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惯性测量单元 IMU 传感器选购时需考虑的主要关键规格

文章出处:新闻资讯 责任编辑:深圳市广陵达科技有限公司 发表时间:2023-12-29 09:57:27

      解释惯性测量单元规格

      惯性测量单元传感器的应用范围广泛,主要基于精度和漂移误差。IMU 通常有“性能等级”,基本上将产品性能和航位推算能力(无辅助导航)与典型的市场应用联系起来,以帮助进行一般选择。例如,与商业级 IMU 相比,高端战术级 IMU 具有更低的漂移和偏差不稳定性以及更好的航位推算能力。以下是典型的性能等级与应用指南:


性能等级偏差不稳定应用领域航位推算陀螺仪类型
消费者/爱好>20°/小时运动检测不适用微机电系统
工业/战术5至20°/小时机器人技术、测量和工业应用、平台稳定性约 3 至 5 分钟微机电系统
高端战术0.1至5°/小时自主系统和平台稳定性约 10 分钟MEMS/FOG/RLG
导航0.01至0.1°/小时航空航天/海事/AUV导航几个小时FOG / RLG
战略0.0001至0.01°/小时潜艇导航几个小时FOG / RLG


      与大多数产品和技术一样,惯性测量单元的性能通常与成本直接相关。了解 IMU 传感器的规格及其推断是为特定应用选择合适且经济高效的 IMU 解决方案的关键。以下是一些需要考虑的关键规格。

惯性测量单元 IMU

      偏差不稳定

      偏置不稳定性,也称为“运行中偏置稳定性”,表示传感器输出在稳定温度下随着时间的推移运行期间漂移的量。漂移本质上是由传感技术的物理限制引起的,并且由于它是传感器固有的或系统性的,因此漂移误差会累积。偏差不稳定性可能是确定特定应用的 IMU 类型的最关键规格,因为它提供了与时间相关的整体不稳定性值以及最佳可能的精度估计。


      Advanced Navigation 在 Orientus MEMS IMU 中实现了 3°/小时的陀螺仪偏置不稳定性,在 Boreas D90 数字 FOG 中实现了 0.001°/小时的陀螺仪偏置不稳定性。对于加速偏差不稳定性,Orientu s 达到 20 µg,Boreas D90 达到 7 µg。


      初始偏差

      接通后,当陀螺仪和加速度计均静止且处于热稳定状态时,无论旋转力或加速力如何,传感器都将呈现可测量的输出或偏移误差。由于测量之间的热、物理、机械和电气变化,该初始偏置在每次开启时可能会有所不同。

由于初始偏差的性质不同,因此在生产过程中无法对其进行校准。然而,辅助导航系统(例如,使用 GNSS)可以更好地估计初始偏差并在输出测量中过滤它。每次开启后初始偏置越稳定,滤波效果就越佳。也可以说,初始偏差误差越低,滤波通常越可靠。初始偏差稳定性与无辅助导航系统或执行陀螺罗经的系统最相关。


      Advanced Navigation 在 Orientus MEMS IMU 中实现了 <0.2°/s 的陀螺仪初始偏差,在 Boreas D90 数字 FOG 中实现了 <0.01°/hr 的陀螺仪初始偏差。对于加速初始偏差,Orientus 达到 <5 mg,Boreas D90 达到 <100 µg。


      范围和分辨率

      范围是传感器可以测量的最小和最大输入值限制。任何低于最小值或高于最大值的输入都无法准确测量,因此传感器不会产生任何输出。加速度计的范围定义为 g 单位 (1 g = -9.8 m/s2);磁力计使用 G 等级(“高斯”)来定义,陀螺仪(角速率传感器)则以°/s 为单位。


      分辨率基本上是测量精度。也就是说,在没有任何信号不稳定的情况下,传感器的测量增量有多精细。分辨率越高(测量增量越小),灵敏度越高,准确度越好。


      范围和分辨率值通常是相互关联的,通常传感器范围越窄,传感器分辨率越高。想象一下两个传感器;传感器 A 的量程为 ± 2 g,分辨率为 0.05,传感器 B 的量程为 ± 10 g,分辨率为 0.5。在此示例中,传感器 B 提供的重力范围是传感器可承受的 5 倍,但传感器 A 的分辨率要精确 10 倍。


      一些 Advanced Navigation 产品具有可配置的范围,可以在各种应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 的陀螺仪旋转速率。


      比例因子/比例误差

      比例因子是描述传感器输出变化与被测输入变化之间的误差的比率。例如,比例因子为 0.1% 的加速度传感器检测到 2 g (19.61 m/s2) 的实际加速度时可能会输出 19.63 m/s2 的值。比例因子越小,实际输入与 IMU 产生的偏差校正输出之间的误差就越小。比例因子误差通常随温度变化,必须在工作温度范围内进行校准。


      制造商通常将此偏差定义为百分比或百万分之一 (ppm)。高级导航在 Orientus MEMS IMU 中实现了 <0.04% 的陀螺仪比例因子,在 Boreas D90 数字 FOG 中实现了 80 ppm。对于加速比例因子,Orientus 达到 0.06%,Boreas D90 达到 100 ppm。


      比例因子稳定性

      比例因子稳定性描述了由于温度而导致的比例因子/比例误差的任何变化以及该变化的可重复性的一致性。例如,比例因子稳定性较差的传感器可能会随着温度的变化而更快地失去精度,并且即使在稳定的温度下,其输出的一致性也会较差。


      制造商通常将此偏差定义为百分比或百万分之一 (ppm)。高级导航在 Orientus MEMS IMU 中实现了 <0.05% 的陀螺仪比例因子稳定性,在 Boreas D90 数字 FOG 中实现了 10 ppm。对于加速比例因子稳定性,Orientus 达到 <0.06 %,Boreas D90 达到 100 ppm。


      噪音和噪音密度

      噪声可以描述为传感器输出的随机变化,而传感器的输入和传感器运行的条件保持不变。传感器噪声越“密集”,在给定带宽上噪声的影响或“功率”越大,输出的方差也越大。这可能会扭曲或降低原始输出的质量并引入歧义。


      为了帮助克服噪声,或者至少将其最小化,传感器处理器可以平均或计算噪声信号的标准偏差,并以较低的速率输出——这是“下采样”的过程,它减少了测量到的噪声量进入传感器输出。噪声密度通常用信号噪声除以采样率的平方根来衡量。


      Advanced Navigation 在 Orientus MEMS IMU 中实现了 0.004 °/s/√Hz 的陀螺噪声密度,在 Boreas D90 数字 FOG 中实现了 0.06 °/hr/√Hz 的陀螺噪声密度。对于加速比例因子稳定性,Orientus 达到 100 µg/√Hz,Boreas D90 达到 <30 µg/√Hz。


      随机游走

      随机游走是当信号用于计算其他数据时由信号噪声引起的输出漂移。例如,当对来自陀螺仪的角速率信号进行积分以确定角度时,测量结果将由于信号噪声而随时间漂移,并且可能表现为从一个样本到下一个样本的随机步骤。通过将随机游走乘以时间的平方根,可以计算出噪声引起的漂移的标准偏差。


      陀螺仪的随机游走称为角度随机游走 (ARW),加速度计的随机游走称为速度随机游走 (VRW)。对于陀螺仪,随机游走的规范通常以 °/√s 或 °/√hr 为单位,对于加速度计,通常以 m/s/√s 或 m/s/√hr 为单位。


      Advanced Navigation 在 Orientus MEMS IMU 中实现了 0.24 °/√hr 的 ARW,在 Boreas D90 数字 FOG 中实现了 0.001 °/√hr 的 ARW。对于 VRW,Boreas D90 达到 17 mm/s/√hr。


      带宽和采样率

      带宽是传感器可以响应并提供可靠的角速度或线性加速度值的最大输入频率。额定频率之外的输入通常会被衰减。带宽还与采样率和测量速度有关。这种速度转化为传感器延迟,更高带宽的传感器通过更快地对输入做出反应来提供更好的性能。


      采样率是传感器每秒输出的测量样本数。请注意,带宽和采样率有时可以互换使用,但它们并不相同。采样率与带宽不同,因为它可以是任何指定的速率,而带宽取决于传感器响应频率。


      Advanced Navigation IMU 具有 1000 Hz (1 kHz) 采样率,通常使用带宽为 400 Hz 的角速率和加速度传感器。 1 kHz 采样率提供了更高的分辨率,可检测运动的快速变化,并可有效控制动态不稳定的平台。


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