マイクロメカニカルジャイロスコープの特性の比較

最近、STMicroelectronicsが自動車用アプリケーションの厳しい規格（AEC-Q100）を満たす3軸ジャイロスコープA3G4250Dを発表したことを知りました。 1000個の注文の場合、6ドルの約束額。 価格クラスは明確です。 このセンサーのパスポート特性をアナログデバイスの由緒あるモデルと比較したかったのです。 および他のメーカー。 データシートを扱っている間に、たとえばADIとSTMのパスポート特性のセットが同じではないことがわかりました。 途中で、どの種類のオウムがセンサーを比較する必要があるか、つまり これは最も重大なマイクロメカニクスの問題です。 その結果、私は投稿のために資料を集めました。 これは紹介です。 「[30 kopecks。Bunch]対[Cast-iron bridge]」の比較は、残念ながら適合しませんでした。

はじめに

マイクロメカニカルジャイロスコープと加速度計のさまざまなクラスの動作原理について、複数の記事を書くことができます。 デバイスにはいくつかの異なるタイプ/クラスがあります。 詳細に触れない場合は、おおよそ次のように言えます。

マイクロメカニカルジャイロスコープのセンシティブエレメント（SE）は、体内のスプリング（半導体の弾性コンソールなど）に固定された慣性質量です。 この敏感な質量は、センサー軸の1つに沿って振動運動に駆動されます。 この軸は励起軸（入力軸）です。 動作モードはこの軸に沿って設定されます。 測定は、それに垂直な軸に沿って行われます（出力）。 動作原理は、ケースが測定軸（感度軸とも呼ばれます）を中心に回転すると、 入力軸に沿った振動に加えて、検知要素も3番目の出力軸に沿って振動し始めます。 誰もがリサージュ図が何であるかを知っている場合、彼はCEが空間内の円（または楕円）を描き始めることを容易に理解するでしょう。

したがって、単純化された単軸センサーが機能します。 2軸および3軸センサーの場合、CEと測定システムの複合体は、別のサスペンション/メーターシステムによってフレーム化されています。 つまり FE /サスペンション/測定器の1つのアセンブリ（X軸のアセンブリとする）自体は、OZによる測定用のアセンブリに含まれる別のアセンブリ（たとえば、Yによる）の振動FEです。 おそらく、別のシステムも可能です。

上記のテキストのマイクロメカニクスの専門家は、十分な不正確さを見つけることができます。 それは大まかにそして知覚を容易にするために書かれています。 また、マイクロメカニクスの最も深刻な問題の1つである線形加速度に対する感度の説明にスムーズに進むように書かれています。

理論的には、振動するSEは加速を感じてはならず、他の感度軸（OR）とのクロス接続（2軸または3軸センサーの場合）があってはなりません。 しかし、集積回路内に3次元構造を作成する際の欠陥により、SEの重心は変位し、材料に残留応力が現れ、バネは異なる弾性を持ちます。 その結果、OXのSEはOY効果に反応し始め、直線加速度がジャイロの読み取り値を歪め始めます。 つまり 測定では、実際には存在しない角速度の増分が表示されます（ランダムドリフト）。

SEの生産を理想的にすることは不可能です（またはお勧めできません）。そのため、センサーの設計には、前述の寄生的な影響に対する感度を下げるために必要な追加の要素が現れます。 まず第一に、安価で（最大10〜15ドル）センサーと、中間（$ 30〜100）および上限（$ 100 +）のセンサーでは、寄生的な影響を排除する要素のシンプルさ、さらには非常に異なるだけです。

ヘアスタイルの1つで、寄生効果に対する安価なジャイロスコープの反応の過失の問題について議論しました（ ここでは、たとえば ）。 静的クワッドコプターの場合、キャストする必要がないことは明らかです。 ただし、これは静的で使用されるデモデバイスにすぎません。 UAVは移動する必要があり、適切な動的パフォーマンスを備えている必要があります。 それ以外の場合、なぜそれを使用できますか？ 垣間見ると、フェンスの後ろには何がありますか？

たとえば、クアドロコプターの高強度の振動に対する反応は必要ありません。 誰もがそれが何であるかを知っています。 したがって、加速度と振動に対するジャイロスコープの感度の問題は、通常のダイナミクスで動くオブジェクトを作成するために非常に重要だと思います。

マイクロメカニカルジャイロスコープのエラー

センサーのデータシートで開発者の目を引く最初のことは、いわゆる「ゼロ安定性」です。 結局のところ、センサーの感度を最終的に決定するのはこのパラメーターであると思われます。 センサーが感じる最小入力。 そのため、多くのMMGモデルの安定性が低いため、多くの人々は、マイクロメカニカルジャイロスコープ（MMG）は地球の回転を感知しないと考えています。 安定性がゼロのMMGモデルには、2°/時間を少し超えるものがあります（ご存知のように、地球は15°/時間の速度で回転します）。 しかし実際には、これは地球の自転をまだ測定できるという意味ではありません。

それがそうであっても、開発者はゼロの安定性を見ています。 これは理解できるパラメーターであり、センサーのゼロスケールが実験室で変動する範囲を示します。 ただし、これは「真空中の球形馬」の安定性のパラメーターです。 実際には、安定性の宣言はありません。 なんで？ はい。内部エラーの原因により、安定性が示されているため（またはむしろ不安定性）。 センサーがどのような条件下で動作するか、製造業者はこれらの条件によって引き起こされる偏差と同様に予測することができません。

エラーを処理するには、ハードウェアとアルゴリズム（読み取りソフトウェア）の2つのアプローチがあります。 2番目のアプローチでは、特別なソフトウェアモジュールをコンピューターのファームウェアに追加して、偽のプロセスによって発生したエラーを修正します。 また、このアプローチは最適ではないため推奨されません。 まず、センサー自体がノイズを吸収する必要があります。 中央の脳は、メインのゴミを一掃するのではなく、高度なアルゴリズム（ナビゲーション、安定化、自動化）を仕上げて計算することに関与すべきです。 あらゆる方法論的エラーがあります。 特定の式で簡単に説明できますが、ソフトウェアで簡単に補正できます。

なんでこんなこと？ そして、正確な特性に対する価格の比率の観点から最適なセンサーを選択する方が正しいという事実に。 そして、ここでの主な選択パラメータは、ほとんどの場合、線形加速度（g感度）および振動（g²感度）に対するジャイロ感度です。 それらがメインである理由を以下に説明します。

ゼロ温度ヒステリシス

MMGのエラーはゼロであり、ケース内の温度によって異なります。 熱補償のために、温度センサーがMMGに統合されています。 それらの精度はそれほど重要ではなく、読み取りの頻度のみが重要です。 しかし、熱補償には問題があります-ヒステリシス。 この場合のヒステリシスは、2つのケースで特定の温度に必要な補正値の差です-冷却によってデバイスがこの温度に達したときと、同じ温度まで加熱したとき。 以下の表をご覧ください。



このグラフは、温度変化が+ 25°から+ 130°に、そして-45°に、そして+ 25°に戻ったMMX ADXRS453のゼロ温度ヒステリシスを示しています。 このヒステリシスは、温度変動中にセンサーがオンになっているかどうかに関係なく発生します。 さらに、ヒステリシスは温度範囲の広さに依存します。

状況は複雑ですか？ いいえ、そうでもありません。 一般的なケースでは、MMGを使用して、外部参照システムがない場合に方位角を決定することはできません。これにより、累積誤差を特定の低レベルにリセットできます。 同じシステムを使用して、現在のゼロオフセットを特定できます。 したがって、通常の使用中の温度ゼロオフセットとスケール係数の誤差は、非常に効果的に補正できます（ただし、ゼロ以外の小さな値の精度は維持されます）。

振動エラー

上記のように、真空中の球状MMGは回転のみを測定し、それ以外は測定しません。 ただし、CEの非対称性と不完全な製造のため、すべてのMMGは加速を感じます。 加速度に対する感度は、ほとんどの場合、線形加速度（g感度）および線形振動（g²感度）に対する感度として理解されています。 いずれにせよ、加速度は（自由落下の場合を除き）地球の重力場内を移動するオブジェクトに作用します。 多くの場合、直線加速度に対する感度がエラーの主な原因です。

最低価格帯のMMGは、主にコストのために最適化されていますが、耐振動性のためではありません。 彼らは比較的単純な機械システムを持っています。 耐久性（10,000 gの巨大な過負荷に耐える）が特徴ですが、振動から保護されていません。 センサーの質量が小さい->広い通過帯域。 このようなジャイロスコープでは、加速度に対する感度（データシートの加速度効果）は1000°/ h / g（または0.3°/ s / g）に等しくなります。 また、このクラスのセンサーでは、この値は非常に正常です。 しかし、これは正確なセンサーから予想されるよりも桁違いに高いです。 安価なセンサーは、加速度感度のコンテキストでゼロ安定性を期待すべきではありません。 地球の重力場の小さな回転でさえ、加速度と振動に対する極端な感度のために大きな誤差をもたらします。 ところで、STMicroelectronicsのA3G4250Dのデータシートに「加速効果」は見つかりませんでした。 このクラスのセンサーには、このパラメーターは指定されていません。 それは単に偉大な人によって暗示されています。 以下は、一部のハイエンドMMGモデルの比較表です。



この表には、精度クラスのセンサーがリストされています。 また、それらの場合でも、両方のパラメーターが製造元によって常に指定されているわけではありません。

多くの場合、加速度センサーの補正は、加速度に対する感度を補正するために使用されます。 以下は、 クアドロコプターのトピックに関するhabrapostのコメント 「 クアドロコプターの高さを安定化する問題の例を使用して、複数のセンサーで慣性航法システム（INS）を使用する 」に関するコメントからの例です 。

ドリフトが一定で常に一方向である場合-これは単に0の不正なキャリブレーションを示します。MultiWii0では、ギアはオンになるたびにキャリブレーションされますが、少なくとも10分の1を入力すると不完全（最も近い全体に丸められます）になります。 しかし、ジャイロスコープのこのアプリケーションでは、それが修正される基準方位（コンパスと加速度計）があるため、顕著なドリフトでさえひどいものではありません。

しかし、加速度に対する感度によるドリフトは、この加速度が変化する周波数に依存することがわかります。 以下は、MMG CRG20-01出力信号の依存性のグラフです（デモボードの形でのユニット配送では、間違えない場合、配送で$ 100-150の範囲でコストがかかります）対、適用された加速度の変化の頻度。



グラフは、誤差が加速度振幅に依存しないことを示しています。 しかし、周波数に依存しています。 そのように、この誤差を補正することはできません（大きな変動と感度の変化の複雑な曲線）。 g²感度の補正は、一定であれば簡単です。 ただし、データシートのすべてのメーカーがこのパラメーターのグラフを示しているわけではありません。 開発者は多くの場合、これらのグラフを自分で実験する必要があります。 そして、多くの場合、これはすでに稼働しているデバイスのフィールドで行われます。

加速度計の修正を伴う別の待ち伏せは、位相整合です。 一般的な場合、加速度計とジャイロスコープの固有周波数は一致せず、一般的な周波数特性です。 したがって、異なる振動周波数では、MMAとMMGは、入力での振動に対する出力信号の位相に異なるオフセットを生成します。 最終的に、加速度計の補正が増加する可能性があります！ それを消すのではなくエラー。 これは、MMAとMMGの位相変位の差が3.14ラジアン（180度）の値に近づくと発生します。

最後に、 振動や加速度に対する感度は、1つのセンサーモデルのフレームワーク内でも大きく異なるか、大きすぎる場合、メーカーは単にそれを示していないだけです。 確かに、振動に対する感度についてセンサーをテストすることは実際には非常に難しいことに注意する必要があります。 問題は本質的に技術的かつ方法論的です。

振動に対する感度を下げるために、もちろん、ゴム製絶縁体を介してセンサーを取り付けることができます。 しかし、このサスペンションを広範囲の周波数で均一に分布させることは、エージング中に特性を変更しなくても非常に困難です。

以下は、g補償を使用しない場合の加速度と振動に対する感度による誤差の比較です（g / s）。



次の表は、g補償（g / s）の導入後も残っているエラーを示しています。



ご覧のように、g補償を導入しても、加速度に対する感度の誤差は、温度不安定性ゼロの誤差よりも大きくなる可能性があります（上記のヒステリシスグラフを参照）。

結論

上記は、最も明白な精度パラメーターが常にセンサーを選択するための主要な基準ではないことを示しています。 「ろうそくの下では常に暗い」と、一般的な知恵は言う。 データシートに明確に記述されていないもの、またはまったく指定されていないものは、プロジェクトの成功に決定的な役割を果たす可能性があります。 ゼロの安定性とノイズの分散に焦点を当てることができますが、単純なアルゴリズム（時間平均または冗長測定ユニットを使用）で無効にすることができます。 しかし、CRG20-01の例で上で見たように、振動による誤差は、アルゴリズムで説明するのが難しいかもしれません。 長い間、MMGの最適な選択は安定性ゼロです。 ただし、実際には、加速度と振動に対する感度が精度に大きく影響する可能性があります。

おわりに

1）比較基準の選択の正当化、2）Analog Devices Inc.、Silicon Sensing、Sensonor、STMicroelectronicsのモデルのTTX比較の2つの部分を含む投稿を作成したかった。 しかし、それは「複数文字」で起こりました。 興味深い場合は、すぐに言及された企業のセンサーをデータシートごとに、主要な特性の物理的意味の説明と比較してみます。



UPD：いくつかのタイプミスと文法エラーを修正しました。