精準反饋動態訊息　IMU打造平台穩定系統

振動和正常車輛運動會導致通訊中斷、圖像模糊及其他很多行為，從而降低儀器的性能和執行所需功能的能力。平台穩定系統採用閉環控制系統，以主動消除此類運動，從而保證達到這些儀器的重要性能目標。

穩定系統須多軸向校正

圖1是平台穩定系統的示意圖，其使用伺服電機來校正角向運動。反饋傳感器為儀器平台提供動態方位訊息。反饋控制器處理這些訊息，並將其轉換為伺服電機的校正控制訊號。

圖1　基本平台穩定系統

由於很多穩定系統需要多個軸向的主動校正，因此慣性測量單元(IMU)通常包括至少三個軸向的陀螺儀(Gyroscope)(測量角速度)和三個軸向的加速度計(測量加速度和角定向)來提供反饋檢測功能。反饋傳感器的最終目標是提供平台定向的精確測量，即使當平台正在運動時也要做到。由於沒有萬能的傳感器技術能夠在任何條件下提供精確的角度測量，因此平台穩定系統中的IMU通常在每個軸上使用兩種或三種傳感器類型。

加速度計響應每個軸向上的靜態和動態加速。「靜態加速度」似乎是一個陌生的詞彙，但它涉及重要的傳感器行為--對重力的響應。假定不存在動態加速，並透過校準消除傳感器誤差，則每個加速度計輸出將代表其相對於重力的軸定向。為確定在振動和快速加速的情況下，穩定系統中出現實際平均定向，通常會將濾波器和融合程序(組合來自多個傳感器類型的讀數，得出最佳估計值)應用於原始測量。

另一種類型的傳感器是陀螺儀，提供角速率測量。陀螺儀測量通過有限週期內的角速率的積分，在角度測量中發揮作用。執行積分時，偏置誤差將導致成比例的角度漂移，並隨時間累加。因此，陀螺儀性能通常與設備偏置對不同環境因素的靈敏度相關，這些因素包括溫度變化、電源變化、離軸旋轉和線性加速度(線性g和整流g×g)。

第三種類型的傳感器是三軸磁力計，它可以測量磁場強度。從三個正交軸的磁場測量實現相對於地球磁場本地方向的定向角估算。當磁力計接近電機、顯示器和其他動態磁場干擾源時，管理其精度可能非常困難，但在適當情況下，來自加速度計和陀螺儀的角度資料可作為補充資訊。雖然很多系統僅使用加速度計和陀螺儀，但磁力計可以改進某些系統的測量精度。

圖2顯示如何使用陀螺儀和加速度計測量，既利用其基本優勢，同時又最大程度地減少本身弱點產生的影響。低通加速度計和高通陀螺儀濾波器的極點位置通常取決於應用。另外，精度目標、相位延遲、振動和正常運動預測，都會對位置決定產生影響。因系統而異的行為也會影響加權因子，而加權因子會對如何組合這兩種測量產生影響。擴展型卡曼濾波器(Kalman Filter, KF)就是一個組合濾波與加權函數以計算動態角度的例子。

圖2　組合單軸傳感器輸出

MEMS IMU頻率響應分析

使用新的微電機系統(MEMS)IMU開發穩定系統時，在系統設計早期階段了解頻率響應(Frequency Response)非常重要，因為IMU頻率響應將對控制器設計產生直接影響，特別是在考慮新一代設計的高頻寬解決方案時，這些訊息對於預測陀螺儀的振動響應也非常有用。

評估IMU頻寬的一種策略是確定哪些訊息在產品文檔中提供，分析此類訊息對系統的慣性運動響應的影響，並穩定系統的響應。此類分析及其涉及的所有校正操作，將成為初始測試的基礎。

頻率響應在IMU和陀螺儀的規格表中表示為頻寬。作為一個性能參數，它表示某個頻率，輸出訊號幅度在該頻率下降低到傳感器遇到的實際運動幅度的大約70%(-3dB)。某些情況下，頻寬可也定義為輸出響應落後於實際運動90^o時的頻率(對於雙極系統)。這兩個指標可以直接影響控制環路的一個重要穩定準則--單位增益、相位裕量--環路響應的實際相位角度和-180^o之間的差值，環路增益為1。

了解反饋傳感器的頻率響應，是優化穩定性保證和系統響應之間平衡的關鍵因素。除了管理穩定性標準之外，頻率響應還會對振動抑制和制定取樣策略產生直接影響，透過這些策略可以測量慣性平台上的所有關鍵瞬態訊息。

要分析系統中的頻率響應，首先要從一個高層次「黑盒子」視圖開始，它描述系統在整個目標頻率範圍內對輸入的響應。在電子電路中，輸入和輸出是從一般意義上定義的例如訊號位準(伏特)；分析通常包括開發傳遞函數，使用s域表示和電路-位準關係，例如基爾霍夫(Kirchhoff)的電壓和電流定律。對於慣性MEMS系統，輸入是IMU遇到的慣性運動，輸出通常以數位碼表示。

開始分析過程時，首先要了解與傳感器訊號鏈相關的所有模組。訊號鏈從核心傳感器元件開始，將慣性運動轉化為代表性的電訊號。如果頻寬在傳感器元件中未受限制，則通常受類比數位轉換器(ADC)模組前的訊號調理電路中的濾波器限制。

訊號數位化後，處理器通常應用糾錯(校準)公式和數位濾波。第二級的數字濾波器會減小反饋系統在控制程序中使用的頻寬和取樣速率，這些所有級都可能影響傳感器訊號的增益和相位。

要進行此類分析，必須了解可以量化和應該量化的所有行為，然後可對那些無法輕易量化的行為做出合理假設。充分了解已知可變因素後，通常可以更加簡單地重新評估這些假設以進行檢查和澄清。

假定核心傳感器處於臨界阻尼狀況，而且在遠低於其諧振範圍(16k～20kHz)的頻寬下並非主要貢獻因素。這種情況並非總會出現，但它是一個很好的起點，可以使用雜訊密度或完全運動測試，稍後在流程中測試到。

觀察模擬濾波器的影響

此外，每個陀螺儀傳感器在通過ADC模組前都會通過雙極低通濾波器。這樣可以提供足夠的訊息，以便使用拉普拉斯變換(Laplace Transform)來開發S域中的傳遞函數表示。第一極(f₁)的頻率為404Hz，第二極(f₂)的頻率為757Hz(公式1)。

.................公式1

而加速度計的單極(f₁)傳遞函數為公式2：

.................公式2

這些公式為程序中的數位分析提供依據，這些程序可管理與s=jω恆等式相關的複數。在MATLAB中，以下的m-script腳本將產生幅度(比率，無單位)和相位(度)訊息。

為快速評估與這些濾波器相關的時間延遲，須注意單極濾波器的相位延遲在-3dB頻率下等於45o，也就是轉折頻率週期的八分之一。在此情況下，加速度計的濾波器的時間延遲大約等於0.38毫秒(ms)。對於陀螺儀，延遲等於兩級的時間延遲的總和，約為0.47毫秒(公式3)。

.................公式3

使用均值/抽取濾波器級

兩個均值/抽取濾波器級的使用，可降低級的輸出取樣速率，並且提供額外的濾波。在具有有限脈衝響應(FIR)的數位濾波器中，相位延遲等於總抽頭(Taper)數的一半，除以每個抽頭的取樣速率。在第一個濾波級，取樣速率為9.84kHz。有四個抽頭，在此種類型的濾波器中，這個數字等於均值數量。相位延遲約為0.2毫秒。均值濾波器的幅度響應遵循這種關係(公式4)。

.................公式4

以使用MATLAB進行分析時，使用9.84kSPS的取樣速率(fs)和四個抽頭(N)，以及用於分析模擬濾波器的相同頻率數組(N)。使用相同頻率數組，可以更加簡單地組合每級的結果。使用以下代碼來分析第一級：

圖3　模擬濾波器和第一個抽取濾波器級

要分析第二個均值/抽取濾波器，須要事先了解控制系統的取樣速率，但應使用相同的關係。例如，若控制環路需要接近400SPS的取樣速率，則第二個濾波器的均值和抽取率將等於6(取樣速率為410SPS，有四個樣本，因此為9840/[410×4]=6)。使用相同的m-script腳本代碼可分析幅度響應，有三個例外：(1)將取樣速率從9480更改為2460；(2)將兩個位置的4更改為6；(3)將FMAX從9840/2更改為2460/2。相位等於總抽頭數的一半，除以取樣速率，約為1.22毫秒(3/2460)。

留意複合響應

圖4　410SPS資料速率的複合響應

圖3表示針對數組中的每個頻率，將各級的幅度相乘的結果。圖4表示將每個頻率下的各級相位貢獻相加的結果。標記「沒有抽取」的座標圖假定輸出資料速率為2460SPS，第二個抽取濾波器級有效關閉。標記「有抽取」的座標圖假定抽取率等於6，最終輸出資料速率為410SPS。

可編程FIR濾波器分析

知道模擬濾波器和抽取濾波器的貢獻後，可以評估使用片內抽取濾波器和設計自定義FIR濾波器間的比較權衡。FIR濾波器的時域f(n)以差分方程表示，其中z變換提供分析工具用於頻率分析(公式5)。

.................公式5

幸運的是，很多現代程序都包含根據基本關係進行此類分析的特定工具或命令。但在驗證自動評估工具的結果或對FIR設計工具輸出產生直覺的疑問時，了解它們仍然是有用的。MATLAB"fdatool"命令可啟動濾波器分析和設計軟體工具包，幫助設計和分析系統FIR濾波器實施。

慣性頻率響應測試

在陀螺儀中測試頻率響應的最直接方法是使用慣性速率表，它能夠引入適當的頻率成分。速率表通常包括可編程伺服電機和光學編碼器，可驗證電機軸上的編程旋轉。這種測試方法的優勢是其應用實際慣性運動；而弱點在於它通常不適用於剛開始使用MEMS的工程師。

對於未使用速率表的早期分析驗證，測試目標頻段內的頻譜雜訊可以提供有用的訊息。這種簡化方法不必複雜的測試設備，只需要與穩定平台的安全機械連接及資料收集儀表。但是，此方法要求機械雜訊具有相對於頻率的「平坦」雜訊幅度。

圖5　雜訊密度比較

圖5詳細說明使用相同雙極低通濾波器的兩個例子。第一個例子(ADIS16375)使用在有用頻率範圍內具有平坦響應的陀螺儀。第二個例子(ADIS16488)使用在1.2kHz頻率下具有適中峰化量的陀螺儀，它實際上將-3dB頻率擴展到大約380Hz。在簡單測試中識別共振行為，有助於解釋在執行更全面系統特徵化時雜訊位準高於預期的原因。如果在項目早期了解與識別這些行為，則通常可透過對濾波器極點的調整，對它們進行管理。

測量雜訊密度時，須確保取樣速率至少達到最高目標頻率的兩倍，以滿足奈奎斯特準則(Nyquist Criteria)。此外，還應提取足夠的資料樣本，以降低測量的不確定性。圖5中的座標圖源於FFT時間記錄分析，長度為256,000個取樣，最大速率為2.46kSPS。

另一種方法使用陀螺儀的自測功能。自測功能提供使用電氣訊號模擬傳感器的機械結構的機會。自測功能迫使模擬對實際運動之響應的傳感器內核中發生變化，從而在電氣輸出上產生相應變化。

並非所有產品都提供對此訊息的即時存取，但它可能是一種有用工具，另外製造商或許能夠提供此種類型的頻率-響應測試的資料。在最簡單的方法中，可將自測(模擬對步驟的響應)與分析預期結果進行比較。重複在特定頻率下的自測置位，也是一種研究每個頻率下的傳感器響應幅度的直接方法。

以圖6中的兩種不同響應為例。在較低頻率下，陀螺儀輸出類似於方波，每個轉換的暫態響應除外。暫態響應符合傳感器訊號鏈中的濾波器網路的「步驟響應」預期。在第二個範例中，自測的頻率夠高，能夠防止完全建立，因而發生振幅減小。請注意，在圖6底部訊號中，上下振盪曲線和虛線響應間的振幅差異。有多種方法可以估測這些時間記錄的振幅。離散傅里葉變換(DFT)可將主要頻率成分(自測頻率)與諧波內容隔離開，這可能導致振幅/頻率響應的誤差。

圖6　不同MEMS響應示例

高頻寬IMU發展看俏

向高頻寬IMU發展的趨勢，為反饋穩定系統的設計提供顯著優勢。高頻寬使得多傳感器系統能夠實現更好的時序對齊和相位餘裕(Margin)管理。濾波電容的值和溫度響應的變化範圍可能非常廣，可能導致極點頻率的成比例變化。由於相位延遲取決於極點位置，因此了解和管理極點位置非常重要。

當反饋傳感器的截止頻率比控制器的單位增益反饋高兩倍時，則會為環路響應增加大約22.3o的相位延遲。如果截止頻率降低20%，則相位延遲增加大約5.6o。提高單位增益頻寬中的截止頻率的比率，可將這些影響減小四倍。

由上述可知，系統設計工程師要了解IMU的頻寬及其在系統穩定性中的角色，應該使用分析、建模、測試資料以及這些因素的迭代。

(本文作者任職於亞德諾)