多軸MEMS陀螺儀結(jié)構(gòu)大幅縮小，單封裝集成數(shù)字接口，占板面積僅幾平方毫米，低廉的價(jià)格被大多數(shù)客戶接受，這些優(yōu)勢(shì)促使MEMS陀螺儀滲透到手持設(shè)備市場(chǎng)。MEMS陀螺儀讓便攜設(shè)備能夠增加很多令人驚喜的特色功能，其中包括提高相機(jī)性能的圖像穩(wěn)定功能；增加更多功能并提高易用性的用戶界面；令人興奮的游戲娛樂功能。MEMS陀螺儀還將用于需要高靈敏度、低噪聲、低漂移的航位推測(cè)和GPS輔助導(dǎo)航。

本文討論如何根據(jù)角速率和角位移測(cè)量結(jié)果，從一個(gè)MEMS陀螺儀快速獲取有價(jià)值的信息。 第一部分論述MEMS陀螺儀的工作原理和目標(biāo)應(yīng)用；第二部分介紹模擬輸出或數(shù)字輸出MEMS陀螺儀的主要參數(shù)；第三部分介紹MEMS陀螺儀的實(shí)用校準(zhǔn)技巧；第四部分通過4個(gè)示例，從角位移的角度說明如何測(cè)試MEMS陀螺儀的性能。

一.MEMS陀螺儀技術(shù)概述

MEMS陀螺儀在高性能和低功耗方面取得了巨大的進(jìn)步。這些器件可實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)、價(jià)格低廉、尺寸緊湊，被廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子產(chǎn)品中。

1. MEMS陀螺儀工作原理

MEMS陀螺儀利用科里奧效應(yīng)測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的角速率，如圖1所示。


根據(jù)科里奧效應(yīng)，當(dāng)一個(gè)物體(m)沿V方向運(yùn)動(dòng)且施加角旋轉(zhuǎn)速率Ω時(shí)，該物體將受到一個(gè)黃色箭頭方向的力。然后，從一個(gè)電容感應(yīng)結(jié)構(gòu)可以測(cè)到科里奧效應(yīng)最終產(chǎn)生的物理位移。

目前市面上的MEMS陀螺儀多數(shù)采用一種調(diào)音叉結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)由兩個(gè)振動(dòng)并不斷地做反向運(yùn)動(dòng)的物體組成，如圖2所示。當(dāng)施加角速率時(shí)，每個(gè)物體上的科里奧效應(yīng)產(chǎn)生相反方向的力，從而引起電容變化。電容差值與角速率Ω成正比，如果是模擬陀螺儀，電容差值轉(zhuǎn)換成電壓輸出信號(hào)；如果是數(shù)字陀螺儀，則轉(zhuǎn)換成最低有效位。


如果在兩個(gè)物體上施加線性加速度，這兩個(gè)物體則向同一方向運(yùn)動(dòng)。因此，不會(huì)檢測(cè)到電容變化。陀螺儀將輸出零速率輸出值或最低有效位，表示MEMS陀螺儀對(duì)傾斜、撞擊或振動(dòng)等線性加速度不敏感。
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2.MEMS陀螺儀應(yīng)用

下面是MEMS陀螺儀的目標(biāo)應(yīng)用：.

● MEMS陀螺儀能夠測(cè)量角速率。數(shù)碼相機(jī)使用陀螺儀檢測(cè)人手的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，能夠?qū)D像起到穩(wěn)定的作用。在汽車上，偏航陀螺儀可以開啟電子穩(wěn)定控制（ESC）制動(dòng)系統(tǒng)，防止汽車急轉(zhuǎn)彎時(shí)發(fā)生意外事故。當(dāng)汽車出現(xiàn)翻滾狀況時(shí)，滾轉(zhuǎn)陀螺儀可以引爆安全氣囊。
● 當(dāng)汽車導(dǎo)航系統(tǒng)無法接收GPS衛(wèi)星信號(hào)時(shí)，偏航陀螺儀能夠測(cè)量汽車的方位，使汽車始終沿電子地圖的規(guī)劃路線行駛，這個(gè)功能被稱之為航位推測(cè)系統(tǒng)。
● 偏航陀螺儀還能用于室內(nèi)機(jī)器人控制。
● 安裝在機(jī)器人四肢上的多路慣性測(cè)量單元(IMU)能夠跟蹤和監(jiān)測(cè)身體運(yùn)動(dòng)。
● IMU可用于空中鼠標(biāo)。
● IMU還能用于運(yùn)動(dòng)控制式游戲平臺(tái)。
● IMU配合磁力計(jì)和GPS接收器，可以在手持設(shè)備上執(zhí)行個(gè)人導(dǎo)航功能。

二.理解MEMS陀螺儀的主要參數(shù)

● 電源（V）：這個(gè)參數(shù)規(guī)定了陀螺儀正常工作所需的直流電源電壓范圍。
● 電源電流 (mA)：這個(gè)參數(shù)規(guī)定了陀螺儀正常工作所消耗的電流大小。
● 睡眠模式電源電流 (mA)：這個(gè)參數(shù)規(guī)定了陀螺儀在睡眠模式下所消耗的電流大小。
● 關(guān)機(jī)模式下的電源電流(μA)：這個(gè)參數(shù)規(guī)定了當(dāng)陀螺儀電源關(guān)閉時(shí)所消耗的電流大小。
● 全量程 (dps)：這個(gè)參數(shù)規(guī)定了陀螺儀的量程范圍。
● 零速率輸出值(電壓或最低效位)：這個(gè)參數(shù)規(guī)定了當(dāng)陀螺儀沒有被施加角速率時(shí)的零速率輸出信號(hào)的數(shù)值。
● 靈敏度 (mV/dps或dps/LSB)：這個(gè)參數(shù)規(guī)定了在零速率輸出值時(shí)1 dps與模擬陀螺儀輸出電壓變化的關(guān)系，用mV/dps表示；數(shù)字陀螺儀的靈敏度(dps/LSB)表示1個(gè)最低有效位與dps的關(guān)系。
● 靈敏度變化與溫度關(guān)系(%/°C)：這個(gè)參數(shù)規(guī)定了當(dāng)溫度偏離25℃室溫時(shí)，以℃為單位的靈敏度百分比變化。
● 零速率輸出值變化與溫度關(guān)系(dps/℃)：這個(gè)參數(shù)規(guī)定了當(dāng)溫度偏離25℃室溫時(shí)，以℃為單位的零速率輸出值的變化。
● 非線性 (% FS)：這個(gè)參數(shù)規(guī)定了陀螺儀輸出與最佳匹配直線之間的最大誤差占全量程(FS) 的百分比。
● 系統(tǒng)帶寬(Hz):這個(gè)參數(shù)規(guī)定了角速率信號(hào)頻率范圍：從直流到模擬陀螺儀可測(cè)量的內(nèi)部帶寬（BW）。
● 速率噪聲密度 (dps/√Hz):這個(gè)參數(shù)規(guī)定了能夠從陀螺儀輸出以及BW參數(shù)獲得的模擬陀螺儀和數(shù)字陀螺儀的標(biāo)準(zhǔn)分辨率。
● 自測(cè) (mV or dps)：這個(gè)功能可用于測(cè)試陀螺儀工作是否正常。這個(gè)功能的好處是在陀螺儀安裝到印刷電路板后無需旋轉(zhuǎn)印刷電路板即可測(cè)試陀螺儀。

三.MEMS陀螺儀校準(zhǔn)

每個(gè)陀螺儀在出廠前都經(jīng)過嚴(yán)格的性能測(cè)試以及靈敏度和零速率輸出值校準(zhǔn)。不過，當(dāng)陀螺儀組裝到印刷電路板后，因?yàn)闄C(jī)械或電焊應(yīng)力的影響， 零速率輸出值和靈敏度可能會(huì)略微偏離工廠校準(zhǔn)調(diào)試值。對(duì)于游戲機(jī)和遙控器等應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員只要用數(shù)據(jù)表中的典型零速率和靈敏度參數(shù)，即可把陀螺儀的測(cè)量信號(hào)轉(zhuǎn)換成角速率。對(duì)于要求嚴(yán)格的應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員需要重新校準(zhǔn)陀螺儀的零速率輸出值、靈敏度和以下重要參數(shù):

● 失準(zhǔn) (又稱跨軸靈敏度)
● 線性加速度靈敏度或g-靈敏度
● 長(zhǎng)期運(yùn)行偏差穩(wěn)定性
● 導(dǎo)通-導(dǎo)通偏差穩(wěn)定性
● 長(zhǎng)時(shí)間工作后偏差和靈敏度漂移

1.消除零速率不穩(wěn)定性

公式1是陀螺儀輸出的表達(dá)式。

其中：
Rt (dps)是實(shí)際角速率
Rm(LSB)是陀螺儀的測(cè)量結(jié)果
R0 (LSB)是零速率輸出值
SC (dps/LSB)是靈敏度

為修正導(dǎo)通-導(dǎo)通偏差不穩(wěn)定性，在陀螺儀上電后，用戶可以采集50～100個(gè)輸出數(shù)據(jù)樣本，取這些樣本的平均值作導(dǎo)通零速率輸出值R0 ，假設(shè)該陀螺儀是靜止?fàn)顟B(tài)。

因?yàn)闇囟茸兓蜏y(cè)量噪聲，當(dāng)陀螺儀是靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，陀螺儀的每次讀數(shù)可能略有不同。設(shè)定一個(gè)閾值Rth ，如果陀螺儀測(cè)量值的絕對(duì)值小于閾值，則使陀螺儀的讀數(shù)歸零，如公式2所示。這個(gè)方法將消除零速率噪聲，當(dāng)陀螺儀靜止時(shí)，角位移不會(huì)累加。


每當(dāng)陀螺儀靜止時(shí)，用戶可以采集50～100個(gè)陀螺儀數(shù)據(jù)，然后取這些樣本的平均值作為零速率輸出值R0。這個(gè)方法可以消除零速率運(yùn)行偏差和微小溫度變化。在零速率采樣后，必須從上面的幾步開始考慮不穩(wěn)定性，因此公式 (1) 變?yōu)椋?br />

因此，下一步就是利用一個(gè)參照系統(tǒng)確定公式3中的靈敏度SC的數(shù)值。

應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，MEMS陀螺儀的靈敏度非常穩(wěn)定，受工作時(shí)間和環(huán)境溫度的影響很小，僅上面提到的高靈敏度應(yīng)用才需要校準(zhǔn)過程。
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2.使用角速率測(cè)量臺(tái)確定靈敏度

因?yàn)橥勇輧x能夠直接測(cè)量角速率，所以角速率測(cè)量臺(tái)是校準(zhǔn)陀螺儀靈敏度的最佳參考標(biāo)準(zhǔn)。在一個(gè)精確角速率測(cè)量臺(tái)內(nèi)有一個(gè)內(nèi)嵌溫度單元。為了確保在校準(zhǔn)陀螺儀過程中角速率測(cè)量臺(tái)不受環(huán)境振動(dòng)的影響，角速率測(cè)量臺(tái)被置于一個(gè)振動(dòng)隔離平臺(tái)之上。

把手持設(shè)備置于一個(gè)正方體的鋁盒或塑料盒內(nèi)，然后把整個(gè)系統(tǒng)安裝在角速率測(cè)量臺(tái)上進(jìn)行校準(zhǔn)。使角速率測(cè)量臺(tái)沿順時(shí)針和逆時(shí)針兩個(gè)不同方向旋轉(zhuǎn)。如果被校準(zhǔn)的是多軸陀螺儀，把方正形測(cè)試盒置于角速率測(cè)量臺(tái)上的不同方位，然后重復(fù)上面的校準(zhǔn)過程。收集完陀螺儀在不同狀況下的原始數(shù)據(jù)后，即可確定零速率輸出值、靈敏度、失準(zhǔn)矩陣和g靈敏度值。

校準(zhǔn)陀螺儀還可以選用步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)測(cè)量臺(tái)，用一臺(tái)個(gè)人電腦控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)測(cè)量臺(tái)。

3.使用數(shù)字羅盤確定靈敏度

如果沒有角速率測(cè)量臺(tái)，可以使用數(shù)字羅盤代替角速率測(cè)量臺(tái)。

在校準(zhǔn)陀螺儀前，需要校準(zhǔn)數(shù)字羅盤的傾斜度，然后將其置于周圍沒有干擾磁場(chǎng)的平臺(tái)上。合并在固定采樣間隔內(nèi)采集的數(shù)字羅盤相對(duì)方向信息和陀螺儀輸出數(shù)據(jù)，按公式4校準(zhǔn)陀螺儀的靈敏度。

其中：
N：采樣數(shù)量
h：采樣間隔
H(1) ：電子羅盤初始方向
H(n)：羅盤在第n個(gè)樣本時(shí)的方向
SC (dps/LSB)：陀螺儀靈敏度
ΔR(i) ：在去除零速率輸出值和死區(qū)后，在第i個(gè)樣本的陀螺儀

輸出數(shù)據(jù)公式4可改寫為：
(5)
其中：



因此， 我們可以從公式5得到利用最小平方方法計(jì)算的SC。


圖3描述了以度為單位的羅盤相對(duì)方向的變化，以及合并數(shù)據(jù)后的陀螺儀角位移。通過觀察圖3不難看出，羅盤相對(duì)方向變化（紅線）與陀螺儀位移（藍(lán)線）有非常好的線性關(guān)系。通過公式6，我們可以求得陀螺儀靈敏度校準(zhǔn)參數(shù)。
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4.MEMS陀螺儀測(cè)試

在完成陀螺儀校準(zhǔn)后，最后一步是測(cè)試陀螺儀的性能，了解如何從陀螺儀原始數(shù)據(jù)中獲取有價(jià)值的角位移信息。

當(dāng)陀螺儀沒有旋轉(zhuǎn)時(shí)，陀螺儀輸出原始數(shù)據(jù)應(yīng)在零速率輸出值附近，且數(shù)據(jù)整合后陀螺儀方向應(yīng)始終為0°。

測(cè)試2：當(dāng)陀螺儀順時(shí)針整圈旋轉(zhuǎn)時(shí)

在采集30-～50個(gè)陀螺儀原始數(shù)據(jù)樣本以修正零速率輸出值偏差后， 使陀螺儀順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，再繼續(xù)旋轉(zhuǎn)90°，直到旋轉(zhuǎn)360°。見圖4。


測(cè)試3：當(dāng)陀螺儀逆時(shí)針整圈旋轉(zhuǎn)時(shí)

在采集30～50個(gè)陀螺儀原始數(shù)據(jù)樣本以修正零速率輸出值偏差后，使陀螺儀逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，再旋轉(zhuǎn)90°，直到旋轉(zhuǎn)360°。這種情況下，每次旋轉(zhuǎn)90°時(shí)，角速率都不相同，但是陀螺儀方向測(cè)量精確歸零，誤差大約僅1.6°。

5.結(jié)論

隨著MEMS技術(shù)和制程的進(jìn)步，MEMS陀螺儀的成本不斷降低，性能不斷提高，功耗越來越低，尺寸越來越小，能夠讓手持設(shè)備增加更多新功能。

MEMS陀螺儀是在特性測(cè)試和質(zhì)量檢測(cè)過程中完成校準(zhǔn)。大多數(shù)應(yīng)用沒有必要校準(zhǔn)陀螺儀，不過，對(duì)于復(fù)雜的要求嚴(yán)格的應(yīng)用（如導(dǎo)航和航位推測(cè)），在組裝到印刷電路板后投入量產(chǎn)前，需重新校準(zhǔn)零速率輸出值和靈敏度。

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