关于惯性传感器（陀螺仪、加速度计）的选取

陀螺仪的选取

在做惯性导航模块或者飞控的时候第一件事就是器件的选取，这个是第一步也是很重要的一步，因为他不仅关系到硬件成本还关乎到你最终产品的性能。在选取器件的时候无外乎要关注如下几个方面
1、传感器的精度参数
2、传感器对应的价格且是否好购买
3、对应的硬件设计难

1. 陀螺仪性能参数

下面介绍几个在陀螺仪选取过程中比较关注的几指标

1.1 量程
量程是我们在选用传感器的时候首先就要确定的！你选的传感器的是用来干什么的，一般的飞控，惯导系统选择在300度/s，450度/秒就可以了，其他的根据自己的使用场景做选择，比如说一些高精度平台要的量程小一点对应的精度会高一些。

1.2 零偏稳定性
零偏是指陀螺仪在零输入状态下的输出，其用较长时间输出的均值等效折算为输入角速率来表示，也就是观测值围绕零偏的离散程度，比如0.005 degree/sec表示每秒会漂0.005 degree。在零输入状态下的长时间稳态输出是一个平稳的随机过程，即稳态输出将围绕均值（零偏）起伏和波动，习惯上用均方差来表示，这种均方差被定义为零偏稳定性。而初始零偏误差可以理解为静态误差，它不会随时间的波动，可以用过软件校准。

1.3 刻度因子（标度因数）
是指陀螺仪输出量与输入角速率的比值。这个比值是用一特定的直线斜率表示的，该直线是根据整个输入角速率范围内测得的输入、输出数据，用最小二乘法拟合求得可以用过软件校准。

1.4 角度随机游走
当陀螺仪处于零输入状态时，脱落的输出信号为白噪声和慢变随机函数的叠加。漫变随机函数可用来确定零偏和零偏稳定性指标，白噪声定义为单位检测带宽平方根下等价旋转角速度的标准偏差，单位（degree/sec/√Hz 或 degree/hr/√Hz）。这个白噪声也可以用单位为 degree/√Hz 的角度随意游走系数来表示，随机游走系数是指由白噪声产生的随时间积累的陀螺仪输出误差系数。当外界条件基本不变诗，可以认为上面所分析的各种噪声的主要统计特性是不随时间推移而变化的。

1.5 抗振性

对于陀螺仪的性能参数，大部分设计师第一个要关注的就是零偏稳定性，长久以来它被视为陀螺仪规格的绝对标准，毕竟它是描述陀螺仪分辨率的下限理所应当的是反应陀螺仪性能的最佳指标！然而实际中陀螺仪会因为各种原因出现误差导致用户无法获得与实验手册上宣称的指标参数。实际上很多性能参数都是可以在后续的校准算法中得到改善的如零偏，刻度因子，正交轴误差，温度漂移

选择陀螺仪时，需要考虑将最大误差源最小化。在大多数 应用中，振动敏感度是最大的误差源。其它参数可以轻松 地通过校准或求取多个传感器的平均值来改善。零偏稳定 性是误差预算较小的分量之一。

在理想状态下陀螺仪仅仅只需要测量旋转速率，但在实际的应用中所有的陀螺都有仪都有一定的加速度敏感度，加速度敏感度有多种外在表现，最显著的通常是对线加速度（g敏感度）或对振动的敏感度（g2 敏感度），由于多数陀螺仪应用所处的设备是绕地球的1g重力场运动和/或在其中旋转，因此对加速度的敏感度常常是最大的误差源。

成本极低的陀螺仪一般采用极其简单紧凑的机械系统设 计，抗振性能未经优化(它优化的是成本)，因而振动可能 会造成严重影响。1000°/h/g(或0.3°/s/g)以上的g敏感度也不 足为奇，比高性能陀螺仪差10倍以上! 对于这种陀螺仪， 零偏稳定性的好坏并无多大意义，陀螺仪在地球的重力场 中稍有旋转，就会因为g和g2敏感度而产生巨大的误差。一 般而言，此类陀螺仪不规定振动敏感度——默认为非常大。
可以看一组ADI公司某款陀螺仪对振动的响应

当然在实际的一些应用中很多人会在器件中增加一个机械抗振件，抗振件的设计也不是一件简单的事，因为它在宽频率范围内的响应并不是平坦的，在低频时尤其差，并且其减震特性会随着温度和使用时间变化。

所以在大部分应用中陀螺仪的选取过程中抗振性是其中非常关键的指标了

加速度计的选取

加速度计能测量加速度，倾斜，振动或冲击，因此适用于从可穿戴健身装置到工业平台稳定系统的广泛应用，市场上有成百上千的加速度计可供选择，其成本和性能各不相同。加速度计目前行业内还没有给出具体的行业界定标准，下图为ADI公司给出的加速度计一般分类及相应的应用

下图为ADI公司给出的加速度计应用版图

在加速度计的选取中要关注的几个参数是：量程，噪声密度，随机游走，运动中的偏置稳定度，带宽这几个参数和陀螺仪的都差不多，注意下这个运动中的偏置稳定性，这个有些厂家文档里面并没有给出，可以使用allan方差来求的，具体方法可参考https://blog.csdn.net/u012325601/article/details/60882949

在选取传感器的时候我们经常会看到消费级，工业级这样的字眼，ADI公司也给出了消费级加速度计和IMU中集成的中档工业级加速度计的主要区别

工业级MEMS器件对所有已知潜在误差源进行了全面的测定，精度比消费级高出一个数量级以上。

参考：
https://www.analog.com/cn/analog-dialogue/articles/choosing-the-most-suitable-mems-accelerometer-for-your-application-part-1.html

https://www.analog.com/cn/technical-articles/gyro-mechanical-performance.html