MEMS-IMU發(fā)展之路“前途廣闊”

基于傳統(tǒng)慣性器件的特點(diǎn)，將MEMS與之結(jié)合可極大地改善傳統(tǒng)慣性器件的缺點(diǎn)。MEMS是將微電子技術(shù)和機(jī)械工程融合到一起的工業(yè)技術(shù)，伴隨著制作集成電路的硅半導(dǎo)體工藝的完善，20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的微型機(jī)械、微型傳感器和微型執(zhí)行器的微機(jī)械制造技術(shù)，使得MEMS技術(shù)成為現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品，滿足不同需求的應(yīng)用領(lǐng)域。根據(jù)對(duì)MEMS-IMU精度要求不同，大概可將其分為低精度、中精度和高精度三類。

（1）低精度MEMS-IMU

應(yīng)美盛（InvenSense）旗下的 ICM-20602 6軸慣性傳感器（3軸加速度計(jì) + 3軸陀螺儀）全面支持谷歌 Daydream 和 Tango 的要求，可批量生產(chǎn)應(yīng)用于 Daydream 認(rèn)證和兼容Tango的智能手機(jī)，以構(gòu)建的 VR/AR 生態(tài)系統(tǒng)。這便是低精度MEMS-IMU應(yīng)用的一個(gè)成功案例?？偨Y(jié)來看低精度MEMS-IMU主要用于消費(fèi)電子類的產(chǎn)品，其應(yīng)用范圍極為廣泛，可用于手機(jī)、游戲機(jī)、音樂播放器、無線鼠標(biāo)、數(shù)碼相機(jī)、硬盤保護(hù)器、智能玩具、計(jì)步器、防盜系統(tǒng)等。與環(huán)境傳感器等器件結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)助聽、運(yùn)動(dòng)感測(cè)等功能。這類低精度的MEMS-IMU主要要求是：?jiǎn)蝺r(jià)低、尺寸小、溫度范圍窄。

應(yīng)美盛ICM-20602 6軸慣性傳感器

低精度MEMS-IMU：加速度計(jì)尺寸小、重量輕、功耗低，一般測(cè)量范圍1~50g，分辨率2mg~10mg，陀螺儀一般量程在±300°/s，零偏在500°/h~1000°/h范圍內(nèi)。

（2）中精度MEMS-IMU

相比低精度MEMS-IMU，中精度MEMS-IMU主要用于汽車級(jí)及工業(yè)級(jí)產(chǎn)品。

在汽車級(jí)產(chǎn)品中，中精度MEMS-IMU不僅可用于GPS 輔助導(dǎo)航系統(tǒng)，而其對(duì)于車電子穩(wěn)定系統(tǒng)、汽車安全氣囊、車輛姿態(tài)測(cè)量也有奇效。例如IMU可以用作高精度定位、汽車自身姿態(tài)的判斷，即使在GPS信號(hào)丟失或有阻隔的情形中，IMU也可為汽車提供可靠的信息，這便可確保汽車主動(dòng)安全，是自動(dòng)駕駛的關(guān)鍵組件之一。再比如，近些年汽車車身穩(wěn)定系統(tǒng)的標(biāo)配ESP中，IMU就是其中的關(guān)鍵組件。汽車級(jí)可作為一個(gè)工業(yè)應(yīng)用的特殊產(chǎn)品，對(duì)其可靠性要求高，同時(shí)由于需求數(shù)量大，和一般工業(yè)要求不同的是要求單價(jià)低。

在工業(yè)級(jí)產(chǎn)品中，中精度MEMS-IMU可應(yīng)用于精密農(nóng)業(yè)、工業(yè)自動(dòng)化、大型醫(yī)療設(shè)備、機(jī)器人、儀器儀表、工程機(jī)械等。還記得，Atlas高端類人機(jī)器人驚人的平衡感嗎？那個(gè)摔倒了還可以自己爬起來的神奇機(jī)器人，其超強(qiáng)的平衡感要部分歸功于其體內(nèi)的IMU。說起在工業(yè)領(lǐng)域使用的慣性傳感器，大多以模塊形式出現(xiàn)，對(duì)于應(yīng)用于工業(yè)級(jí)芯片級(jí)產(chǎn)品，還必須進(jìn)行處理，包括軟件和硬件電路，以及對(duì)不同工業(yè)環(huán)境的適應(yīng)性，大多數(shù)要求價(jià)格適中，精度要求要優(yōu)于應(yīng)用于消費(fèi)電子類的傳感器。

Atlas高端類人機(jī)器人

中精度MEMS-IMU：加速度計(jì)的量程選擇比較寬1~500g，分辨率1mg~3mg，陀螺儀量程大多250°/s以內(nèi)，零偏在50°/h~200°/h范圍內(nèi)。

（3）高精度MEMS-IMU

高精度IMU可解決復(fù)雜航空航天系統(tǒng)中慣性傳感器的部署難題，如航空電子系統(tǒng)所采用的IMU是ADIS16485/8，滿足一切性能和可靠性目標(biāo)。高精度MEMS-IMU主要用于軍用級(jí)和宇航級(jí)產(chǎn)品，要求高精度、全溫區(qū)、抗沖擊等。主要應(yīng)用于通訊衛(wèi)星無線、導(dǎo)彈導(dǎo)引頭、光學(xué)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)等穩(wěn)定性應(yīng)用、飛機(jī)和導(dǎo)彈飛行控制、姿態(tài)控制、偏航阻尼等控制應(yīng)用、以及中程導(dǎo)彈制導(dǎo)、慣性GPS導(dǎo)航等制導(dǎo)應(yīng)用、遠(yuǎn)程飛行器、船舶儀器、戰(zhàn)場(chǎng)機(jī)器人等。軍工級(jí)或宇航級(jí)的MEMS-IMU精度要求高、工作溫度范圍寬，某些兵器產(chǎn)品要求抗沖擊能力強(qiáng)，尺寸要比光纖和機(jī)械類產(chǎn)品更小。

ADIS16488慣性測(cè)量單元

高精度MEMS-IMU：加速度計(jì)量程范圍比較寬1g~5000g，分辨率要0.1mg~1mg范圍內(nèi)，甚至更高。陀螺儀量程要求范圍寬20°/s~1000°/s，頻率響應(yīng)高，要求在50Hz~1000Hz之間，零偏穩(wěn)定性在1°/h~50°/h范圍內(nèi)。

如今MEMS-IMU正在向更高集成度和更高精度的方向發(fā)展。其中MEMS陀螺儀的發(fā)展極為明顯，其性能也在接近或者已經(jīng)達(dá)到戰(zhàn)術(shù)級(jí)應(yīng)用的水平；而MEMS加速度計(jì)是商業(yè)市場(chǎng)化最為成功的，其精度已經(jīng)能夠滿足戰(zhàn)略導(dǎo)彈的應(yīng)用要求，但目前MEMS加速度計(jì)的精度水平還不是很高。MEMS慣性器件在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制作工藝、集成化、電路設(shè)計(jì)、封裝及試驗(yàn)系統(tǒng)等方面還存在許多的問題，需要進(jìn)一步解決。MEMS慣性傳感器的研究熱點(diǎn)和發(fā)展方向是精度高、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)和多傳感器集成化等，其中MEMS慣性傳感器件的設(shè)計(jì)和制造元器件所需的生產(chǎn)工具也是一個(gè)重要的研究方向。

IMU簡(jiǎn)介

IMU，慣性測(cè)量單元，是一種使用加速度計(jì)和陀螺儀來測(cè)量物體三軸姿態(tài)角（或角速率）以及加速度的裝置。狹義上，一個(gè)IMU 內(nèi)在正交的三軸上安裝陀螺儀和加速度計(jì)，共 6 個(gè)自由度，來測(cè)量物體在三維空間中的角速度和加速度，這就是我們熟知的“6軸IMU”；廣義上，IMU可在加速度計(jì)和陀螺儀的基礎(chǔ)上加入磁力計(jì)，可形成如今已被大眾知曉的“9軸IMU”。

其中加速度計(jì)檢測(cè)物體在載體坐標(biāo)系統(tǒng)獨(dú)立三軸的加速度信號(hào)，而陀螺儀檢測(cè)載體相對(duì)于導(dǎo)航坐標(biāo)系的角速度信號(hào)，測(cè)量物體在三維空間中的角速度和加速度，并以此解算出物體的姿態(tài)。IMU在導(dǎo)航中的核心價(jià)值無可替代，為了提高其可靠性，還可以為每個(gè)單軸配備更多種類的傳感器。為保證測(cè)量準(zhǔn)確性，一般IMU要安裝在被測(cè)物體的重心上。

一種IMU原理示意圖

影響IMU性能的主要因素

MEMS-IMU主要誤差源

將IMU的誤差源歸類后主要有以下四類：

（1）加速度計(jì)影響因素

在IMU中，加速度計(jì)對(duì)其的影響主要體現(xiàn)在加速度計(jì)的精度和穩(wěn)定性兩個(gè)方面。其中加速度計(jì)的高精度是為保障后續(xù)數(shù)據(jù)處理的精確性，加速度計(jì)的穩(wěn)定性則是直接影響IMU能否發(fā)揮出正常性能的關(guān)鍵因素。

其中加速度計(jì)精度可采用6位置靜態(tài)標(biāo)定法。將IMU器件安裝完畢后，按照下圖的六個(gè)位置分別收集三個(gè)方向加速度計(jì)的數(shù)據(jù)。

加速度計(jì)靜態(tài)六位置

（2）陀螺儀影響因素

陀螺儀對(duì)IMU的影響主要體現(xiàn)在其精確性上，其精確性將直接影響姿態(tài)解算的優(yōu)劣程度，換句話說，最后IMU能否正確感知產(chǎn)品的姿態(tài)就是依靠陀螺儀的精確性。

陀螺儀誤差模型與加速度計(jì)類似，采用的標(biāo)定方法是動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)的，將IMU置于單軸轉(zhuǎn)臺(tái)中，令每個(gè)軸向上、向下，并分別以50°/s、100°/s、150°/s、200°/s、250°/s的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)正反方向，并收集足夠的數(shù)據(jù)。

陀螺儀的動(dòng)態(tài)標(biāo)定

除精確性外，MEMS陀螺的性能指標(biāo)主要有：標(biāo)度因數(shù)（與比例因子互為倒數(shù)）、標(biāo)度因數(shù)非線性、零偏、零偏穩(wěn)定性、零偏重復(fù)性。這些指標(biāo)系統(tǒng)的反映了陀螺儀的性能，因此有必要對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)試，掌握其具體的指標(biāo)參數(shù)。

（3）溫度影響因素

MEMS慣性器件在溫度發(fā)生變化時(shí)，其精度會(huì)產(chǎn)生較大的差異，一般情況下，慣性器件的工作環(huán)境不可能是恒溫環(huán)境，尤其是陀螺的精度受到嚴(yán)重影響，因此溫度的影響不能忽略，以陀螺儀為例，置放慣性器件于恒溫轉(zhuǎn)臺(tái)中試驗(yàn)，并在不同溫度下收集數(shù)據(jù)。

微慣性器件的溫度試驗(yàn)

（4）IMU產(chǎn)品化后主要影響因素

A．信噪比低

信噪比低會(huì)造成使用IMU的產(chǎn)品不敏感，因此最棘手的問題便是降噪。一般此種情況可利用小波降噪，對(duì)信號(hào)進(jìn)行消噪實(shí)際上是抑制信號(hào)中的無用部分，增強(qiáng)信號(hào)中的有用部分的過程。

慣性器件常用的消噪過程為：a. 信號(hào)的小波分解，選擇一個(gè)合適的小波并確定分解的層次，然后進(jìn)行分解計(jì)算；b. 小波分解高頻系數(shù)的閾值量化，對(duì)各個(gè)分解尺度下的高頻系數(shù)選擇一個(gè)閾值進(jìn)行軟閾值量化處理；c. 小波重構(gòu)，根據(jù)小波分解的最底層低頻系數(shù)和各層分解的高頻系數(shù)進(jìn)行一維小波重構(gòu)。其中最關(guān)鍵的是如何選擇閾值以及進(jìn)行閾值量化處理，它直接關(guān)系信號(hào)消噪的質(zhì)量。

B．漂移大/延遲大

對(duì)于信號(hào)延遲問題，MEMS的常用器件都有存在，在IMU產(chǎn)品中極為明顯。國(guó)外研究機(jī)構(gòu)提出利用慣性誤差旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)，來解決延遲問題。慣性誤差旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)實(shí)質(zhì)上是一種誤差自補(bǔ)償技術(shù)，利用IMU周期性轉(zhuǎn)動(dòng)完成對(duì)慣性器件慢變誤差的調(diào)制，是在現(xiàn)有器件精度的條件下實(shí)現(xiàn)更高導(dǎo)航精度的有效方法。采用誤差調(diào)制技術(shù)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的存在導(dǎo)致陀螺儀和加速度計(jì)與載體不再固連，但解算依然采用捷聯(lián)算法，因此這種慣性導(dǎo)航系統(tǒng)被稱為旋轉(zhuǎn)調(diào)制型捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。