基于三轴转台的MEMS惯性传感器参数测量方法*

李姣姣 王东波 赵祚喜 谭志斌 赵汝准

（华南农业大学工程学院 华南农业大学南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室）

0 引言

由于MEMS惯性传感器尺寸小、重量轻、功耗低、线性度好，主要用于检测机械的运动学参数，包括GPS空间定位及飞行器的姿态检测等[1]。惯性导航或者姿态测量精度主要取决于MEMS惯性传感器的测量精度[2]。

目前，测量MEMS惯性传感器的运动学参数精度并无简单易行的方法，主要由传感器说明手册提供。国内较多学者使用软件方法提高MEMS器件精度，如基于最小分辨率方法抑制MEMS陀螺漂移[3]。硬件测试方法主要有[4]：带有可控环境箱的速率转台能够提供速率测试；温度试验可以放入环境试验箱内测试；摇摆速率转台能够确定陀螺仪与相关电子控制电路对施加于其敏感器输入轴的振荡旋转的频率响应特性；加速度计性能的检查可以使用精密分度头完成，以上方法只能进行一项或者两项测试，并不能模拟综合测试。三轴多功能转台能够模拟多种运动状态，进行综合试验。赵汝准等基于三轴惯性测试转台的集成惯性传感器ADIS16355实验研究[5]，谭志斌等MEMS惯性传感器的三轴转台实验研究[6]，对惯性传感器进行了单一的测试，本文在此基础上进行了综合测试，并于实际应用中分析其精度。

三轴转台是测试角运动参数的标准设备，通过设置各种轴转动来模拟实际环境中的角运动进行本实验。本文以SGT320E三轴多功能转台为基础，选择ADIS16355传感器与 AHRS[7]作为实验样例，研究MEMS惯性传感器运动学参数的检测方法，搭建MEMS惯性传感器运动学参数测量平台，并在激光平地机平地铲水平测试中验证了其精度。

1 实验设备与方法

1.1 SGT320E转台介绍

三轴多功能转台是为准确测试惯性系统和器件而设计制造的仿真测试设备[8]。采用本机控制方式时，三轴同时具有速率、位置以及正弦摆动模式，且互不干扰；通过串口仿真控制转台以预定方式转动，能实现更复杂的转动效果。

转台的硬件分为三部分：机械台体、工控机、工作台，如图1所示。

各控制柜间及台体间由相关电缆连接，转台的安装和使用环境都有很高的要求。机械台体主要由内轴、中轴、外轴组成，内轴的安装台供惯性传感器安装固定；工控机是转台的核心部分，负责计算机控制、信号配置、配电控制；工作台提供了人机交互界面，可通过该平台设置控制参数。

1.2 运动学参数测量方法及误差模型建立

设备安装示意图如图2所示，三轴转台内轴、中轴、外轴能够按照要求旋转，互不影响。MEMS惯性传感器固定在三轴转台内框的安装板中心，传感器信号通过转台的连接线输出，转台输出数据与惯性传感器输出数据通过串口能同时被PC机接收，将接收到的传感器数据与转台数据进行对比，进行误差分析。

1.2.1 陀螺仪误差补偿

参照文献[4]，在静态条件下，假定考虑地球速率分量存在，陀螺仪的输出（W0）可以表示为：

式（1）中：广州重力加速度g为9.788 m/s2；Bf为g无关的零偏[4]；Bgx、Bgy、Bgz是由分别作用在传感器x、y和z轴上的加速度ax、ay、az引起的g相关零偏。对于常规速率积分陀螺，这些轴对应于陀螺仪的自转轴、输入轴和输出轴。

如果将陀螺的x轴置于与重力矢量一致且指为向上和向下，则得到相应的测量结果m1和m2为：

系数Bf和Bgx可以从这两次测量结果的和与差中计算得到。同样，g相关零偏系数可以通过y和z轴与重力矢量对准进行测量来确定。

常规陀螺仪提供的旋转速率测量值（Wx），可以根据绕其输入轴施加的速率（wx）用下列表达式表示：

式(3)中：ax和az分别为陀螺仪沿其输入轴和自转轴的加速度；Bf为g无关的零偏；Bgx、Bgz为与g有关的零偏系数；Bgx为非等弹性零偏系数；nx为x轴陀螺仪零平均值随机零偏；My、Mz为交叉耦合系数；Sx为标度因数误差。

由于交叉耦合系数为输入角速率的百万分之几，Bgxax、Bgzaz、Baxzayaz很小，误差模型可以简化为：

同理

1.2.2 加速度计误差补偿

采用六位置法[10]计算加速度误差模型

式(7)中：Ax、Ay、Az为加速度计的实际测量值，单位为g；ax0、ay0、az0为加速度计的零偏，单位为g；Kax1、Kay1、Kaz1为加速度计安装误差系数；Kax3、Kay3、Kaz3为加速度计二次方有关的误差系数，单位为g-1；Sax、Say、Saz为加速度计的标度因数。

2 结果与分析

2.1 陀螺仪测试

2.1.1 陀螺仪每个位置上的加速度有关的陀螺漂移

如果将陀螺的x轴置于与重力矢量一致且指为向上和向下，则得到相应的测量结果m1和m2。系数Bf和Bgx可以从这两次测量结果的和与差中计算得到。同样，可以将y轴置于重力矢量一致且指为向上和向下，可算得系数Bf和Bgy。同样，以将z轴置于重力矢量一致且指为向上和向下，可算得系数Bf和Bgz。将采集到的陀螺仪数据通过数据处理计算得到陀螺仪的三轴零偏，如表1与表2所示。

表1 ADIS16355陀螺仪三轴零偏

表2 MTi陀螺仪三轴零偏

2.1.2 标度因数的测量

标度因数是指传感器输出信号和其对应的转台旋转速率之间的相互关系，即关系曲线的拟合曲线相对水平线的角度[9]。设置转台以外框速率方式转动[5]，从静止开始，每增加20°/s运行一段时间，例如20°/s，40°/s，60°/s……最后达到 200°/s（转台的最高速率是200°/s），然后由 20°/s递减至－200°/s，得出陀螺仪输出速率与转台速率进行对比，得到陀螺仪的输出误差值。采用数据拟合方法[11]得到标度因数如表3所示。

2.2 加速度计测试

将安装好的ADIS16355通电预热十分钟后[6]，按照表4[10]进行测试，每个位置按照100 Hz的采样频率采集数据，静态保持1分钟，取平均值。按照表4所示位置，分别对加速度计输出数据求平均值，得到加速度计各个位置值。

表3 三轴标度因数

表4 加速度计六位置轴向设置图

根据文献[11]六位置法进行数据处理。

则ADIS16355三轴加速度计的模型为：

则MTi三轴加速度计的模型为：

2.3 数据及结果分析

由表5可知，各项测试数据均在参考值范围内，说明ADIS16355与MTi的性能参数均符合实验要求。

3 MEMS激光平地机实验

将 MEMS传感器按照上述方法进行误差补偿后，安装到水田激光平地机平地铲上，进行倾斜角的测量。该系统分别采用ADIS16355与AHRS惯性传感器模块融合来测量平地铲实时倾斜角。模块安装于姿态测量系统中，其中数字陀螺仪中心对准平地铲转销中心o，如图3所示。

表5 性能指标参考值与测试值对比

图3 平地铲水平倾角传感器及安装示意图

如文献[12]建立 MEMS传感器组合测量倾斜角模型，给MEMS传感器加入误差补偿，再进行传感器融合算法的解算，如图4所示。

图4 平地铲倾角测量示意图

实验结果证明，水平激光平地机在平地过程中，水平系统测量平地铲水平倾斜角曲线如图5所示，平均误差为0.25°，最大误差为2.55°，大部分在±1°以内，满足水田平地需要。

4 结论

SGT320E三轴多功能转台的多种运动方式能够再现物体的各种运动状态。通过SGT320E三轴多功能转台来测试MEMS传感器的性能参数是一个可行的方法。该方法所需材料少，操作简单，采用Matlab采集处理数据，方便可靠。通过水田激光平地机实验验证，该方法能够通过误差补偿提高MEMS惯性传感器精度。

图5 水平系统所测平地铲水平倾斜角曲线

本实验仍有一些不足，需进一步完善。本实验只在20℃到35℃室温范围内进行测试，未考虑MEMS受温度影响。如果要测试传感器性能受温度的影响，需要将转台封闭在环境试验箱内进行观测。

[1] 吕强,刘峰,王珂珂,等.三轴惯性传感器ADIS16355在姿态检测中的应用[J].单片机与嵌入式系统应用,2010(9):51-54.

[2] 李艳波,曾鸣.三轴转台误差源对陀螺加速度表测试的影响[J].航空精密制造技术,2008,44(2):28-31．

[3] 翁海诠,任春华,张敬栋,等.基于最小分辨率的 MEMS陀螺漂移抑制方法研究[J].仪器仪表学报,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] 赵汝准,赵祚喜,张霖,等.基于三轴惯性测试转台的集成惯性传感器ADIS16355实验研究[J].机电工程技术，2012,41（3）：22-26.

[6] 谭志斌,赵祚喜,张霖,等.MEMS惯性传感器的三轴转台实验研究[J].电子测量技术,2012,35(4):110-115.

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

[8] SGT320E型三轴多功能转台使用维护说明书［Z］.中国航空工业集团公司北京航空精密机械研究所,2010.

[9] 黎永键,赵祚喜.姿态航向参考系统 AHRS500GA 田间导航定位试验研究[A].纪念中国农业工程学会成立30周年暨中国农业工程学会学术年会论文集[C],2009

[10] 宋丽君,秦永元.MEMS加速度计的六位置测试法[J].测控技术,2009,28(7):11-17．

[11] 刘保柱,苏彥华,张宏林,等.MATLAB7.0从入门到精通［M］.北京:人民邮电出版社,2010.

[12] 黎永键,赵祚喜.水田激光平地机平地铲姿态测量系统的设计［J］.农机化研究,2011(2):69-75.