基于MEMS传感器的车载微惯性测量单元设计
杨文华;石存杰;秦洪武;王启唐;李正盛
【摘 要】为了感知汽车姿态,利用MEMS传感器自主设计了一种车载微惯性测量单元(MIMU),详细介绍了三轴MEMS加速度计、三轴MEMS陀螺和正六面体的设计.该单元具有成本低、精度高、体积小,且便于标定等优点,可以方便地运用到汽车姿态实时监测系统中.给出了单元的标定方法,分析了其误差来源,建立误差模型以及自主设计了标定系统.实验结果表明:该单元能有效地消除信号干扰,具有满意的精度要求,可对运用该单元进行汽车姿态监测等提供理论研究与工程应用参考. 【期刊名称】《传感器与微系统》 【年(卷),期】2013(032)001 【总页数】4页(P121-124)
【关键词】汽车姿态;微机电系统;微惯性测量单元;标定;误差模型 【作 者】杨文华;石存杰;秦洪武;王启唐;李正盛
【作者单位】江苏大学汽车与交通工程学院,江苏镇江212013;江苏大学汽车与交通工程学院,江苏镇江212013;江苏大学汽车与交通工程学院,江苏镇江212013;江苏大学汽车与交通工程学院,江苏镇江212013;江苏大学汽车与交通工程学院,江苏镇江212013 【正文语种】中 文 【中图分类】工业技术
2013 年 第 32 卷 第 1 期 传感器与微系统
(TransducerandMicrosysLemTechnologies) 121基 于 MEMS传 感 器 的车载 微 惯 性 测 量 单 元 设 计术杨 文华 ， 石 存杰 ， 秦洪武 ， 王启 唐 ， 李正盛（江苏大学 汽车与交通工程学院 ，江苏 镇江 212013 ）摘 要 ： 为了感知汽车姿态 ，利用 MEMS 传感器 自主设计了一种车载微惯性测量单元(MIMU) ，详细介绍了三轴 MEMS加速度计 、三轴 MEMS 陀螺和正六面体的设计。 该单元具有成本低 、精度高 、体积小 ，且便于标定等优点 ，可 以方便地运用到汽车姿态实时监测系统 中。 给出了单元的标定方法 ，分析了其误差来 源 ，建立误差模型以及 自主设计了标定系统。 实验结果表明：该单元能有效地消除信号干扰 ，具有满意的 精度要求 ，可对运用该单元进行汽车姿态监测等提供理论研究与工程应用参考。关键词 ： 汽车姿态 ；微机电系统；微惯性测量单元；标定 ； 误差模型中图分类号 ： TP467.49文献标识码 ： A文章编号 ： 1000-9787(2013) 01-0121-04 Design ofvehicleMIMUbasedonMEMSsensor* YANG Wen-hua,SHICun-jie,QIN Hong-wu,WANGQi-tang,LI Zheng-sheng ( Schoolof
AutomobileandTrafficEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,China) Abstract: Asetof vehicle microinertialmeasurememunit (MIMU) is independentlydesignedusingMEMS sensors forvehicle
attitudeperceptionanddesign of three-axisMEMSaccelerometer,three-axisMEMSgyro,anda cubeare
describedindetail.Theunithasadvantagesoflowcosi,highprecision,smallsizeandeasy-to- caL:bration,whichcanapplytovehicleattitude real-time monitoringsystem.Calibration methodof the unitisgiven,itserrorsourcesis analyzedanderrormodelsis setup,andcalibrationsystemis independentlydesigned.Theexperimentshowsthat the unit
caneffectivelyeliminate signal interference
andreachsatisfiedprecision.Itprovidesareferencefor theoretical researchandengineeringapplication byusingtheunitfor
vehicleattitudemonitoring. Keywords:vehicleattitude;rmcro-electro-mechanicalsystems(MEMS);microinertial measurementunit MIMU);
calibration; errormoclel O 引 言 近年来 ， 随 着 微 机 械加 工 工 艺 的 发 展 ， 微 机 电 系统 MEMS) 的生产水平也不断地提高， 出现了很多低成本 、高 可靠性的微惯性器件 ，为微惯性测量单元 ( MIMU) 的设计 提供了技术基础‘ 1]。 MEMS 传感器具有体积小 、质量轻 、功耗低等优点 ，由 MEMS 器件构成的 MIMU 在姿态测控等领域具有广阔的应用前景‘ F 。 但是 ， 微惯性器件因制造 工艺 、材料等因素影响 ，导致其测量精度不高 ，安装误差受温度影响非常严重‘ 3.41，在实际应用 中很难长时间保证其测量精度。 传统的姿态测量因为采用高精度陀螺仪和加速度计等姿态传感器 ，体积庞大 ，并且价格 昂贵‘ 副， 不能得到很 好的普及 。鉴于以上分析，设计了一种车载微机电系统惯性传感器的 MIMU，运用当前市面上的低精度 、低成本 MEMS 传感器构建成一个精度满足要求的 MIMU 。 采用 了三轴 MEMS 加速度计、三轴 MEMS 陀螺仪和镁铝合金正六面体 自主研 制 了一种低成本 ，满足车辆姿态监测要求的 MIMU ，并且对MEMS传感器信号进行了误差预处理 ，提高测量的精度 ，适合用于车辆姿态监测等相关领域。 lMIMU 的硬件设计1.1传感器的 选择、 MEMS传感器具有体积小 、质量轻、 响应快 、灵敏度高和易生产等特点 ，加上低能耗 、高功率、低成本等优势 ，特别适合在汽车上使用l6.71 。 设计中采用 ADI 公司的 ADXL 序列加速度计和 ADXRS 角速度陀螺 ，设计中三轴加速度计由 ADI公司的 2 只 ADXL320 构成。 它是一种双轴加速度 计 ， 具 有 模 拟 输 出 、 高性 能、 高 精 度 和 双 轴 正 交 的 特 点jH.ql。三 轴 陀 螺 由3 个 ADI 公 司 的 ADXRS150 组 成 ， 它收稿 日
基于MEMS传感器的车载微惯性测量单元设计
