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惯性传感器有哪几种类型,惯性传感器应用

时间:2023-05-04 12:09:00 阅读:252608 作者:2560

惯导

一个惯性测量单元(inertial measurement unit , IMU) 包含多个加速度计和多个陀螺仪,通常是3 个陀螺仪、3 个加速度计,以实现三维的比力和角速率测量。
微机械系统( micro - electro - mechanical systems MEMS)
级别分类:
航海级、导航级、战术级、消费级
加速度计分类:摆式、振梁式
陀螺仪分类:光学陀螺、振动陀螺

误差特性(重要)

各种加速度计和陀螺仪均存在零偏误差、比例因子误差、交叉藕合误差和一定程度的随机噪声。高阶的误差项、角速率/比力交叉敏感误差等。每一种系统性误差都包括:常值项、随温度变化项、逐次启动项和工作期间变化项。
常值项:常值项每次开机都会存在, IMU 处理器根据内场标定结果,对其进行修正。
随温度变化项随温度变化项可以结合内场标定的温度参数进行补偿。如果
不补偿温度变化项,传感器在开机之后的头几分钟,一般都会表现出系统误差。
这是因为传感器需要预热过程,以使其达到正常工作温度。
逐次启动项变化影响总体误差,而且每次开机都不同,但在一次开机过程中,保持不变。虽然IMU 处理器不能修正逐次启动项误差,但可以在初始对准和/或组合导航过程中对其进行标校。
工作期间变化项理论上,惯性导航的工作期间变化误差可以通过与其他导航传感器的组合予以修正,但实际上难以实现。

零偏

零偏(bias) 是所有的加速度计和陀螺仪都表现出的常值误差,将零偏分成静态分量(b和动态分量两部分。零偏的静态分量,也称为固定零偏、启动零偏或者零偏重复性,包含逐次启动零偏和经标定补偿之后的剩余常值项零偏。零偏的动态分量,也称为工作期间零偏变化量或零偏不稳定性,在数分钟的工作时间内就会有变化。零偏的动态分量包含经标定补偿之后的温变零偏剩余项。一般地,动态零偏占静态
零偏的10% 。
加速度计零偏单位mg 和ug
陀螺仪零偏单位°/h

比例因子和交叉耦合误差

比例因子误差( scale factor error) 指经过IMU 单位转换之后,惯性仪表输
入-输出的单位斜率的偏差。由加速度计比例因子误差导致的加速度计输出误差,与沿敏感轴方向的真实比力成正比;同样,由陀螺比例因子误差导致的陀螺输出误差,与绕敏感轴的真实转动角速率成正比。
交叉耦合误差(cross-coupling errors) 都是由于惯性传感器的敏感轴与载体坐标系的正交轴之间不对准造成的。
三轴正交的加速度计和陀螺仪组合而言, 比例因子和交叉耦合误差可以用下面的矩阵形式表示:

比例因子和交叉耦合误差导致的比力、角速率测量总误差分别为 M a f i b b M_af_{ib}^b Ma​fibb​、 M a w i b b M_aw_{ib}^b Ma​wibb​
随机噪声
所有的惯性传感器都表现出随机噪声,在陀螺和加速度计的噪声谱中,频率低于1Hz 的分量近似为白噪声。因而,比力和角速率平均噪声的标准偏差,与平均时间的方根成反比。惯性传感器的噪声通常用"功率谱密度"( PSD) 方根的形式来表征。
比力测量的随机噪声积分之后,产生惯导速度计算的随机游走误差;同样,角速率测量的随机噪声积分之后,产生姿态随机游走误差。随机游走过程的标准偏差正比于积分时间的方根。对IMU 输出的比力积分和速度增量的随机噪声分别求和,同样可以得到随机游走误差。
对应功率谱密度的方根乘以采样频率的方根或者除以采样周期的方根,就得到随机噪声采样的标准偏差。
深层误差源
与比力相关的误差,也就是所谓的g相关零偏。g相关零偏是一个3 x3 的矩阵
惯性传感器还表现出比例因子非线性误差
测量过程超越传感器的带宽,也会引起误差。最大带宽是更新频率的%
振动导致的误差
在振动环境中,运动与传感器比例因子和交叉藕合误差相互作用,产生振荡
传感器误差。一段时间后,这些误差的均值为0 。然而,任何比例因子和交叉藕
合误差的不对称或非线性,都将构成振动误差的一部分,并且不会随时间相互抵
消。这就是所说的振动整流误差(vigbration rectificatÏon error, VRE) ,表现出随
振动幅度变化的、与零偏类似的误差特性。
误差模型

式中: f ~ i b b tilde{f}_{ib}^b f~​ibb​和 w ~ i b b tilde{w}_{ib}^b w~ibb​为IMU 输出的比力和角速度矢量; f i b b f_{ib}^b fibb​和 w i b b w_{ib}^b wibb​则为对应的真实值;

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