發布日期：2022-10-09 點擊率：47
簡介
慣性導航是通過自帶的加速度傳感器和陀螺儀來計算物體（例如飛機）自身位置和速度的過程。姿態和航向參考系統，即稱為AHRS，是一種可以為飛機或其它在空間中自由移動的物體提供方向，姿態和偏航信息的多軸傳感器。
MS9010，AHRS應用的理想產品(圖)
特點
- 量程從±5g 至 ±15g
- 優異的零偏置穩定性 (小于滿量程的0.05%)
- 低溫度系數而不需溫度校準
- 超小型20引腳 LCC，密封性陶瓷封裝(8.9mm x 8.9mm)
- 低電壓供電
- 欠壓保護
- 符合RoHS標準的無鉛焊接
AHRS 是設計來取代傳統的機械陀螺飛行儀表，并能提供卓越的可靠性和準確性。它由三個軸向上的固態或 MEMS（微機電系統）陀螺儀，加速度傳感器和磁強計組成。一些AHRS 使用 GPS 接收機，以改善陀螺儀的長期穩定性。人們通常使用卡爾曼濾波器來計算這些多個來源的結果。
圖 1: AHRS
各組成部分的功能
捷聯式慣性導航系統需要一個初始化過程來建立飛機機身框架與當地地理參照系統之間的關系。這個被稱為對準的過程通常需要設備保持穩定一段時間，以建立該初始狀態。初始化時，慣性參考系統通過自校準過程來使地面坐標系的縱軸與檢測到的加速度一致（調平），并且測量水平地球速率從而初步判斷方位角（陀螺儀）。如果已知該飛行器的初始姿態，并且如果陀螺儀能提供精確的數據，那么姿態處理器就足夠了。然而，初始姿態很少能夠知道，而陀螺儀也會由于零點漂移、開機穩定性等問題而提供錯誤的數據。
陀螺儀和加速度傳感器都會受到零偏和零點漂移、對準偏差、加速度誤差（加速度敏感性），非線性效應（二階項或 VRE）、標度因數誤差的影響。磁力計也容易受到磁干擾，而影響對地球磁場的的測量。當系統被安裝在其最終放置姿態時，這些誤差都將被校正。
AHRS 最大的誤差與陀螺儀零點漂移方面有關。如果沒有濾波結構來獨立地分開加速度傳感器、陀螺儀和磁強計的測量，姿態處理器可能會偏離真實的軌跡。
卡爾曼（Kalman）濾波姿態校正元件，通過校正姿勢處理器軌跡和提供陀螺漂移狀態特征,為陀螺儀提供即時校準。加速度傳感器可利用地球重力來提供姿態參考，而磁力計則利用地球的磁場矢量提供航向參考。
加速度傳感器在 AHRS 中的功能
一般情況下，在 AHRS 應用程序中, 加速度傳感器的作用是提供初始姿態基準（調平），并在飛行過程中，通過糾正陀螺儀的漂移，提供飛行姿態的校正。
當今市場上各類 AHRS 解決方案
- 高精度系統利用環形激光陀螺（RLG）和光纖陀螺（FOG）。由于是在自動飛行模式下使用，它們需要非常的準確，以防止大型飛機機翼在起飛和著陸時碰撞到地面，特別是在大霧和極端天氣條件下。這種類型的應用對加速度計有著更高的要求，其所有的零偏穩定性, 包括溫度范圍、線性、二階效應和軸偏等，都必須優于 2mg。
- 低端的AHRS可以用作飛行員視線的輔助工具，或作為備份系統，通常不需要太高的性能。這種類型的AHRS經常使用在小型民用飛機和一些無人機中。在這些情況下，常常使用低端的MEMS加速度傳感器和MEMS陀螺儀。
- 加速度傳感器的量程取決于所面向的應用。對于高中端航姿系統AHRS通常所需的性能為10g到15g，至于低端解決方案常使用5g的傳感器。
航姿系統舉例（SAGEM 防務安全系統提供資料）
COLIBRYS 加速度傳感器用于航姿系統
對于最佳航姿系統 AHRS 性能至關重要的主要參數是零偏穩定性(1)、標度因數穩定性、軸偏、穩定性和二階非線性效應或振動整流誤差（VRE）。這些參數的初始偏差，大多數可通過他們的預期值很容易地校準。然而，隨著時間的推移、溫度、沖擊和振動的影響，它們的重復性和穩定性成為主要的問題 。這些影響可能會導致不可預知的漂移，這將反過來決定加速度傳感器的級別。
(1)根據IEEE528-2001標準一年穩定的定義為：切換上/開關，放置于-55°C和 85°C 時，-40°C至125°C的T循環，-55°C至85°C的無動力干擾、振動和沖擊。
圖 2: MS8010和MS9005 Colibrys 加速度傳感器
Colibrys是致力于軍用、航空航天市場的 MEMS 加速度傳感器供應商之一，并規定大量參數。MS9000.D系列是目前最新一代產品，是對 Colibrys加速度傳感器旗艦產品 MS8000的進一步改進。
MS9000提供一個更小的LCC20封裝，具有與MS8000基本性能的相同，但外形尺寸更小。MS9010.D 擁有4.5mg (1σ) 的長期偏置穩定性和優于 400ppm 的標度因數。在 AHRS 應用方面，此產品可根據需求選擇的加速度量程有 2g，5g，10g 和 15g。
產品規格
Colibrys MS 產品是電容式 MEMS 加速度傳感器，它基于一個專供高穩定性而設計的體硅微機械元件，一個低功耗信號處理器 ASIC，一個存儲補償值的微控制器，和一個溫度傳感器組成（如圖 1 所示）。該產品是低功耗，全標定，堅固和穩定的。
它采用單電源電壓（在 2.5V~5.5V 之間），與低電流消耗（在5V電壓時，小于0.5mA）。在輸入5V電壓條件下，其輸出是一個成比例的模擬電壓，在全量程范圍內，輸出值在0.5V~4.5V 之間變化。該傳感器是一個獨立的，采用 20 引腳 LCC 陶瓷封裝，以確保產品的全密封性。產品在-55°C~125°C溫度范圍內工作，并能承受高達6000g的沖擊。其零偏長期穩定性和標度因數通常小于全測量范圍的 0.1 %。
工作原理
加速度傳感器的核心器件是電容式體硅微機械傳感器。COLIBRYS制造加速度傳感器的關鍵技術在于三層硅晶片結構。
- 中間層硅晶片形成一個由彈簧支撐的質量塊
- 這個慣性質量塊同時也是電容式傳感器的中心電極
- 上下兩層硅晶片組成傳感器的外部固定電極
三層硅晶片通過“硅片高溫融接鍵合” (SFB: Silicon Fusion Bonding) 粘合在一起。該粘合工藝不僅保證了系統的各硅晶片之間完美平衡，同時還能構建“彈性懸臂-質量塊系統”的密閉腔體（見圖 3）。粘合工藝是在高溫(>1000°C) 和低氣壓條件下進行的，以保證最佳空氣阻尼和帶寬控制。這也使得可以避免任何表面污染，特別是像水分子污染，并且放松材料粘合之前的所有表面應力。
這種“彈性懸臂—質量塊”系統的測量范圍是可調的。通過改變彈性懸臂的厚度可以改變開環測量范圍。在加速或傾斜的情況下，慣性作用使質量塊在上下電極板之間移動而改變電容值。這個感應電容的差值變化可通過接口電路來測量。測量電路采用了一個自平衡電容橋將信號轉換成使用了補償參數校準的輸出電壓，而補償參數（零位修正，增益，和非線性等）則存儲在微處理器中。
總結
Colibrys為AHRS提供最好的MEMS電容式加速度傳感器。Colibrys將不斷地致力于研發新產品和新的解決方案。由于制造技術的發展, MEMS傳感器元件以及裝配工藝, 相關電子產品也得到不斷地改進，特別是優化的零偏穩定性(“運行中”和“運行到運行”的穩定性)在眾多的AHRS 供應商中的需求也不斷提高。
關鍵詞
- AHRS: 姿態和航向參考系統
- Stability: 10g 傳感器小到幾 mg 的年零偏穩定性
- VRE: 影響總零偏穩定性的振動整流誤差
- T range: 寬廣的工作溫度范圍 ：從-55°C 到 125°C
- Low power: 在 5V 電壓時，電流功耗 400μA
Colibrys加速度傳感器由北京賽斯維測控技術有限公司負責中國地區的市場推廣及技術支持。了解更多技術信息請撥打產品咨詢熱線010-84775646，84775648或登錄www.sensorway.cn查詢。
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