仪将不会响应线速度。
有了这个属性,3D陀螺仪适用于诸如运动控制,电器和机器人等应用。然而,陀螺仪和加速度计的组合可以开始满足无人机的感测要求。

结合3D加速度计和陀螺仪

加速度计和陀螺仪各自为导航系统带来强大的优势; 然而,两者都有数据不确定性的领域。通过这两个传感器收集相同现象的数据,即物体的运动,合并输出数据以获得两个传感器的最佳效果是一个不错的选择。这可以通过传感器融合策略来实现。
传感器融合技术将来自不同来源的感官数据进行组合,并生成不确定性较低或更准确的信息。在陀螺仪和加速度计的情况下,它们各自用来抵消对方的噪声和漂移误差,以提供更完整和精确的运动跟踪。
结合这些传感器输出的这个动作是通过实现卡尔曼滤波器或互补滤波器来实现的。卡尔曼滤波器是一个强大的工具,结合不确定性信息。在动态系统中,这个滤波器对于不断变化的系统是理想的。
将3D加速度计和3D陀螺仪数据结合起来,使两种功能共存于同一设备是最有效的。这种器件的一个例子是STMicroelectronics LSM6DS3HTR 3D加速度计和3D陀螺仪。此设备的适当应用包括计步器,运动跟踪,手势检测和倾斜功能。
LSM6DS3HTR的动态用户可选满量程加速度范围为±2 /±4 /±8 /±16 g,角速度范围为±125 /±245 /±500 /±1000 /对其独立的姐姐和兄弟。
当结合3D加速度计和3D陀螺仪时,互补(或卡尔曼)滤波器最初使用陀螺仪的精度,因为它不容易受到外力的影响。长期来说,使用加速度计数据是因为它不漂移。
在过滤器最简单的形式中,软件等式是:
等式2
这些值随着时间而被整合。
此外,意法半导体还提供了丰富的软件来支持STM32微控制器的传感。

结论

随着设计人员在移动物体上提取更准确的信息,与传感器融合策略结合使用的3D MEMS加速度计和陀螺仪可以为运动和导航难题提供可靠的解决方案。

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