選擇陀螺儀是基于最大誤差源最小化的有意義的——在大多數應用中，這將是振動靈敏度。其他參數可以通過校準或平均多個傳感器輕松增強。偏置穩定性是誤差預算中較小的組成部分之一。

在查看高性能陀螺儀數據手冊時，大多數系統設計人員首先要考慮的是偏置穩定性規格。畢竟，這就是描述陀螺儀分辨率底線的原因，所以它肯定是陀螺儀性能的最佳預測指標！然而，現實世界中的陀螺儀由于多種來源而出現誤差，使用戶無法利用數據手冊中吹捧的高偏置穩定性。事實上，唯一能讓你獲得這種性能水平的地方就是在實驗室工作臺上。經典方法是增加補償，以盡量減少這些誤差源的影響。本文將討論其中幾種技術及其局限性。最后，我們將討論另一種范式——選擇陀螺儀以獲得機械性能，以及如何在必要時提高其偏置穩定性。

環境錯誤

所有低成本和中等成本MEMS陀螺儀都表現出一些零時間零偏置和比例因子誤差，以及隨溫度變化的一些變化。因此，用戶通常對它們進行溫度補償。一般來說，陀螺儀包含僅用于此目的的集成溫度傳感器。溫度傳感器的絕對精度對于這項任務并不重要，重要的是溫度傳感器的可重復性和與實際陀螺儀溫度的緊密耦合。現代陀螺儀的溫度傳感器幾乎從不滿足這些要求。

有許多技術可用于溫度補償（多項式曲線擬合、分段線性近似等）。只要記錄了足夠數量的溫度點并在校準過程中足夠小心，所使用的特定技術就無關緊要。例如，每個溫度下的浸泡時間不足就是一個常見的錯誤源。然而，無論使用哪種技術或采取多少謹慎措施，限制因素都將是溫度滯后 - 即通過冷卻與加熱接近特定溫度時的輸出差異。

圖1顯示了ADXRS453陀螺儀的溫度遲滯環路。記錄未補償陀螺儀的零偏置測量，溫度變化范圍為+25°C至+130°C，至–45°C，回+25°C。 加熱循環和冷卻循環在+25°C時的零偏置輸出差異很小（在本例中約為0.2°/s），這就是溫度滯后。無論陀螺儀是否通電，該誤差都無法補償。此外，遲滯的大小與施加的溫度“激勵”量成比例變化。也就是說，當對設備施加更大的溫度范圍時，會出現更多的滯后。

圖1.ADXRS453在整個溫度（–45°C至+130°C）范圍內循環時的無補償ADXRS453零偏置輸出

如果應用允許在導通時復位零偏置（即，在沒有旋轉時發生導通）或零偏置的現場歸零，則可以忽略此錯誤。否則，這可能是一個偏置穩定性性能限制器，因為無法控制運輸或存儲條件。

振動抑制

理想情況下，陀螺儀只能測量旋轉速率，而不能測量其他任何內容。在實踐中，由于機械設計的不對稱和/或微加工不精確，所有陀螺儀對加速度都有一定的敏感性。事實上，加速度靈敏度有多種表現形式，其嚴重程度因設計而異。最重要的是對線性加速度（或g靈敏度）和振動校正（或g2靈敏度）。由于大多數陀螺儀應用都是在地球1 g重力場中移動和/或旋轉的設備，因此對加速度的敏感性通常是最大的誤差源。

超低成本陀螺儀通常使用極其簡單和緊湊的機械系統設計，這些系統沒有針對振動抑制進行優化（相反，它們是針對低成本進行優化的），并且可能會因振動而受到很大影響。超過 1000°/h/g（或 0.3°/s/g）的 g 靈敏度或更高并非聞所未聞——比人們對高性能陀螺儀的期望差 10 倍以上！在這樣的陀螺儀中尋找良好的偏置穩定性是沒有意義的，因為陀螺儀通過地球重力場的小旋轉會導致由于g和g而產生的巨大誤差2敏感性。通常，這些類型的陀螺儀中沒有指定振動靈敏度 - 假設它非常大。

更高性能的MEMS陀螺儀性能要好得多。表1顯示了幾種高性能MEMS陀螺儀的數據手冊規格。此類中的大多數陀螺儀顯示 g 靈敏度為 360°/h/g（或 0.1°/s/g），有些低于 60°/h/g。比成本非常低的陀螺儀好得多，但即使是其中最好的陀螺儀，當受到低至150 mg（相當于8.6°傾斜）的加速度變化時，仍然超過其指定的偏置穩定性。

表 1.

一些設計人員嘗試使用外部加速度計來補償g靈敏度（這在IMU應用中最常完成，因為已經存在必要的加速度計），這確實可以在某些情況下提高性能。然而，由于多種原因，g靈敏度補償不能完全成功。大多數陀螺儀往往具有g靈敏度，該靈敏度因振動頻率而異。圖 2 顯示了硅傳感 CRG20-01 陀螺儀因振動而做出的響應。請注意，雖然陀螺儀的g靈敏度在其額定規格范圍內（特定頻率下的一些小雜散除外，但這些雜散可能并不重要），但它確實在直流至100 Hz的12：1的比率范圍內變化，因此無法通過簡單地測量直流時的g靈敏度來完成校準。事實上，補償方案將非常復雜，需要隨頻率變化的靈敏度。

圖2.硅傳感 CRG20-01 g 對各種正弦音的靈敏度響應

相比之下，圖3顯示了ADXRS646陀螺儀在類似條件下的響應。結論是，有些陀螺儀比其他陀螺儀更容易進行g靈敏度補償。遺憾的是，這些信息幾乎從未在數據手冊中提供，用戶必須發現這些信息，而且很可能非常痛苦，通常在系統設計期間沒有時間感到驚訝。

圖3.ADI公司ADXRS646 g隨機振動靈敏度響應（15 g rms，0.11 g2/Hz） 1600 Hz 過濾

另一個困難在于補償加速度計的相位響應與陀螺儀相匹配。如果陀螺儀和補償加速度計的相位響應不匹配，高頻振動誤差實際上可能會被放大！引出另一個結論：g靈敏度補償僅適用于大多數陀螺儀的低頻。

振動校正通常未指定。有時這是因為它令人尷尬地差或因設備而異。有時這僅僅是由于陀螺儀制造商不愿意測試或指定它（公平地說，可能很難測試）。無論哪種方式，振動校正都應該引起關注，因為它不能用加速度計進行補償。與加速度計的響應不同，陀螺儀的輸出誤差得到了糾正。

改善 g 的最常見策略2靈敏度是添加機械防振支架。圖中是松下汽車陀螺儀，部分從其金屬罐包裝中取出。陀螺儀組件通過橡膠防振支架與金屬罐隔離。防振支架很難設計，因為它們在很寬的頻率范圍內沒有平坦的響應（它們在低頻下工作得特別差），并且它們的減振特性會隨著溫度和壽命而變化。實際上，與g靈敏度一樣，陀螺儀的振動校正響應可能隨頻率而變化。雖然可以成功地設計防振支架來衰減已知頻譜中的窄帶振動，但對于可能存在寬帶振動的任何通用應用，這種安裝座都是有問題的。

由于機械濫用而導致的重大不當行為

許多應用通常都會發生短期濫用事件，雖然不會損壞陀螺儀，但會產生較大的錯誤。下面介紹幾個例子。

一些陀螺儀不能容忍速率過載而沒有不當行為。圖5顯示了硅傳感CRG20陀螺儀在指定范圍內對輸入進行約70%速率的響應。左邊的曲線顯示了當陀螺儀從0°/s到500°/s旋轉并持續時CRS20的響應。右邊的曲線顯示了當輸入速率從500°/s降低到0°/s時的響應。當速率輸入超出額定測量范圍時，輸出在軌與軌之間大幅擺動。

圖5.硅傳感 CRG-20 對 500°/s 速率輸入的響應

其他陀螺儀在暴露于小至幾百克的沖擊時有“鎖定”的趨勢。例如，圖 6 顯示了 VTI SCR1100-D04 在受到 250 g 0.5 ms 沖擊時的響應（通過將 5 mm 鋼球從 40 cm 的距離落到陀螺儀旁邊的 PCB 上產生）。陀螺儀沒有被電擊損壞，但它不再響應速率，需要重新通電才能重新啟動。這并不罕見;幾個陀螺儀表現出類似的行為。明智的做法是檢查所考慮的陀螺儀是否可以承受應用中的沖擊。

圖6.VTI SCR1100-D04 對 250 g、0.5 ms 沖擊的響應

顯然，這種類型的錯誤會非常大。因此，在確定任何給定應用中可能存在哪些濫用條件并驗證陀螺儀是否可以容忍這些條件時，必須小心謹慎。

誤差預算計算

如前所述，大多數陀螺儀應用都處于存在運動或振動的情況下。表2顯示了表1所示用于各種應用的陀螺儀的典型誤差預算，使用前面所示的數據手冊規格（在未指定振動校正的情況下，使用保守估計值）。如表3所示，增加g靈敏度補償方案，將振動性能提高半個數量級（并非易事），仍然導致振動靈敏度通常比偏置穩定性產生更大的誤差。

表 2.多個陀螺儀振動引起的估計誤差（°/s）（未補償）

表 3.使用g靈敏度補償的多個陀螺儀的振動估計誤差（°/s）（g靈敏度提高5倍）

新的選擇范式

由于偏置穩定性是誤差預算的較小組成部分之一，因此根據陀螺儀對最大誤差源的最小化來選擇陀螺儀更為明智——在大多數應用中，這將是振動靈敏度。但是，有時您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性。幸運的是，有一個解決方案：平均。

與設計驅動的環境或振動誤差不同，大多數陀螺儀的偏置穩定誤差具有噪聲特性。也就是說，設備與設備之間不相關。因此，可以通過對多個器件求平均值來提高偏置穩定性性能。每平均 n 個設備，可以預期改進 √n。通過平均多個陀螺儀，寬帶噪聲也可以得到類似的改善。

結論

雖然偏置穩定性長期以來一直被認為是陀螺儀的“黃金標準”規格，但在現實世界中，振動靈敏度通常是更嚴重的性能限制。根據陀螺儀的振動抑制能力選擇陀螺儀是明智的，因為其他參數可以通過校準或平均多個傳感器輕松增強。

審核編輯：郭婷