選擇陀螺儀時(shí)，需要考慮將最大誤差源最小化。在大多數應用中，振動(dòng)敏感度是最大的誤差源。其它參數可以輕松地通過(guò)校準或求取多個(gè)傳感器的平均值來(lái)改善。偏置穩定度是誤差預算較小的分量之一。 

瀏覽高性能陀螺儀數據手冊時(shí)，多數系統設計師關(guān)注的第一個(gè)要素是偏置穩定度規格。畢竟，它描述的是陀螺儀的分辨率下限，理所當然是反映陀螺儀性能的最佳指標！然而，實(shí)際的陀螺儀會(huì )因為多種原因而出現誤差，使得用戶(hù)無(wú)法獲得數據手冊中宣稱(chēng)的高偏置穩定度。的確，可能只有在實(shí)驗室內才能獲得那么高的性能。傳統方法是借助補償來(lái)最大程度地降低這些誤差源的影響。本文將討論多種此類(lèi)技術(shù)及其局限性。最后，我們將討論另一種可選范式——根據機械性能選擇陀螺儀，以及必要時(shí)如何提高其偏置穩定度。 

環(huán)境誤差 

所有中低價(jià)位的MEMS陀螺儀都有一定的時(shí)間-零點(diǎn)偏置和比例因子誤差，此外還會(huì )隨溫度而發(fā)生一定的變化。因此，對陀螺儀進(jìn)行溫度補償是很常見(jiàn)的做法。一般而言，陀螺儀集成溫度傳感器的目的就在于此。溫度傳感器的絕對精度并不重要，重要的是可重復性以及溫度傳感器與陀螺儀實(shí)際溫度的緊密耦合�，F代陀螺儀的溫度傳感器幾乎毫不費力就能達到這些要求。 

許多技術(shù)可以用于溫度補償，如多項式曲線(xiàn)擬合、分段線(xiàn)性近似等。只要記錄了足夠數量的溫度點(diǎn)，并且在校準過(guò)程中采取了充分的措施，那么具體使用何種技術(shù)是無(wú)關(guān)緊要的。例如，在每個(gè)溫度的放置時(shí)間不足是一個(gè)常見(jiàn)的誤差源。然而，無(wú)論采用何種技術(shù)，無(wú)論有多細心，溫度遲滯——即通過(guò)冷卻與通過(guò)加熱達到某一特定溫度時(shí)的輸出之差——都將是限制因素。 

圖1所示為陀螺儀ADXRS453的溫度遲滯環(huán)路。溫度從+25℃變?yōu)?130℃，再變?yōu)?ndash;45℃，最后回到+25℃，與此同時(shí)記錄未補償陀螺儀的零點(diǎn)偏置測量結果。加熱周期與冷卻周期中的+25℃零點(diǎn)偏置輸出存在細微的差異（本例中約為0.2°/s），這就是溫度遲滯。此誤差無(wú)法通過(guò)補償來(lái)消除，因為無(wú)論陀螺儀上電與否，它都會(huì )出現。此外，遲滯的幅度與所施加的溫度“激勵”量成比例。也就是說(shuō)，施加于器件的溫度范圍越寬，則遲滯越大。 

圖1. 經(jīng)歷溫度循環(huán)（–45℃至+130℃）時(shí)未補償ADXRS453的零點(diǎn)偏置輸出

如果應用允許啟動(dòng)時(shí)復位零點(diǎn)偏置（即無(wú)旋轉時(shí)啟動(dòng)），或者在現場(chǎng)將零點(diǎn)偏置調零，則可以忽略此誤差。否則，這就可能是偏置穩定度性能的一個(gè)限制因素，因為我們無(wú)法控制運輸或存儲條件。

抗振 

理想情況下，陀螺儀僅測量旋轉速率，無(wú)關(guān)其他。但實(shí)際應用中，由于機械設計不對稱(chēng)和/或微加工不夠精確，所有陀螺儀都有一定的加速度敏感度。事實(shí)上，加速度敏感度有多種

外在表現，其嚴重程度因設計而異。最顯著(zhù)的通常是對線(xiàn)性加速度的敏感度（或g敏感度）和對振動(dòng)校正的敏感度（或g2敏感度）。由于多數陀螺儀應用所處的設備是繞地球的1 g重力場(chǎng)運動(dòng)和/或在其中旋轉，因此對加速度的敏感度常常是最大的誤差源。 

成本極低的陀螺儀一般采用極其簡(jiǎn)單緊湊的機械系統設計，抗振性能未經(jīng)優(yōu)化（它優(yōu)化的是成本），因而振動(dòng)可能會(huì )造成嚴重影響。1000°/h/g（或0.3°/s/g）以上的g敏感度也不足為奇，比高性能陀螺儀差10倍以上！對于這種陀螺儀，偏置穩定度的好壞并無(wú)多大意義，陀螺儀在地球的重力場(chǎng)中稍有旋轉，就會(huì )因為g和g2敏感度而產(chǎn)生巨大的誤差。一般而言，此類(lèi)陀螺儀不規定振動(dòng)敏感度——默認為非常大。 

較高性能的MEMS陀螺儀則好得多。表1列出了幾款高性能MEMS陀螺儀的數據手冊所列規格。對于這一類(lèi)別中的多數陀螺儀，g敏感度為360°/h/g（或0.1°/s/g），某些低于60°/h/g，遠遠優(yōu)于極低成本的陀螺儀。但是，對于小到150 mg（相當于8.6°傾斜）的加速度變化，即使其中最好的陀螺儀也會(huì )超出其額定偏置穩定度。 

表1

有些設計師試圖利用外部加速度計來(lái)補償g敏感度（通常是在IMU應用中，因為所需的加速度計已經(jīng)存在），這在某些情況下確實(shí)可以改善性能。然而，由于多種原因，g敏感度補償無(wú)法獲得完全的成功。大多數陀螺儀的g敏感度會(huì )隨振動(dòng)頻率變化而變化。圖2顯示了Silicon Sensing CRG20-01陀螺儀對振動(dòng)的響應。注意，雖然陀螺儀的敏感度在額定規格范圍內（在一些特定頻率處略有超出，但這些可能不重要），但從DC到100 Hz，其變化率為12:1，因此無(wú)法簡(jiǎn)單地通過(guò)測量DC時(shí)的敏感度來(lái)執行校準。確實(shí)，補償方案將非常復雜，要求根據頻率改變敏感度。 

圖2. Silicon Sensing CRG20-01對不同正弦音的g敏感度響應

作為對比，圖3顯示的是陀螺儀ADXRS646在相似條件下的響應。事實(shí)上，有些陀螺儀比其它陀螺儀更容易進(jìn)行g(shù)敏感度補償。不過(guò)遺憾的是，數據手冊幾乎從不提供此類(lèi)信息，必須由用戶(hù)去探索，而且可能極耗精力，但在系統設計過(guò)程中，常常沒(méi)有時(shí)間等待驚喜出現。 

圖3. Analog Devices ADXRS646對隨機振動(dòng)(15 g rms, 0.11 g2/Hz)的g敏感度響應，1600 Hz濾波

另一個(gè)困難是將補償加速度計和陀螺儀的相位響應相匹配。如果陀螺儀和補償加速度計的相位響應匹配不佳，高頻振動(dòng)誤差實(shí)際上可能會(huì )被放大！由此便可得出另一個(gè)結論：對于大多數陀螺儀，g敏感度補償僅在低頻時(shí)有效。 

振動(dòng)校正常常不作規定，原因可能是差得令人難堪，或者不同器件差異巨大。也有可能只是因為陀螺儀制造商不愿意測試或規定（公平地說(shuō)，測試可能比較困難）。無(wú)論如何，振動(dòng)校正必須引起注意，因為它無(wú)法通過(guò)加速度計進(jìn)行補償。與加速度計的響應不同，陀螺儀的輸出誤差會(huì )被校正。 

改善g2敏感度的最常見(jiàn)策略是增加一個(gè)機械抗振件，如圖4所示。圖中顯示的是一個(gè)從金屬帽殼封裝中部分移出的Panasonic汽車(chē)陀螺儀。該陀螺儀組件通過(guò)一個(gè)橡膠抗振件與金屬帽殼隔離�？拐窦�非常難以設計，因為它在寬頻率范圍內的響應并不是平坦的（低頻時(shí)尤其差），而且其減振特性會(huì )隨著(zhù)溫度和使用時(shí)間而變化。與g敏感度一樣，陀螺儀的振動(dòng)校正響應可能會(huì )隨頻率變化而變化。即使能夠成功設計出抗振件以衰減已知頻譜下的窄帶振動(dòng)，此類(lèi)抗振件也不適合可能存在寬頻振動(dòng)的通用應用。 

圖4. 典型抗振件

機械濫用引起的主要問(wèn)題 

許多應用中會(huì )發(fā)生常規性短期濫用事件，這些濫用雖然不致于損傷陀螺儀，但會(huì )產(chǎn)生較大誤差。下面列舉幾個(gè)例子。 

有些陀螺儀可以承受速率過(guò)載而不會(huì )表現異常。圖5顯示了Silicon Sensing CRG20陀螺儀對超出額定范圍大約70%的速率輸入的響應。左邊的曲線(xiàn)顯示的是旋轉速率從0°/s變?yōu)?00°/s再保持不變時(shí)CRS20的響應情況。右邊的曲線(xiàn)則顯示的是輸入速率從500°/s降為0°/s時(shí)該器件的響應情況。當輸入速率超出額定測量范圍時(shí)，輸出在軌到軌之間紊亂地擺動(dòng)。 

圖5. Silicon Sensing CRG-20對500°/s速率輸入的響應

有些陀螺儀在經(jīng)受哪怕只有數百g的沖擊時(shí)，也會(huì )表現出“鎖定”的傾向。例如，圖6顯示的是VTI SCR1100-D04在經(jīng)受250 g 0.5 ms沖擊時(shí)的響應情況（產(chǎn)生沖擊的方法是讓一個(gè)5 mm鋼球從40 cm的高度落在陀螺儀旁邊的PCB上）。陀螺儀未因沖擊而損壞，但它不再響應速率輸入，需要關(guān)斷再上電以重新啟動(dòng)。這并非罕見(jiàn)現象，多種陀螺儀都存在類(lèi)似的行為。檢查擬用的陀螺儀是否能承受應用中的沖擊是明智的。 

圖6. VTI SCR1100-D04對250 g、0.5 ms沖擊的響應

顯然，此類(lèi)誤差將大得驚人。因此，必須仔細找出給定應用中可能存在哪些濫用情況，并且驗證陀螺儀是否能經(jīng)受得住。 

誤差預算計算 

如上所述，多數陀螺儀應用中都存在運動(dòng)或振動(dòng)情況。利用上文所示的數據手冊所列規格（如果沒(méi)有規定振動(dòng)校正特性，則使用保守的估計值），表2列出了表1所示陀螺儀在不同應用中的典型誤差預算。從表3可以看出，增加g敏感度補償方案后，雖然抗振性能提高了半個(gè)數量級（絕非易事），但振動(dòng)敏感度仍然是一個(gè)遠大于偏置穩定度的誤差來(lái)源。

表2. 多種陀螺儀（未經(jīng)補償）在不同振動(dòng)情況下的估計誤差(°/s)

表3. 采用g敏感度補償的多種陀螺儀（g敏感度改善5倍）在不同振動(dòng)情況下的估計誤差(°/s)

選型新范式 

在誤差預算中，偏置穩定度是最小的分量之一，因此選擇陀螺儀時(shí)，更為合理的做法是考慮將最大誤差源最小化。在大多數應用中，振動(dòng)敏感度是最大的誤差源。然而，有時(shí)用戶(hù)可能仍然希望獲得比所選陀螺儀更低的噪聲或更好的偏置穩定度。幸運的是，我們有辦法來(lái)解決這一問(wèn)題，那就是求平均值。 

不同于設計相關(guān)的環(huán)境或振動(dòng)誤差，多數陀螺儀的偏置穩定度誤差具有噪聲特性。也就是說(shuō)，不同器件的偏置穩定度是不相關(guān)的。因此，我們可以通過(guò)求取多個(gè)器件的平均值來(lái)改善偏置穩定度性能。如果對n個(gè)器件求平均值，則期望的改善幅度為√n。寬帶噪聲也可以通過(guò)類(lèi)似的求平均值方法予以改善。 

結束語(yǔ) 

長(cháng)久以來(lái)，偏置穩定度被視為陀螺儀規格的絕對標準，但在實(shí)際應用中，振動(dòng)敏感度常常是限制性能的更嚴重因素。根據抗振能力選擇陀螺儀是合理的，因為其它參數可以輕松地通過(guò)校準或對多個(gè)傳感器求平均值來(lái)改善。