Ian Beavers

測量角速率的MEMS陀螺儀有幾個內部誤差因素，偏置不穩定是一個組成部分。然而，與分立元件相比，慣性測量單元（IMU）具有幾個優勢，可增強性能。具有六個自由度的IMU由多個慣性MEMS傳感器組成，這些傳感器經過溫度補償和校準以在正交軸上對齊。內部 3 軸陀螺儀功能測量圍繞已知點的旋轉，而 3 軸加速度計測量位移。使用數字信號處理器或微控制器的后處理步驟為傳感器融合提供了內部手段。

陀螺儀受到偏置不穩定的影響，其中陀螺儀的初始零讀數由于設備內固有缺陷和噪聲的集成而導致隨時間漂移。偏置重復性可以在IMU的已知溫度范圍內進行校準。但是，積分恒定偏置不穩定性會導致角度誤差。這些誤差將隨著基于陀螺儀的旋轉或角度估計的長期漂移而累積。漂移的不良結果是計算出的航向誤差有增無減。相反，加速度計對振動和其他非重力加速度很敏感。

陀螺儀漂移主要是由于兩個組件的集成：一個緩慢變化的近直流變量稱為偏置不穩定，另一個高頻噪聲變量稱為角度隨機游走（ARW）。這些參數以單位時間的旋轉度數來測量。偏航軸對這種漂移最敏感。通過使用加速度計反饋來監控相對于重力的位置，可以在 IMU 內消除很大一部分俯仰（姿態）和滾動軸陀螺儀漂移。使用低通或卡爾曼濾波器濾波IMU內的陀螺儀輸出也是消除部分漂移誤差的廣泛使用的方法。

理想情況下，需要兩個基準來校正所有軸上的陀螺儀漂移。具有 3 個自由度的 IMU 通常提供額外的磁力計傳感器——大約 <> 個軸。磁力計感知相對于地球磁北極的場強。這些傳感器可以與加速度計數據一起使用，作為另一個外部參考，以減輕陀螺儀漂移誤差對偏航軸的影響。然而，設計適當的空間磁力計可能不如加速度計可靠，因為有許多東西會產生與地球相同數量級的磁場。

消除長期漂移的另一種更有效的方法是對陀螺儀進行零角速度更新。只要知道設備完全靜止，陀螺儀的偏移就可以在相應軸上歸零為零。這個機會可能因應用而異。但是，系統處于重復靜止狀態的任何實例都可用于清零，例如怠速汽車、靜止的自主機器人或人類腳步之間的時間。

當然，使用最先進的IMU，在開始時在設計中具有最小的偏置不穩定性，可能會對陀螺儀漂移產生最直接的影響。陀螺儀的恒定偏置誤差可以通過在器件不旋轉時長時間取輸出的平均值來測量。IMU Allan 方差圖顯示了陀螺儀每小時旋轉度數的漂移與積分時間 Tau 的關系。它通常繪制在對數-對數刻度上。ADIS16490是ADI高性能、戰術級IMU產品組合中的最新產品。ADIS16490的運行中偏置穩定性僅為每小時1.8°。這反映在圖16490的ADIS1艾倫方差圖中，在一小時點（1秒）處的誤差為8.3600°。

圖1.ADIS16490陀螺儀根艾倫方差。

審核編輯：郭婷