LORD MicroStrain 惯性传感系统

**LORD MicroStrain 惯性传感系统

前言

本文为LORD MicroStrain MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）惯性传感器系统解析，从研发人员的视角深入浅出的把这款工业级惯性传感器的诞生过程进行解剖，从传感器历史开始，涵盖功能，系统架构，建模和滤波器设计，硬件设计，嵌入式软件设计，用户界面设计，校准，功能测试，到最后的资格测试。

在许多情况下，这些传感器适用于我们客户的应用，是现成的。在其他情况下，我们客户的应用程序需要非标准的东西。在这些情况下，我们能够提供直接满足应用程序特殊需求的定制解决方案。
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1.0 LORD MicroStrain公司

1.1 LORD MicroStrain的惯性传感器定位

LORD MicroStrain的惯性传感器集团在惯性传感器设计和制造的各个方面都具有全面的能力。我们专注于利用最新，性能最佳的MEMS传感器（加速度计和陀螺仪）来创造产品。我们不是自己制造MEMS传感器，而是将它们集成到满足我们工业和航空航天客户需求的系统中。

LORD MicroStrain维护标准惯性传感器产品系列。在许多情况下，这些传感器适用于我们客户的应用，是现成的。在其他情况下，我们客户的应用程序需要非标准的东西。在这些情况下，我们能够提供直接满足应用程序特殊需求的定制解决方案。

1.2 LORD MicroStrain的惯性传感器史
通过收购MicroStrain Inc.，LORD于2012年在内部引入了惯性传感专业知识。

MicroStrain于1998年首次开始设计和制造基于MEMS的惯性传感器系统。当时，低成本，可靠的MEMS加速度计因其广泛应用于汽车行业以进行安全气囊展开而成为可能。这些加速度计提供了MicroStrain的第一个惯性传感器产品3DM的核心。他们能够在静态条件下进行2轴姿态测量（俯仰和滚转）。增加三轴磁力计提供了额外测量磁航向的手段。

2001年，MicroStrain开始将MEMS角速率传感器（陀螺仪）纳入其3DM-G系列惯性传感器中。这提供了完整的惯性测量单元（IMU）功能（3轴加速度和3轴角速率）。3DM-G是同类产品中首批商用设备之一。

2003年，第一款专为汽车行业设计的高性能MEMS角速率传感器问世。这些提供了显着的性能改进。MicroStrain将这些结合到其3DM-GX1产品中。这是第一个真正的工业级IMU，售价不到2000美元。它还包括早期卡尔曼滤波器，在动态条件下提供姿态和航向测量。

从那时起，MicroStrain不断升级其产品，提高性能和功能。3DM-GX3产品增加了一个完整的GPS / INS导航卡尔曼滤波器，除姿态外还提供位置和速度估计。

3DM-RQ1是MicroStrain首款专为航空航天应用设计的战术级惯性传感器。它目前被用于新一代天线指向系统，旨在为商用飞机上的乘客提供高速互联网服务。

MicroStrain于2012年被LORD公司收购，并成为LORD传感系统业务部门的第一部分。

下图显示了LORD最新的Inertial Sensor产品。

图1 3DM-GX5-25。这款高度微型化的传感器提供工业级姿态输出。

图2 3DM-RQ1-45。该产品在完全航空航天级别的包装中提供战术级GPS辅助导航解决方案（位置，速度和姿态）。

图三 3DM-GQ4，该产品为适合工业客户的产品提供战术级GPS辅助导航解决方案。

2.0 惯性传感器功能

Inertial Sensors Group包括世界一流的惯性传感器设计团队。该集团位于VT办公室的LORD威利斯顿，前身为MicroStrain公司。核心设计团队包括拥有20多年经验的专家。他们的关键技能和能力在以下部分中描述。

2.1 系统架构
成功的惯性传感器设计始于仔细考虑系统架构。MicroStrain在这一关键领域积累了丰富的专业知识。该体系结构定义了系统中每个主要元素的功能，以及它们如何交互。在这个级别做出明智的选择会对最终系统的能力，成本，可制造性以及最终产品线的使用寿命产生重要影响。精心设计的系统架构使得产品可以在将来轻松升级或适应不断变化的要求，同时仍保持与以前和未来系统的最大兼容性

例如，目前的许多产品，包括3DM-GQ4和3DM-RQ1，都采用双微处理器设计。IMU处理器处理传感器数据采集，以及温度补偿和应用校准系数的所有其他方面。它的输出是以物理单位表示的加速度和角速率矢量。然后通过高速串行总线将该数据传送到NAV处理器。NAV处理器实现卡尔曼滤波器，其负责估计诸如姿态，位置和速度的更高级输出。NAV处理器还可以管理来自辅助传感器的输入，例如GPS接收器，磁力计和压力传感器。

在分离主要嵌入式软件功能方面取得的显着优势超过了双处理器架构稍高的硬件复杂性和成本。

图4说明双处理器系统架构的框图

2.2 卡尔曼滤波

卡尔曼滤波是一种强大的数学技术，通过该技术，来自多个传感器的测量以最佳方式组合，以便估计感兴趣的量。对于惯性传感器系统，滤波器的输出通常包括位置，速度，姿态和航向。滤波器的输入包括加速度计和角速率传感器测量，可能包括来自任意数量的辅助传感器的附加测量：全球导航卫星系统（GNSS）接收器，磁力计，轮速传感器，气压传感器等。请注意，并非所有输出直接由任何输入传感器测量 - 例如，没有单个传感器能够测量姿态。卡尔曼滤波器包含一个系统模型，该系统模型将输入与输出相关联作为时间的函数，并根据传感器噪声水平对每个传感器测量值进行加权，以产生输出变量的最佳估计值。

MicroStrain在卡尔曼滤波器设计和实现方面拥有深厚的专业知识。所有MicroStrain目前的惯性传感器系统都包括在NAV处理器中运行的板载卡尔曼滤波器。其中最先进的是25状态卡尔曼滤波器，它将三轴加速度计和角速率传感器与高性能GPS接收器，三轴磁力计和气压传感器相结合，提供高精度的位置，速度，姿态估计和航向。

MicroStrain不断致力于提高其滤波器设计的性能，并增加功能。MicroStrain为其客户提供定制卡尔曼滤波器设计功能。客户应用程序经常涉及独特的操作条件或不寻常的辅助传感器。在这些情况下，MicroStrain有能力调整其现有的卡尔曼滤波器设计，以最佳地利用这一独特信息。

2.3 建模和滤波器设计

建模提供了在虚拟域中评估所提议系统或其某些方面的性能的能力。利用MicroStrain的建模功能，可以运行涉及不同传感器组合和操作条件的场景，以评估特定滤波器设计对于任何应用的性能。该工具集可确保每个应用程序从惯性传感器系统获得定制性能。

2.3.1 模拟

MicroStrain已经组装了一整套用于模拟惯性系统性能的工具，包括：

·轨迹生成器：该软件工具可用于生成与目标应用程序相对应的轨迹。轨迹是惯性传感器在该应用中将要暴露的运动的完整（模拟）时间历程。例如，轨迹可以是飞机从机场起飞并飞行指定飞行模式的路径（包括位置，速度，加速度，姿态等）。

·传感器仿真：许多软件工具可用于根据给定的轨迹生成模拟惯性和辅助传感器测量。

·卡尔曼滤波器模拟器：该软件工具集提供了一种评估候选卡尔曼滤波器设计的方法，使用模拟传感器输出或来自实际现场测试的记录数据作为其输入。然后可以将卡尔曼滤波器输出直接与模拟轨迹（或来自参考的真实数据，如果可用，在现场测试的情况下）进行比较，以评估预期的系统性能。

2.3.2 硬件在环仿真

MicroStrain有一整套硬件在环（HITL）工具。HITL是一种通用功能，其中模拟的某些方面与实际候选惯性系统硬件的测试相结合。目的是以允许与受控输入直接比较的方式评估实际硬件的实际方面。

·GPS信号模拟器：该硬件系统可以生成射频信号，模拟给定轨迹的实际GPS射频信号。它可能包括重要的限制效应，如多径干扰和大气失真。这些信号可以直接传送到GPS接收器。

·惯性传感器信号模拟器：这些软件工具提供了一种获取一组模拟惯性传感器数据的方法，并将其直接“播放”到实际的惯性传感器系统中。该数据基本上取代了系统上实际传感器的输出。实时执行，以便可以评估完整惯性系统（包括其卡尔曼滤波器）的性能。

2.3.3 现场测试单元
MicroStrain拥有一个集成的现场测试装置，可以为许多建议的客户应用快速评估候选传感器系统。紧凑的封装包含MicroStrain惯性产品，旁边安装有高级GPS-INS参考，可选配双天线GPS输入。板载电源和数据记录功能。该装置最大限度地减少了现场测试的复杂性和设置时间除了现场快速的产品评估之外，我们的硬件在环和卡尔曼滤波器仿真工具可以使用记录的测试数据来定制滤波器性能。

在现场测试期间（例如，在汽车，船或飞机中驾驶），参考系统和被测惯性传感器都暴露于相同的运动和条件。因此，它们的产出可以直接比较。这允许识别在实际应用中操作时在被测系统中可能发生的细微错误。

图5 GPS-INS参考单元（左）和测试中的典型惯性传感器（右）的照片。

图6建模功能的图示

2.4 硬件设计

MicroStrain在其惯性传感器产品的硬件设计的各个方面都积累了丰富的专业知识。高精度模拟信号采集是硬件设计团队的核心优势。专业工具集用于原理图捕获和PC板设计。通常，整个系统的小型化是高优先级。通常使用高密度PC板设计技术（包括堆叠微孔，芯片级封装等）来实现该目标。设计经过优化，可满足严格的EMI / EMC要求，通常采用“测试设计”功能来提高质量和可制造性。

MicroStrain提供了为需要特殊配置或功能的应用定制其传感器设计的功能。在许多情况下，这可以以非常节省成本的方式实现，因为现有设计通常可以以相对较少的工程努力适应新目的。

图7高密度PC板设计示例

2.5 嵌入式软件

MicroStrain利用其代码设计和嵌入式软件开发的最佳实践。代码框架是面向对象的，并使用C++开发。代码内核具有时间确定性，可确保可靠和单调的传感器采样。使用硬件在环（HITL）测试验证代码模型。软件应用程序编程接口（API）使用具有100％API覆盖率的自动化测试脚本进行测试。所有源代码和通信协议（DCP）都使用Subversion SCC进行文档控制。编译的二进制文件通过我们的企业PLM系统中的组件BOM进行严格的版本控制。

MicroStrain在嵌入式系统中实现复杂算法（如卡尔曼滤波器）方面拥有丰富的经验。我们将其与专为广泛的多速率数据流量身定制的通信协议（MIP™协议）相结合，这些数据流通常是卡尔曼滤波器和惯性传感器的输出。这使我们能够设计具有多个并行运行的专用处理器内核的强大传感器架构。

MicroStrain能够为特定应用定制其嵌入式软件。面向对象的方法通常允许在任何新平台中重用大多数代码。

2.6 用户界面软件

MicroStrain利用LabVIEW，MatLab，Python和C++开发桌面用户软件，测试工具，校准工具和软件开发工具包（SDK）。此外，LORD MicroStrain的惯性产品与SensorCloud™和SensorConnect™应用程序集成，使用户能够轻松共享，操作和后处理大量惯性和导航数据。

2.7 制造业

MicroStrain通常利用合同制造商（CM）为其惯性传感器产品制造PC板。在某些情况下，MicroStrain将进行产品的最终组装。在其他情况下，CM将构建最终组件。在所有情况下，MicroStrain都会对其每个产品进行关键校准和最终测试。

MicroStrain及其CM均通过了ISO 9001认证。

2.8 校准

MicroStrain拥有广泛的专业知识和设施，可用于执行惯性传感器的校准。每个惯性传感器在出厂前都经过全面校准和测试。使用定制设计和构建的校准基础设施，在传感器的全温度范围内执行校准。

所有校准都是全自动的，只需要最少的操作员干预,每个校准站的吞吐量为5,000至10,000个传感器/年，具体取决于传感器的尺寸。

典型的校准算法实现以下因素的补偿：

· 在整个温度范围内的比例因子
· 在整个温度范围内偏移
· 非线性
· 错位
· 陀螺仪G-Sensitivity
· 有限尺寸效应

图8全自动校准系统，包括应用全温度范围的环境室。

2.9 功能测试

除校准外，MicroStrain还对每个装运的惯性传感器进行全面的功能测试。这确保了高质量。已经开发出一种定制功能测试架，其能够以完全自动化的方式执行大范围的测试。

测试的例子, 执行的包括：功耗，传感器噪声，测试点电压，GPS接收器功能，电气隔离等等。

图9功能测试架用于测试所有惯性传感器

2.10 资格测试

在设计和验证周期的许多方面，有必要对传感器性能的各个方面进行更全面的测试。MicroStrain有能力在内部进行大部分测试，包括：

· 工作温度
· 高度
· 振动
· 崩溃加速
· 高度加速的寿命测试
· 湿度
· 静电放电
· 机械冲击

在其他情况下，MicroStrain与当地实验室合作进行无法在内部进行的认证测试。通常，这些包括：

· 电磁干扰
· 电磁敏感性
· 照明引起的瞬态

3.0 最后

通过这篇文章希望能够让各位更接近MicroStrain传感器的世界，在工业级传感器的领域我们一直默默耕耘，另外很抱歉又是一篇技术宅的文章，我也还在学习以后尽量说人话。。

译者：EPC-MicroStrain Dave

Dave DAI
Earth Products China Limited (EPC)
12/F, Asia Trade Centre, 79 Lei Muk Road, Kwai Chung, N.T. Hong Kong