凯利讯半导体将传感器融合应用到加速度计和陀螺仪上
加速度计和陀螺仪是在无人机、手机、汽车、飞机和移动物联网设备中获取加速和旋转信息的传感器。然而，加速度计和陀螺仪都容易出现误差，包括噪声和漂移，要求设计者采用新颖的方法来达到最佳的精度。
其中一种方法包括传感器融合。本文将独立地评估加速度计和陀螺仪，以了解这些噪声和漂移误差是如何发生的。然后，它将介绍每种类型的传感器的例子，并说明如何使用传感器融合技术将这两个传感器的结果结合起来，并减少这些错误的影响。
选择正确的传感器
加速度计测量所有以毫伏/g单位(mV/g)单位工作的直线力。一个运动的物体可以表现出像加速度这样的动态运动，以及重力作为一个连续的静力。通过将加速度计附加到物体上，可以测量物体的加速度和对物体的引力作用。然而，加速计有一种趋势，即随着时间的推移出现位置错误。
三维加速度计和三维陀螺仪传感器的STMicroelectronics无人机图像。
图1:具有三维(3D)加速度计和三维陀螺仪传感器的无人机成功地向地面控制单元提供位置反馈。(图片来源:凯利讯半导体)
陀螺仪给出了角速度随时间变化的速率，它在一个物体上以每度每秒的mV (mV/deg/sec)的单位进行工作。通过将陀螺仪连接到一个物体上，传感器可以平滑地测量物体的角度变化，但是陀螺仪显示出一个不断增加的角度误差，就像加速度计一样，随着时间的推移而增加。
许多加速度计和陀螺仪都是用微机电系统(MEMS)制造的。MEMS传感器的生产过程将硅和机械功能结合在同一微米的硅基板上。这些器件的主要组成部分是机械元件、传感机构和应用专用集成电路(ASIC)。
MEMS是加速度计
单个MEMS加速度计的建造使用固定的硅片和对外力做出反应的机械弹簧(图2)。
MEMS加速度计模型图像。
图2:MEMS加速度计模型使用硅和机械元件来产生对应于加速度变化的电容变化。(图片来源:凯利讯半导体)
一种常用的MEMS传感技术是使用芯片上的可变电容器。在运动中，绿色的固定板保持静止，而橙色的质量在加速度轴上弯曲。通过这个运动，电容值C1和C2随着固定板和质量之间的距离变化而变化。
一种MEMS加速计电容器结构的特写图。
图3:一种MEMS加速度计电容的结构特写图。(图片来源:凯利讯半导体电子)
在数量上，C1和C2值的变化取决于电容板之间的距离d(图3)。
方程1
地点:
?0 = = 8.85 x 10 - 12 Farad/meter介电常数的空气
?r =衬底相对于空气的介电常数
L =连接固定板和质量的长度。
W =固定板和质量的厚度。
d =固定板与质量的分离。
方程1中的关键变量是d，这个距离的变化保持恒定的加速度和引力。当传感器静止时，或达到恒定速度的状态时，结构就会放松。然而，引力仍然存在。
作为一个单元，这些电容器的值可以在亚皮法拉(pF)范围内。将多个板块平行放置，将数值增加到一个可用的范围。
这些电容的测量电路的一个例子将C1和C2置于相反的电源供应之间的分压器(图4)。信号通过一个低通滤波器，然后通过delta-sigma模拟-数字转换器(ADC)进行数字化。
马克西姆C1和C2的图在两种相反的电力供应之间形成分压器。
图4:在一个示例实现中，C1和C2在两个相反的电源供应之间形成一个分压器，输出被数字化。(图片来源:箴言集成)
三维加速度计
在三维加速度计中，有三个加速度计传感器垂直安装(图5)。
三维加速度计X, Z和Y轴的图。
图5:三维加速度计为x、y和z轴的位置加速度提供输出数据。(图片来源:凯利讯半导体)
所有三个加速度计的传感机制都是电容性的。运动**函数的合适的加速度计是来自STMicroelectronics的LIS2DW12TR数字输出三轴加速度计。LIS2DW12TR是一种MEMS 3D加速度计，具有数字输出和四种不同的操作模式:高分辨率、正常、低功耗和低功耗。
高分辨率模式提供了一个14位的数据输出代码，以提高测量的准确性。与全面的位设置为±2 g,高分辨率模式典型灵敏度0.244 millig /数字(毫克/数字)。或者,用一套全面一点±16 g,高分辨率模式的典型灵敏度为1.952毫克/数字。这设备有一个典型的零重力工厂削减抵消精度±20毫克。
三维加速度计测量沿x、y和z轴的直线加速度。在旋转时，如滚动，内部固定板与质量之间的距离保持不变。随后，加速度计不会响应角速度。
在此属性下，三维加速度计适用于运动检测、手势识别、显示定向和*落体检测等应用。然而，它只能满足部分无人机的传感需求。
三维陀螺仪
MEMS陀螺仪也依赖于硅和机械元件之间的可变电容，但在这种配置下，传感器会产生带有角速度变化的电容性变化。
三维陀螺仪有三个垂直安装的陀螺仪(图6)。g力的测量用英尺/秒/秒(ft /s/s)表示，其中1 g等于地球的重力。所有三个陀螺仪的传感机构都是电容性的。
图三维陀螺仪
图6:三维陀螺仪提供了围绕x、y和z轴的角加速度旋转的输出数据。(图片来源:凯利讯半导体)
用于导航系统的一个合适的陀螺仪是来自STMicroelectronics的I3G4250D三轴数字输出陀螺仪。它提供一个16位的数据输出代码。
在全尺寸的位设置为245度/秒(dps)的情况下，典型的灵敏度是每秒8.75毫度(mdps/数位)。另一种方法是，将一个全尺寸的位设置为2000 dps，高分辨率模式的典型灵敏度为70 mdps/位。这个设备是典型的数字零利率水平±10 dps。这种零利率水平和灵敏度性能使设计者在生产过程中避免了进一步的补偿和校准。
三维陀螺仪测量x、y和z轴的角加速度。如果在陀螺仪上施加线性加速度，则内部固定板与质量之间的距离保持不变。随后，陀螺仪不会响应线速度。
有了这个属性，3D陀螺仪在运动控制、设备和机器人等应用中是合适的。然而，陀螺仪和加速计的结合可以开始满足无人机的传感要求。
结合三维加速度计和陀螺仪
加速度计和陀螺仪各自为导航系统带来了强大的优势;然而，两者都有数据不确定性。这两个传感器都在收集相同现象的数据，这是一个物体的运动，将输出数据合并到两个传感器中是一个不错的选择。这可以通过传感器融合策略来完成。
传感器融合技术将不同来源的感觉数据结合起来，生成不那么不确定或更准确的信息。在陀螺仪和加速度计的情况下，它们都可以抵消其他的噪声和漂移误差，从而提供更完整和精确的运动跟踪。
这种结合传感器输出的动作是通过实现卡尔曼或补充滤波器实现的。卡尔曼滤波是一种强大的工具，它将信息与不确定性相结合。在动态系统中，这个过滤器是理想的系统不断变化。
当结合三维加速度计和三维陀螺仪数据时，在同一设备中同时存在两个功能是最有效的。这种设备的一个例子是STMicroelectronics LSM6DS3HTR 3D加速计和3D陀螺仪。该设备的适当应用包括计步器、运动跟踪、手势检测和倾斜功能。
LSM6DS3HTR有动态的用户可选择的全面加速的±2 /±4 /±8±16 g,和一个角速率范围的±125 /±245 /±500 /±1000 /±1000 dps,堪比其独立的妹妹和弟弟。
当结合三维加速度计和三维陀螺仪时，互补(或卡尔曼)滤波器最初使用陀螺仪的精度，因为它不容易受到外力的影响。长期使用加速度计数据，因为它不会漂移。
在过滤器最简单的形式中，软件方程为:
方程2
这些值是随着时间的推移而集成的。
此外，STMicroelectronics还提供了广泛的软件来支持对STM32微控制器的传感。
结论
当设计人员努力提取更精确的移动物体信息时，三维MEMS加速计和陀螺仪，结合传感器融合策略，可以提供一个可靠的解决方案，以解决运动和导航的挑战。