01說在前面的話

最近，經(jīng)過一段時(shí)間不懈努力，實(shí)現(xiàn)了對(duì) QMI8658 姿態(tài)傳感器的零偏(即常值誤差)進(jìn)行標(biāo)定。過去我曾整理過姿態(tài)傳感器誤差參數(shù)相關(guān)的文章，包括《MEMS 慣性傳感器 02 - 參數(shù)指標(biāo)&誤差介紹》和《MEMS_慣性傳感器12 - 再說參數(shù)指標(biāo)&含義》?；叵肫饋?，盡管這兩篇文章也很詳細(xì)，但有時(shí)還是會(huì)讓我感到困惑。在我的理解中，零偏誤差相對(duì)較易被補(bǔ)償。利用在靜止?fàn)顟B(tài)下，利用加速度計(jì)的理論輸出為 [0,0,1] 和陀螺儀的理論輸出為 [0,0,0]，即可消除零偏影響。但是，零偏重復(fù)性誤差仍需要被扣除。這是因?yàn)殡S機(jī)漂移中包含很多噪聲源，通常是白噪聲。雖然這種噪聲不能完全扣除，但我們可以通過使用更高精度的傳感器或多顆傳感器陣列來優(yōu)化誤差。

02傳感器零偏參數(shù)

對(duì)于MEMS傳感器，每一顆芯片都是獨(dú)一無二的，所以芯片與芯片之間存在偏差。為了評(píng)價(jià)傳感器的這種波動(dòng)，常用方法是采用標(biāo)準(zhǔn)差(1 sigma)進(jìn)行評(píng)價(jià)。 傳感器在上電后就會(huì)出現(xiàn)漂移，又分為常值漂移和隨機(jī)漂移兩種。 常值漂移就叫零偏，通過多次測量的均值就可以獲取到傳感器的零偏。在后續(xù)系統(tǒng)使用時(shí)對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。因?yàn)槔镁颠M(jìn)行補(bǔ)償?shù)?，所以在補(bǔ)償后的常值漂移在傳感器的輸出中還會(huì)有一部分殘余。因此，引出零偏重復(fù)性指標(biāo)。 零偏重復(fù)性，它表征傳感器每次零偏的接近重復(fù)程度，零偏重復(fù)性好的傳感器經(jīng)過補(bǔ)償后，殘余的常值漂移比較小，可以達(dá)到更高的精度。

零偏穩(wěn)定性，反映的是傳感器的隨機(jī)漂移指標(biāo)，又稱隨機(jī)噪聲，一般認(rèn)為是白噪聲。 通常零偏穩(wěn)定性是指，采集一段時(shí)間的數(shù)據(jù)，計(jì)算這一段數(shù)據(jù)的均方差，計(jì)算方差時(shí)上面提到的常值漂移被扣除。 因?yàn)椴煌瑥S家對(duì)零偏指標(biāo)給出的參數(shù)不一樣，不一樣的主要原因是對(duì)白噪聲的采用時(shí)間不一致。比如有 A、B兩個(gè)傳感器，如果 A 的 100s均方差與 B 的1s均方差相同，那B的性能一定好于A。 為了找到標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的評(píng)價(jià)結(jié)果，采用噪聲譜密度(即噪聲強(qiáng)度)這個(gè)指標(biāo)。單位 (信號(hào)單位)/sqrt(Hz) [1]

ARW(角度隨機(jī)游走)和RND(噪聲強(qiáng)度)換算 [3]

通常采用Allan方差法分析隨機(jī)漂移的模型，其中包含隨機(jī)游走、零偏不穩(wěn)定性和角速率隨機(jī)游走三個(gè)主要成分，可能還含有量化噪聲和速率斜坡等噪聲。

計(jì)算出隨機(jī)游走系數(shù)，單位是 dfrac{°}{sqrt{h}}，這個(gè)單位與噪聲強(qiáng)度的換算關(guān)系是：1度每根號(hào)小時(shí)=60度每小時(shí)每根號(hào)赫茲。[2]

因此，零偏穩(wěn)定性包括了隨機(jī)游走的影響。隨機(jī)游走系數(shù)大的傳感器通常零偏穩(wěn)定性不會(huì)很好;但反之，如果一個(gè)傳感器的零偏穩(wěn)定性(隨機(jī)漂移)較差，隨機(jī)游走系數(shù)卻不一定大，因?yàn)樵斐闪闫€(wěn)定性差的原因可能來自其它噪聲源。

假設(shè)一個(gè)傳感器的隨機(jī)噪聲部分完全是白噪聲，那么它的零偏穩(wěn)定性數(shù)值上正好是隨機(jī)游走系數(shù)的 60 倍，如果算零偏穩(wěn)定性的時(shí)候用的是100秒平滑的結(jié)果，那么上述比例關(guān)系就是 6 倍，而實(shí)際上由于傳感器的噪聲成分中不僅僅含有白噪聲，因此這種 60倍或 6倍的比例關(guān)系在實(shí)際情況中很難遇到，通常如果計(jì)算零偏穩(wěn)定性的時(shí)候計(jì)算的是100秒標(biāo)準(zhǔn)差，那么得到的結(jié)果通常數(shù)值上是隨機(jī)游走系數(shù)的8至10倍左右。

總而言之，在評(píng)價(jià)傳感器的零偏穩(wěn)定性時(shí)，需要保證此時(shí)傳感器的輸出只有零位和噪聲，如果能將噪聲補(bǔ)償?shù)簦透昧?，剩下的信?hào)求均方差，才是隨機(jī)游走占主導(dǎo)的零偏穩(wěn)定性。

03利用 QMI8658 姿態(tài)傳感器標(biāo)定前后數(shù)據(jù)對(duì)比

標(biāo)定條件：

1) 下面的數(shù)據(jù)是將 QMI8658 姿態(tài)傳感 Z 軸向上，靜止放置在水平桌面上

2) 采集1分鐘的數(shù)據(jù)

3) 加速度計(jì)的量程為 ±8g; ODR 500Hz

4) 陀螺儀的量程為 ±2048dps; ODR 500Hz

加速度計(jì)標(biāo)定前后數(shù)據(jù)對(duì)比：

點(diǎn)擊放大圖片可以看出來,標(biāo)定前的原始數(shù)據(jù)， X軸數(shù)據(jù)在 0.4 m/S^2 以上，Y軸數(shù)據(jù)在 0.25 m/S^2，經(jīng)過標(biāo)定算法后，X軸/Y軸均趨近于 0 m/S^2。同樣，Z軸的數(shù)據(jù)由原來的10 m//S^2,標(biāo)定到9.8 m//S^2.

陀螺儀標(biāo)定前后數(shù)據(jù)對(duì)比：

點(diǎn)擊放大圖片可以看出來,陀螺各軸數(shù)據(jù)均標(biāo)定到趨近于 0。

審核編輯：湯梓紅