愛(ài)普生M-G365/M-G366 MEMS六軸陀螺儀低成本替代光纖陀螺儀

愛(ài)普生M-G365/M-G366是一款性能達(dá)到光纖陀螺儀（FOG）級(jí)別的高性能慣性測(cè)量裝置，作為新一代IMU標(biāo)準(zhǔn)，安裝簡(jiǎn)單，具有新的姿態(tài)角輸出功能并支持各種應(yīng)用，并且具有擴(kuò)展卡爾曼濾波器的高速DSP能以較低功耗提供高精度實(shí)時(shí)姿態(tài)角輸出（橫滾角/俯仰角/偏航角），可廣泛適用于汽車(chē)等車(chē)輛、船只及其他多種工業(yè)產(chǎn)品和系統(tǒng)，用來(lái)測(cè)量數(shù)據(jù)和控制運(yùn)動(dòng)等，而且系統(tǒng)端不再需要?jiǎng)討B(tài)姿態(tài)角的高速計(jì)算，從而減小了系統(tǒng)載荷和功耗。M-G365采用了最新開(kāi)發(fā)的高性能傳感器，具有穩(wěn)定性更好、噪音更低、動(dòng)態(tài)范圍更廣的優(yōu)越特點(diǎn)，而且動(dòng)態(tài)性能出色（比例因子非線性），非常適合諸如汽車(chē)、無(wú)人飛機(jī)等從靜態(tài)到高速運(yùn)動(dòng)的高精度測(cè)量。M-G365的向后兼容性，更是大大降低了用戶(hù)開(kāi)發(fā)成本和評(píng)價(jià)時(shí)間，更有較低的電流消耗（16 mA，而M-G364和M-G354為18 mA）。
核心參數(shù)特性：

型號(hào)		M-G365
尺寸，重量		24 * 24 * 10 mm, 10g
低噪聲，高穩(wěn)定性	零偏穩(wěn)定性	1.8°/hr
低噪聲，高穩(wěn)定性	角隨機(jī)游走	0.08°/√hr
測(cè)量范圍	三陀螺	±450 °/sec
測(cè)量范圍	三軸加速計(jì)	±4G, ±10G ^⑴
輸出數(shù)據(jù)分辨率		16/32bit
數(shù)據(jù)接口		SPI / UART
工廠內(nèi)部補(bǔ)償		零偏，比例因子，角誤差
輸出數(shù)據(jù)速率		達(dá)到2000 Sps
校準(zhǔn)溫度范圍		-40℃ to +85℃
工作溫度范圍		-40℃ to +85℃
低功耗		16mA (Typ.) @ 3.3V
姿態(tài)測(cè)量功能		歐拉角（滾動(dòng)/俯仰）傾斜角度（X / Y軸）

備注（1）：加速度計(jì)動(dòng)態(tài)范圍由部件號(hào)訂購(gòu)代碼確定，具體詳詢(xún)愛(ài)普生晶振晶體與單軸、六軸陀螺儀代理商-南山電子。
應(yīng)用
• 導(dǎo)航系統(tǒng)（自動(dòng)駕駛汽車(chē)，精密農(nóng)業(yè)，工程機(jī)械）
• 穩(wěn)定系統(tǒng)（天線平臺(tái)，云臺(tái)相機(jī)）

評(píng)估測(cè)試環(huán)境搭建：
EPSON六軸陀螺儀M-G370測(cè)試環(huán)境搭建框圖
圖1 環(huán)境搭建框圖

上述這款接口分線板用來(lái)將愛(ài)普生M-G365六軸MEMS陀螺儀（慣性測(cè)量裝置）1mm pitch的連接器轉(zhuǎn)接到2.54mm pitch的連接器上，配合USB-串口轉(zhuǎn)接器，使得PC能夠控制慣性測(cè)量裝置，大大簡(jiǎn)化了產(chǎn)品的測(cè)試評(píng)估。

六軸陀螺儀術(shù)語(yǔ)說(shuō)明：

*1 慣性測(cè)量裝置（IMU）是用于感應(yīng)慣性運(yùn)動(dòng)的設(shè)備。它有三軸角速度傳感器和三軸加速度計(jì)組成。也被稱(chēng)為六軸陀螺儀，屬于MEMS陀螺儀。

*2 光纖陀螺儀（FOG）是一種在少量高性能IMU中使用的、基于光纖和光干涉特性的陀螺傳感器。

*3 陀螺傳感器（角速度傳感器）測(cè)量單位時(shí)間上某物體關(guān)于參考軸的旋轉(zhuǎn)角度（角速度）。

*4 零偏穩(wěn)定性是一個(gè)衡量規(guī)定取樣時(shí)間和平均時(shí)間間隔上計(jì)算的陀螺儀零偏隨機(jī)變化的指標(biāo)，該零偏變化用1/f噪聲密度表示。

*5 角隨機(jī)游走是一個(gè)衡量規(guī)定取樣時(shí)間和平均時(shí)間間隔上計(jì)算的陀螺儀零偏隨機(jī)變化的指標(biāo)，該零偏變化用隨機(jī)噪聲密度表示。

*6 擴(kuò)展卡爾曼濾波器利用模型估值和實(shí)際觀察值依次計(jì)算最可能值，以便更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)觀察值中的信息，包括濾波器誤差。

*7 數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）是處理數(shù)字信號(hào)的高速運(yùn)算電路。

*8 方位角（橫滾角、俯仰角和偏航角）：

• 橫滾角：物體沿其縱軸旋轉(zhuǎn)的角度

• 俯仰角：物體沿其橫軸旋轉(zhuǎn)的角度

• 偏航角：物體沿其垂直軸旋轉(zhuǎn)的角度

光纖陀螺儀(FOG)以前曾經(jīng)是環(huán)形激光陀螺儀(RLG)等其他技術(shù)的低成本替代品，現(xiàn)在該技術(shù)面臨自愛(ài)普生高精度六軸陀螺儀新的競(jìng)爭(zhēng)。微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)陀螺儀開(kāi)始搶奪傳統(tǒng)FOG應(yīng)用的市場(chǎng)份額。具體來(lái)說(shuō)，天線陣列穩(wěn)定、農(nóng)業(yè)機(jī)械控制、常規(guī)車(chē)輛導(dǎo)航成為MEMS和FOG對(duì)峙的戰(zhàn)場(chǎng)。

愛(ài)普生MEM六軸陀螺儀與FOG光纖陀螺儀相比從性能參數(shù)看非常接近，特別是EPSON最新推出的M-G365等系列參數(shù)已經(jīng)達(dá)到了FOG戰(zhàn)術(shù)級(jí)性能水平，但其成本卻比MEMS低出數(shù)倍。如果可以使用GNSS，而且應(yīng)用的目的是在開(kāi)放天空環(huán)境中運(yùn)行，MEMS六軸陀螺儀可以取代OG光線陀螺儀。如果應(yīng)用能夠接收車(chē)輛或平臺(tái)速度更新，則愛(ài)普生MEMS六軸陀螺儀系統(tǒng)可以達(dá)到與獨(dú)立FOG系統(tǒng)相同的水平。這將迅速加速六軸陀螺儀在自動(dòng)駕駛汽車(chē)等領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。

對(duì)于普通車(chē)輛導(dǎo)航，這一點(diǎn)還不會(huì)產(chǎn)生影響，但此系統(tǒng)是針對(duì)需要適應(yīng)高速率控制的應(yīng)用設(shè)計(jì)的。此外還有幾種MEMS陀螺儀提供良好的偏置穩(wěn)定度，但帶寬降低或噪聲很高。為本系統(tǒng)選擇的MEMS陀螺儀在帶寬和性能之間達(dá)到了平衡。上表給出了所選MEMS的實(shí)際規(guī)格。

M-G365六軸陀螺儀使用的MEMS陀螺儀采用多核架構(gòu)，該架構(gòu)在穩(wěn)定度、噪聲、線性度和線性g性能之間達(dá)到了優(yōu)化平衡。完全差分四諧振器與片內(nèi)高性能信號(hào)調(diào)理密切配合，從而使得諧振器的必需響應(yīng)范圍最小，位于高度線性區(qū)，并且提供高度的振動(dòng)抑制。

由于MEMS陀螺儀和加速度計(jì)集成到多軸IMU中(請(qǐng)參見(jiàn)圖1)，傳感器的x/y/z正交性可能成為主要誤差源。主要誤差源往往由跨軸靈敏度或?qū)?zhǔn)誤差指定。常見(jiàn)規(guī)格是±2%跨軸靈敏度。本系統(tǒng)的IMU具有0.087%的跨軸靈敏度(0.05°正交性)。更重要的是，由于器件特定的校準(zhǔn)在出廠前完成，此規(guī)格在溫度范圍內(nèi)有效。

對(duì)于特定旋轉(zhuǎn)速率，例如在偏航軸上，正交軸的速率輸出等于跨軸軸靈敏度乘以偏航率(Cross Axis Sensitivity * Yaw Rate)，即使橫滾軸和俯仰軸上的實(shí)際旋轉(zhuǎn)為零。2%的跨軸誤差通常會(huì)導(dǎo)致除了本有的陀螺儀噪聲之外，還

隨著愛(ài)普生MEMS陀螺儀技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，以及其他傳感器(例如OBDII)的輔助，MEMS六軸陀螺儀取代FOG技術(shù)可能在不久的將來(lái)實(shí)現(xiàn)。

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