加速度计在AHRS中的应用

加速度计在AHRS中的应用

特性

±5g 至 ±15g

出色的偏置稳定性 (小于满量程的0.05% )

没有T校准下的低温度系数

超小型20引脚 LCC 气密的陶瓷封装

封装大小 (8.9mm x 8.9mm)

低功耗

欠压保护

符合RoHS标准的无铅焊接

介绍

惯性导航是通过自足的加速度计和陀螺仪来计算物体位置和速度（例如飞机）的一个过程。姿态和航向参考系统，也就是AHRS，是提供方向，姿态和偏航信息的多轴传感器，从而使飞机或任何其他在自由空间中移动的物体。

AHRS的设计是用来取代传统的机械陀螺飞行仪表，并提供卓越的可靠性和准确性。它们所有三个轴上都没有固态或MEMS（微机电系统）的陀螺仪，加速度计和磁强计。一些AHRS的使用GPS接收机，以改善陀螺仪长期的稳定性。卡尔曼滤波器通常从这些来源复合地进行计算。

各组成部分的功能

捷联惯导系统需要一个初始化过程来建立机身框架以及当地地理参数之间的关系。这一被称为校准的过程通常需要设备保持平稳，因为建立这种初始状态需要一定的时间。初始化时，捷联惯导系统通过自校准工艺，来衡量（水平的）感应加速度和地球速度水平，校准当地水平坐标系纵轴，从而初步判断（陀螺仪罗盘）的方位。如果能够知道该飞行器的初始姿态，并且陀螺仪提供了完美的读数，那么姿态处理器就能顺利工作了。然而，最初的姿态鲜为人知，而陀螺仪又常由于上偏置漂移和启动时的不稳定提供了损坏的数据。

陀螺仪和加速度也都受到偏置和偏置漂移方面的影响，还有非对准轴误差问题、加速度的问题（对加速度g敏感）、非线性效应（二

阶项或VRE）、比例因子错误的影响。磁强计也容易受破坏进行测量地球磁场的磁场干扰。这些错误都会在系统安装的最后装配步骤中被校准。

AHRS的最大的误差在于陀螺仪的偏置影响。没有任何过滤器的结构，分开独立的加速计、陀螺仪和磁强计测量，姿态处理器往往会偏离真实的轨迹。

卡尔曼滤波器的态度校正组件，通过支持改正陀螺仪的姿态处理器的轨迹和

陀螺仪的特征偏差状态，提供了一个飞行中的校准方法。加速度计利用重力

来支持了姿态基准，磁力计则利用地球的磁场矢量提供了航向参考。

应用说明

加速度计在AHRS中的应用

一般情况下，AHRS的应用程序中加速度计的作用是提供初始姿态基准（水平的），并提供在飞行过程中的姿态更正，用以纠正陀螺仪的漂移。

如今在市场上各类AHRS的解决方案：

- 精度高的系统采用环形激光陀螺仪（RLG）或光纤陀螺仪（FOG）。它们需要非常的精确，因为它们常被用于自动飞行模式，只有足够的精确，才能在起飞和降落防止碰撞在地面上大型飞机的机翼，尤其是雾和极端天气条件下更为重要。对于这种类型的应用，通常需要用在所有条件下偏置稳定性优于2mg以上的加速度计，包括温度范围内、线性、二阶效应和非对准轴误差等。

- 低端的AHRS可以用作飞行员视线的普通援助，或作为备份系统，通常不需要很好的性能。这种类型的航姿系统中经常使用的小型民用飞机和一些无人机。在这些案例中，常使用低端的MEMS加速度计和MEMS陀螺仪。加速度计的范围取决于所面向的应用。对于高端和中等航姿系统通常所需的性能为10g到15g，而用于低端解决方案的常使用5g的传感器。

COLIBRYS 的加速度计的航姿系统

对最佳AHRS性能至关重要的主要参数是偏置稳定性(1)、比例因子稳定性、非对准轴误差、稳定性和二阶非线性效应或VRE的（振动改正误差）。大多数这些参数的初始偏差，从他们的预期值可以很容易地校准。然而，主要问题是长时间工作的重复性和稳定性、温度、后冲击和振动。这些影响可能会导致不可预知的漂移，这将反过来作用于不同级别的加速度计。

Colibrys是MEMS加速度计供应商之一，致力于军用、航空航天市场，并确定了大量的参数。MS9000.D系列是目前最新一代产品，是Colibrys的旗舰加速度计MS8000产品的进一步改善。MS9000提供一个更小的LCC20封装包，本质上与MS8000性能相同，但在外形尺寸上较小。MS9010.D 拥有4.5mg(1σ)的长期偏置稳定性和优于400ppm的规模因素。此产品可根据需求用于2g，5g和10g和15g的AHRS加速度范围。

工作原理

该加速度计的核心是电容大容量微机械加工的硅传感器。Colibrys的加速度计制造的基本技术是基于三个硅片结构。三个晶圆通过硅熔融键合（SFB）固定在一起。这种粘接工艺，不仅确保一个系统三个晶圆间的完美平衡，也使得能在一个气密性的密封腔里建立弹簧质量系统。粘接工艺是在高温（>1000℃）的低气压环境下进行的，以确保最佳的气体阻尼和带宽控制。这也使得以避免任何表面被污染，特别是水分子，并放松所有粘接材料表面可能存在的表面应力。

“弹簧—质量”的测量范围系统是强适应性的。开环测量范围的变化，通过改变弹簧的厚度得到。在加速或倾斜时上下电极和电容值的变化引起质量的移动。这个感应电容的差分变化是通过测量接口电路来计算的，它采用了自平衡电容桥来转换成校准电压的输出信号。

总结

Colibrys是提供AHRS的一个最好的MEMS电容式加速度计。Colibrys不断致力于研发新产品和新的解决方案。制造技术的发展也鼓动着MEMS传感器元件以及装配工艺及相关电子产品不断改善，特别为优化偏置稳定性（“运行中”和“运行到运行”稳定性），被无数AHRS的供应商所需求。