基于三軸轉臺的MEMS慣性傳感器參數測量方法*

李姣姣 王東波 趙祚喜 譚志斌 趙汝準

（華南農業大學工程學院 華南農業大學南方農業機械與裝備關鍵技術教育部重點實驗室）

0 引言

由于MEMS慣性傳感器尺寸小、重量輕、功耗低、線性度好，主要用于檢測機械的運動學參數，包括GPS空間定位及飛行器的姿態檢測等[1]。慣性導航或者姿態測量精度主要取決于MEMS慣性傳感器的測量精度[2]。

目前，測量MEMS慣性傳感器的運動學參數精度并無簡單易行的方法，主要由傳感器說明手冊提供。國內較多學者使用軟件方法提高MEMS器件精度，如基于最小分辨率方法抑制MEMS陀螺漂移[3]。硬件測試方法主要有[4]：帶有可控環境箱的速率轉臺能夠提供速率測試；溫度試驗可以放入環境試驗箱內測試；搖擺速率轉臺能夠確定陀螺儀與相關電子控制電路對施加于其敏感器輸入軸的振蕩旋轉的頻率響應特性；加速度計性能的檢查可以使用精密分度頭完成，以上方法只能進行一項或者兩項測試，并不能模擬綜合測試。三軸多功能轉臺能夠模擬多種運動狀態，進行綜合試驗。趙汝準等基于三軸慣性測試轉臺的集成慣性傳感器ADIS16355實驗研究[5]，譚志斌等MEMS慣性傳感器的三軸轉臺實驗研究[6]，對慣性傳感器進行了單一的測試，本文在此基礎上進行了綜合測試，并于實際應用中分析其精度。

三軸轉臺是測試角運動參數的標準設備，通過設置各種軸轉動來模擬實際環境中的角運動進行本實驗。本文以SGT320E三軸多功能轉臺為基礎，選擇ADIS16355傳感器與 AHRS[7]作為實驗樣例，研究MEMS慣性傳感器運動學參數的檢測方法，搭建MEMS慣性傳感器運動學參數測量平臺，并在激光平地機平地鏟水平測試中驗證了其精度。

1 實驗設備與方法

1.1 SGT320E轉臺介紹

三軸多功能轉臺是為準確測試慣性系統和器件而設計制造的仿真測試設備[8]。采用本機控制方式時，三軸同時具有速率、位置以及正弦擺動模式，且互不干擾；通過串口仿真控制轉臺以預定方式轉動，能實現更復雜的轉動效果。

轉臺的硬件分為三部分：機械臺體、工控機、工作臺，如圖1所示。

各控制柜間及臺體間由相關電纜連接，轉臺的安裝和使用環境都有很高的要求。機械臺體主要由內軸、中軸、外軸組成，內軸的安裝臺供慣性傳感器安裝固定；工控機是轉臺的核心部分，負責計算機控制、信號配置、配電控制；工作臺提供了人機交互界面，可通過該平臺設置控制參數。

1.2 運動學參數測量方法及誤差模型建立

設備安裝示意圖如圖2所示，三軸轉臺內軸、中軸、外軸能夠按照要求旋轉，互不影響。MEMS慣性傳感器固定在三軸轉臺內框的安裝板中心，傳感器信號通過轉臺的連接線輸出，轉臺輸出數據與慣性傳感器輸出數據通過串口能同時被PC機接收，將接收到的傳感器數據與轉臺數據進行對比，進行誤差分析。

1.2.1 陀螺儀誤差補償

參照文獻[4]，在靜態條件下，假定考慮地球速率分量存在，陀螺儀的輸出（W0）可以表示為：

式（1）中：廣州重力加速度g為9.788 m/s2；Bf為g無關的零偏[4]；Bgx、Bgy、Bgz是由分別作用在傳感器x、y和z軸上的加速度ax、ay、az引起的g相關零偏。對于常規速率積分陀螺，這些軸對應于陀螺儀的自轉軸、輸入軸和輸出軸。

如果將陀螺的x軸置于與重力矢量一致且指為向上和向下，則得到相應的測量結果m1和m2為：

系數Bf和Bgx可以從這兩次測量結果的和與差中計算得到。同樣，g相關零偏系數可以通過y和z軸與重力矢量對準進行測量來確定。

常規陀螺儀提供的旋轉速率測量值（Wx），可以根據繞其輸入軸施加的速率（wx）用下列表達式表示：

式(3)中：ax和az分別為陀螺儀沿其輸入軸和自轉軸的加速度；Bf為g無關的零偏；Bgx、Bgz為與g有關的零偏系數；Bgx為非等彈性零偏系數；nx為x軸陀螺儀零平均值隨機零偏；My、Mz為交叉耦合系數；Sx為標度因數誤差。

由于交叉耦合系數為輸入角速率的百萬分之幾，Bgxax、Bgzaz、Baxzayaz很小，誤差模型可以簡化為：

同理

1.2.2 加速度計誤差補償

采用六位置法[10]計算加速度誤差模型

式(7)中：Ax、Ay、Az為加速度計的實際測量值，單位為g；ax0、ay0、az0為加速度計的零偏，單位為g；Kax1、Kay1、Kaz1為加速度計安裝誤差系數；Kax3、Kay3、Kaz3為加速度計二次方有關的誤差系數，單位為g-1；Sax、Say、Saz為加速度計的標度因數。

2 結果與分析

2.1 陀螺儀測試

2.1.1 陀螺儀每個位置上的加速度有關的陀螺漂移

如果將陀螺的x軸置于與重力矢量一致且指為向上和向下，則得到相應的測量結果m1和m2。系數Bf和Bgx可以從這兩次測量結果的和與差中計算得到。同樣，可以將y軸置于重力矢量一致且指為向上和向下，可算得系數Bf和Bgy。同樣，以將z軸置于重力矢量一致且指為向上和向下，可算得系數Bf和Bgz。將采集到的陀螺儀數據通過數據處理計算得到陀螺儀的三軸零偏，如表1與表2所示。

表1 ADIS16355陀螺儀三軸零偏

表2 MTi陀螺儀三軸零偏

2.1.2 標度因數的測量

標度因數是指傳感器輸出信號和其對應的轉臺旋轉速率之間的相互關系，即關系曲線的擬合曲線相對水平線的角度[9]。設置轉臺以外框速率方式轉動[5]，從靜止開始，每增加20°/s運行一段時間，例如20°/s，40°/s，60°/s……最后達到 200°/s（轉臺的最高速率是200°/s），然后由 20°/s遞減至－200°/s，得出陀螺儀輸出速率與轉臺速率進行對比，得到陀螺儀的輸出誤差值。采用數據擬合方法[11]得到標度因數如表3所示。

2.2 加速度計測試

將安裝好的ADIS16355通電預熱十分鐘后[6]，按照表4[10]進行測試，每個位置按照100 Hz的采樣頻率采集數據，靜態保持1分鐘，取平均值。按照表4所示位置，分別對加速度計輸出數據求平均值，得到加速度計各個位置值。

表3 三軸標度因數

表4 加速度計六位置軸向設置圖

根據文獻[11]六位置法進行數據處理。

則ADIS16355三軸加速度計的模型為：

則MTi三軸加速度計的模型為：

2.3 數據及結果分析

由表5可知，各項測試數據均在參考值范圍內，說明ADIS16355與MTi的性能參數均符合實驗要求。

3 MEMS激光平地機實驗

將 MEMS傳感器按照上述方法進行誤差補償后，安裝到水田激光平地機平地鏟上，進行傾斜角的測量。該系統分別采用ADIS16355與AHRS慣性傳感器模塊融合來測量平地鏟實時傾斜角。模塊安裝于姿態測量系統中，其中數字陀螺儀中心對準平地鏟轉銷中心o，如圖3所示。

表5 性能指標參考值與測試值對比

圖3 平地鏟水平傾角傳感器及安裝示意圖

如文獻[12]建立 MEMS傳感器組合測量傾斜角模型，給MEMS傳感器加入誤差補償，再進行傳感器融合算法的解算，如圖4所示。

圖4 平地鏟傾角測量示意圖

實驗結果證明，水平激光平地機在平地過程中，水平系統測量平地鏟水平傾斜角曲線如圖5所示，平均誤差為0.25°，最大誤差為2.55°，大部分在±1°以內，滿足水田平地需要。

4 結論

SGT320E三軸多功能轉臺的多種運動方式能夠再現物體的各種運動狀態。通過SGT320E三軸多功能轉臺來測試MEMS傳感器的性能參數是一個可行的方法。該方法所需材料少，操作簡單，采用Matlab采集處理數據，方便可靠。通過水田激光平地機實驗驗證，該方法能夠通過誤差補償提高MEMS慣性傳感器精度。

圖5 水平系統所測平地鏟水平傾斜角曲線

本實驗仍有一些不足，需進一步完善。本實驗只在20℃到35℃室溫范圍內進行測試，未考慮MEMS受溫度影響。如果要測試傳感器性能受溫度的影響，需要將轉臺封閉在環境試驗箱內進行觀測。

[1] 呂強,劉峰,王珂珂,等.三軸慣性傳感器ADIS16355在姿態檢測中的應用[J].單片機與嵌入式系統應用,2010(9):51-54.

[2] 李艷波,曾鳴.三軸轉臺誤差源對陀螺加速度表測試的影響[J].航空精密制造技術,2008,44(2):28-31．

[3] 翁海詮,任春華,張敬棟,等.基于最小分辨率的 MEMS陀螺漂移抑制方法研究[J].儀器儀表學報,2011,32(10):2371-2375．

[4] David H, Titterton and John L Weston. Strapdown Inertial Navigation Technology［M］.Printed in the UK by MPG Books Limited, Bodmin, Cornwall, 2004.

[5] 趙汝準,趙祚喜,張霖,等.基于三軸慣性測試轉臺的集成慣性傳感器ADIS16355實驗研究[J].機電工程技術，2012,41（3）：22-26.

[6] 譚志斌,趙祚喜,張霖,等.MEMS慣性傳感器的三軸轉臺實驗研究[J].電子測量技術,2012,35(4):110-115.

[7] 美國 Crossbow 公司. AHRS500GA-[ ]Series Operator’s Manual .www.Crowsbow.com

[8] SGT320E型三軸多功能轉臺使用維護說明書［Z］.中國航空工業集團公司北京航空精密機械研究所,2010.

[9] 黎永鍵,趙祚喜.姿態航向參考系統 AHRS500GA 田間導航定位試驗研究[A].紀念中國農業工程學會成立30周年暨中國農業工程學會學術年會論文集[C],2009

[10] 宋麗君,秦永元.MEMS加速度計的六位置測試法[J].測控技術,2009,28(7):11-17．

[11] 劉保柱,蘇彥華,張宏林,等.MATLAB7.0從入門到精通［M］.北京:人民郵電出版社,2010.

[12] 黎永鍵,趙祚喜.水田激光平地機平地鏟姿態測量系統的設計［J］.農機化研究,2011(2):69-75.