加速度計(jì)在AHRS中的應(yīng)用

加速度計(jì)在AHRS中的應(yīng)用

特性

±5g 至 ±15g

出色的偏置穩(wěn)定性 (小于滿量程的0.05% )

沒(méi)有T校準(zhǔn)下的低溫度系數(shù)

超小型20引腳 LCC 氣密的陶瓷封裝

封裝大小 (8.9mm x 8.9mm)

低功耗

欠壓保護(hù)

符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)鉛焊接

介紹

慣性導(dǎo)航是通過(guò)自足的加速度計(jì)和陀螺儀來(lái)計(jì)算物體位置和速度（例如飛機(jī)）的一個(gè)過(guò)程。姿態(tài)和航向參考系統(tǒng)，也就是AHRS，是提供方向，姿態(tài)和偏航信息的多軸傳感器，從而使飛機(jī)或任何其他在自由空間中移動(dòng)的物體。

AHRS的設(shè)計(jì)是用來(lái)取代傳統(tǒng)的機(jī)械陀螺飛行儀表，并提供卓越的可靠性和準(zhǔn)確性。它們所有三個(gè)軸上都沒(méi)有固態(tài)或MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）的陀螺儀，加速度計(jì)和磁強(qiáng)計(jì)。一些AHRS的使用GPS接收機(jī)，以改善陀螺儀長(zhǎng)期的穩(wěn)定性?？柭鼮V波器通常從這些來(lái)源復(fù)合地進(jìn)行計(jì)算。

各組成部分的功能

捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)需要一個(gè)初始化過(guò)程來(lái)建立機(jī)身框架以及當(dāng)?shù)氐乩韰?shù)之間的關(guān)系。這一被稱(chēng)為校準(zhǔn)的過(guò)程通常需要設(shè)備保持平穩(wěn)，因?yàn)榻⑦@種初始狀態(tài)需要一定的時(shí)間。初始化時(shí)，捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)通過(guò)自校準(zhǔn)工藝，來(lái)衡量（水平的）感應(yīng)加速度和地球速度水平，校準(zhǔn)當(dāng)?shù)厮阶鴺?biāo)系縱軸，從而初步判斷（陀螺儀羅盤(pán)）的方位。如果能夠知道該飛行器的初始姿態(tài)，并且陀螺儀提供了完美的讀數(shù)，那么姿態(tài)處理器就能順利工作了。然而，最初的姿態(tài)鮮為人知，而陀螺儀又常由于上偏置漂移和啟動(dòng)時(shí)的不穩(wěn)定提供了損壞的數(shù)據(jù)。

陀螺儀和加速度也都受到偏置和偏置漂移方面的影響，還有非對(duì)準(zhǔn)軸誤差問(wèn)題、加速度的問(wèn)題（對(duì)加速度g敏感）、非線性效應(yīng)（二

階項(xiàng)或VRE）、比例因子錯(cuò)誤的影響。磁強(qiáng)計(jì)也容易受破壞進(jìn)行測(cè)量地球磁場(chǎng)的磁場(chǎng)干擾。這些錯(cuò)誤都會(huì)在系統(tǒng)安裝的最后裝配步驟中被校準(zhǔn)。

AHRS的最大的誤差在于陀螺儀的偏置影響。沒(méi)有任何過(guò)濾器的結(jié)構(gòu)，分開(kāi)獨(dú)立的加速計(jì)、陀螺儀和磁強(qiáng)計(jì)測(cè)量，姿態(tài)處理器往往會(huì)偏離真實(shí)的軌跡。

卡爾曼濾波器的態(tài)度校正組件，通過(guò)支持改正陀螺儀的姿態(tài)處理器的軌跡和

陀螺儀的特征偏差狀態(tài)，提供了一個(gè)飛行中的校準(zhǔn)方法。加速度計(jì)利用重力

來(lái)支持了姿態(tài)基準(zhǔn)，磁力計(jì)則利用地球的磁場(chǎng)矢量提供了航向參考。

應(yīng)用說(shuō)明

加速度計(jì)在AHRS中的應(yīng)用

一般情況下，AHRS的應(yīng)用程序中加速度計(jì)的作用是提供初始姿態(tài)基準(zhǔn)（水平的），并提供在飛行過(guò)程中的姿態(tài)更正，用以糾正陀螺儀的漂移。

如今在市場(chǎng)上各類(lèi)AHRS的解決方案：

- 精度高的系統(tǒng)采用環(huán)形激光陀螺儀（RLG）或光纖陀螺儀（FOG）。它們需要非常的精確，因?yàn)樗鼈兂１挥糜谧詣?dòng)飛行模式，只有足夠的精確，才能在起飛和降落防止碰撞在地面上大型飛機(jī)的機(jī)翼，尤其是霧和極端天氣條件下更為重要。對(duì)于這種類(lèi)型的應(yīng)用，通常需要用在所有條件下偏置穩(wěn)定性?xún)?yōu)于2mg以上的加速度計(jì)，包括溫度范圍內(nèi)、線性、二階效應(yīng)和非對(duì)準(zhǔn)軸誤差等。

- 低端的AHRS可以用作飛行員視線的普通援助，或作為備份系統(tǒng)，通常不需要很好的性能。這種類(lèi)型的航姿系統(tǒng)中經(jīng)常使用的小型民用飛機(jī)和一些無(wú)人機(jī)。在這些案例中，常使用低端的MEMS加速度計(jì)和MEMS陀螺儀。加速度計(jì)的范圍取決于所面向的應(yīng)用。對(duì)于高端和中等航姿系統(tǒng)通常所需的性能為10g到15g，而用于低端解決方案的常使用5g的傳感器。

COLIBRYS 的加速度計(jì)的航姿系統(tǒng)

對(duì)最佳AHRS性能至關(guān)重要的主要參數(shù)是偏置穩(wěn)定性(1)、比例因子穩(wěn)定性、非對(duì)準(zhǔn)軸誤差、穩(wěn)定性和二階非線性效應(yīng)或VRE的（振動(dòng)改正誤差）。大多數(shù)這些參數(shù)的初始偏差，從他們的預(yù)期值可以很容易地校準(zhǔn)。然而，主要問(wèn)題是長(zhǎng)時(shí)間工作的重復(fù)性和穩(wěn)定性、溫度、后沖擊和振動(dòng)。這些影響可能會(huì)導(dǎo)致不可預(yù)知的漂移，這將反過(guò)來(lái)作用于不同級(jí)別的加速度計(jì)。

Colibrys是MEMS加速度計(jì)供應(yīng)商之一，致力于軍用、航空航天市場(chǎng)，并確定了大量的參數(shù)。MS9000.D系列是目前最新一代產(chǎn)品，是Colibrys的旗艦加速度計(jì)MS8000產(chǎn)品的進(jìn)一步改善。MS9000提供一個(gè)更小的LCC20封裝包，本質(zhì)上與MS8000性能相同，但在外形尺寸上較小。MS9010.D 擁有4.5mg(1σ)的長(zhǎng)期偏置穩(wěn)定性和優(yōu)于400ppm的規(guī)模因素。此產(chǎn)品可根據(jù)需求用于2g，5g和10g和15g的AHRS加速度范圍。

工作原理

該加速度計(jì)的核心是電容大容量微機(jī)械加工的硅傳感器。Colibrys的加速度計(jì)制造的基本技術(shù)是基于三個(gè)硅片結(jié)構(gòu)。三個(gè)晶圓通過(guò)硅熔融鍵合（SFB）固定在一起。這種粘接工藝，不僅確保一個(gè)系統(tǒng)三個(gè)晶圓間的完美平衡，也使得能在一個(gè)氣密性的密封腔里建立彈簧質(zhì)量系統(tǒng)。粘接工藝是在高溫（>1000℃）的低氣壓環(huán)境下進(jìn)行的，以確保最佳的氣體阻尼和帶寬控制。這也使得以避免任何表面被污染，特別是水分子，并放松所有粘接材料表面可能存在的表面應(yīng)力。

“彈簧—質(zhì)量”的測(cè)量范圍系統(tǒng)是強(qiáng)適應(yīng)性的。開(kāi)環(huán)測(cè)量范圍的變化，通過(guò)改變彈簧的厚度得到。在加速或傾斜時(shí)上下電極和電容值的變化引起質(zhì)量的移動(dòng)。這個(gè)感應(yīng)電容的差分變化是通過(guò)測(cè)量接口電路來(lái)計(jì)算的，它采用了自平衡電容橋來(lái)轉(zhuǎn)換成校準(zhǔn)電壓的輸出信號(hào)。

總結(jié)

Colibrys是提供AHRS的一個(gè)最好的MEMS電容式加速度計(jì)。Colibrys不斷致力于研發(fā)新產(chǎn)品和新的解決方案。制造技術(shù)的發(fā)展也鼓動(dòng)著MEMS傳感器元件以及裝配工藝及相關(guān)電子產(chǎn)品不斷改善，特別為優(yōu)化偏置穩(wěn)定性（“運(yùn)行中”和“運(yùn)行到運(yùn)行”穩(wěn)定性），被無(wú)數(shù)AHRS的供應(yīng)商所需求。