【惯性世界】基于数控压电科氏振动陀螺仪的 新型惯性测量单元

海鹰资讯2018-11-08 19:34:30




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摘  要
提出了一种针对短期、低成本、紧凑型陆地导航和太空指向应用的新型惯性测量单元(IMU)。该IMU基于InertialWave公司的科里奥利振动陀螺仪(CVG)ASIC,ASIC是一种精确的对称配置数字控制压电转换式CVG,可提供同轴加速度计的数字读出,实现将三轴数字传感器组件集成到刚性IMU块中,并得到带中央处理器主机接口的紧凑型IMU。提出了对此类型IMU的需求,介绍了其最新进展,总结了通过控制对称压电陶瓷CVG实现0.00033 (°)/h1/2角度随机游走的CVG模拟电子技术背景和早期低噪声数字电路板概念[1],讨论了紧凑型ASIC和基于该CVG与选定加速度计的低成本IMU新发展。列出机械、电子和数字控制方法,并讨论了得到最终IMU产品的研发模型计划进展。最后,将带有前端电子元件的封闭式CVG安装在IMU测试模块中,这使得该模块具有改进的数字控制和补偿功能,近期研发测试结果表明,8小时内的运行稳定性达0.015 (°)/h。


1  引  言


一直以来,人们都希望高性能IMU能减小尺寸和降低成本,以服务于更广泛的军事和商业导航与指向应用,从而通过惯性测量的独特性受益。包括为实现远目标定位和扩展导航的更快、更精确地球旋转角速率测量,GPS失效时的位置跟踪,更精确的太空指向以及自动驾驶车辆安全性。众所周知,陀螺仪通常能主导IMU的性能和应用,当前陀螺仪可快速达到大部分应用所需的0.01 (°)/h精度和0.001 (°)/h1/2噪声,而环形激光陀螺仪(RLG)、光纤陀螺仪(FOG)和半球谐振陀螺仪(HRG)相对来说体积大、价格昂贵。因此,紧凑型HRG应运而生[2-3],但仍需依靠昂贵的电容式二氧化硅CVG制造大型离散电子器件。紧凑和潜在的低成本电容式微机电(MEMS)CVG有望能满足需求,正逐步兴起[4]。目前,已确定一种采用低制造成本的金属压电式对称CVG,该CVG能在短期内达到期望的性能和鲁棒性,但模拟电子技术[5-6]制约了其导航性能,且尚未确定其是否可以集成到 IMU。


对于CVG而言,压电传感器具有几个实用优点,包括低电噪声引起的简单电压缓冲器低速率读出噪声、CVG谐振器周围的小机械间隙消失。后者降低了制造复杂度但却需要高真空封装来保持谐振器的高质量。带开环控制电子器件的压电式音叉CVG已成功应用于低成本、低性能应用。由于低热机械噪声(MTN)和闭环调谐运行,带压电转换的高质量对称CVG似乎更具潜力。虽然,带压电转换控制电子元件的先进调谐对称CVG在具有基带模拟速率输出的环路中可进行模拟调制和解调,但并没有发挥出其潜力。基于模拟解调和调制的基带控制受电子动态范围限制,同时还会出现1/f或闪烁噪声限制了高性能。


压电式调谐CVG需要的是控制电子元件,其中压电转换器无需模拟调制到基带。惯性波角陀螺仪(IWAG)结构和广义反馈控制电子学方法可消除模拟解调或调制的性能限制[7-9]。在IWAG数字控制电子设备的基带内使用数字位置和速度反馈控制以避免对基带模拟速率输出和模数转换的需要。


本文展示了基于Innalabs公司压电式CVG谐振器和石英加速度计的IWAG数字电子产品,从而得到低成本、紧凑和高性能IMU,以用于短期导航和指向应用[10]。详细介绍了使用极低噪声数字控制和解调方法的优点,该方法扩展了InertialWave在电容式CVG广义反馈控制方面的前期工作。这是首次在电路板级别的演示[1],进一步降低了速率噪声。其中,高品质谐振器的固有机械热噪声(MTN)达0.06 (°)/ h1/2,同时为大规模生产的CVG和紧凑型三轴IRU或IMU组件实现导航级性能指明了清晰路径。InertialWave已将该公司的紧凑型数字控制电子元件和Innalabs公司的三个CVG谐振器以及三个加速度计集成到一个体积仅为410 cm3的IMU中,受波音公司的支持,带嵌入式电子元件的传感器已在惯性测试设备中进行测试。


2  惯性传感器背景


2.1  Innalabs公司的陀螺仪和加速度计


Innalabs公司的CVG-2100A速率陀螺仪是一款正在高速生产的陀螺仪,主要用于单轴和双轴高性能、高稳定性和指向的应用,如图1所示。


图1  Innalabs 公司的AlQ-20XX导航级加速计和CVG-2100A陀螺仪


Innalabs公司带模拟控制电子元件的金属PZT圆柱形转换谐振器已成功生产,并用于低噪声速率陀螺的模式稳定、瞄准和卫星指向。这种高产的产品采用传统的离散模拟控制电子实现。详细的模拟设计记录见参考文献[5-6],还包含一个驱动回路,从而维持谐振器恒定振幅的反节点激励,速率环迫使节点轴的振幅为零。


值得注意的是,在该方案中有两个具有基带或DC输出的模拟解调器,它可能是限制零偏稳定性1/f噪声源。由此产生的基带模拟电压U是再平衡力或惯性速率的测量,对于数字导航应用,则要求测量仪器具有非常低的直流漂移。


Innalabs公司的AI-Q-2030摆式石英加速度计[7]适用于高性能导航和指向应用,包括基于用户选择输出电阻,输出电流和可扩展灵敏度中零偏重复性达160 μg、噪声为2.2 μg/Hz1/2。振动整流误差已在文献[8]中进行了测量和分析。


2.2  数控对称式PZT结构


IWAG数字控制结构[9-10]的主要特点是在数字基带控制中使用了广义反馈方法以及用于将ASIC方案扩展到压电转换器的低噪声模拟前端设计。这避免了有限动态范围的先验模拟解调和闪烁,闪烁可能导致零偏不稳定性并提供远低于典型低机械热噪声的电子噪声,在机械带宽内达到了长期导航级性能的可能性。


IWAG方案已在全角度陀螺仪运行中展示[10],文献[11]中提到的自进动是专门用于带基带速度反馈的数字速率陀螺仪,以提供振幅控制、速率输出以及用于正交控制的基带位置反馈。此外,“载波”的模拟位置和速度反馈控制或谐振器频率可在IWAG数字信号处理器(DSP)中的惯性速率数字解调模拟前端实现,或者在IWAG DSP中,谐振频率处的数字位置和速度反馈控制可避免模拟解调或调制和基带模拟速率输出。


为延长长期零偏漂移稳定性,本文加入了速率偏差校正进行补偿,即温度多项式。到目前为止,已使用了谐振器温度和内部IMU温度。其它待测温度测量有内部IMU块温度、电子板温度和外部环境温度。


若补偿CVG的零偏漂移,则残差只受限于电子元件和两个mHRG模式反转时的机械热噪声。单个CVG在非受控温度下的速率误差闪烁在0.005 (°)/h,在10000 s的积分间隔之后,开始上升。模式反转补偿之后,闪烁上升到0.01 (°)/h,但是在200 s之后被移除,并且速率误差在1000 s之后随积分时间单调减小至0.001 (°)/h。


为了评估CVG ASIC是否支持这种白噪声限制的CVG补偿,使用仅带电子元件和机械热噪声的标准CVG速率模式操作进行性能仿真。


图2  IW CVG噪声模拟,PSD(左)和ADEV(右)


图2的结果表明,在仅使用白噪声源而无零偏漂移误差源的情况下,100 s后速率误差积分就低于0.001 (°)/h。PSD的角度随机游走是0.00013 (°)/h1/2,由于CVG MTN为0.06 (°)/h1/2仍受电子限制。值得注意的是,由于mHRG具有与PZT CVG相媲美的角度随机游走,经补偿后,1000 s内仍能获得0.001 (°)/h1/2的速率误差。


3  新型数控PZT CVG IMU


3.1  机械设计


IMU机械试块由铝立方体加工而成,允许将六个陀螺仪和六个加速度计安装到装置中。该试块IMU能够实现3轴惯性传感器的全轴冗余。该设计允许简单地使用每个陀螺仪进行附着和探测,能够连接加热器和热电偶,并且容易在速率转台和其它测试夹具上进行外部安装。每个轴也设计了可拆卸盖板。


图3  三轴全冗余测试块IMU(约92 mm3)


本文测试使用具有相关控制板、电源板和传感器连接的单轴测试配置,加热器和热电偶连接到测试块IMU,并且将装置封装在绝缘罩,然后将该箱体连接到IW的精密伺服驱动转台上。


在此基础上对热封装的测试块IMU进行惯性测试,标度因数的测量需要经过一系列重复的精确角度旋转测试,还包括在不同旋转角速率下的测试。


3.2  电子设计


IMU电子设备采用单端5 V电源供电,电流为450 mA。IMU电子设备由三个子部件组成:1)中央控制处理器, 从3轴陀螺仪和3轴加速度计获取数字式角速率传感器数据,并提供启动零偏校准和在线零偏/温度补偿以及用户数字接口;2)电压输入板,需要5 V电压供电并为IMU电子设备产生必要的电压,包括ASIC结构的控制电源5 V、AlQ-20XX加速度计的±15 V和PZT CVG的±5V;3)ASIC结构支撑板连接到3个陀螺仪中的每一个,包括PZT CVG陀螺仪的数字控制系统和用于模拟输出石英摆式加速度计(AlQ20XX)的数字转换器。


图4  热封测试块IMU


ASIC结构电子设备为PZT CVG上的同相和正交驱动端口提供必要的低振幅漂移驱动信号,并对PZT CVG上的同相和正交检测提供高灵敏度感测。感测电子器件包括配置在电压缓冲模式下的低噪声放大器,然后由高动态范围的18位分辨率模数转换器(ADC)进行数字化。


ASIC被设计成能支持PZT和电容式电极传感器的结构,无论是输入电压缓冲或者跨阻放大器(TIA)配置,还是CVG 1~100 KHz动态范围的工作频率。为最大限度地发挥50 kHz以上工作频率的CVG性能,ADC使用了可选下变频混频器, 从而使IF在高于1/f噪声拐点和低于ADC Nyquist频率的中频操作。ADC是一种低功耗零延迟逐次逼近寄存器(SAR)200 Ksps设计。


CVG同相/正交驱动电极由低漂移电压缓冲器和高动态范围18位分辨率数模转换器(DAC)驱动。DAC是零延迟R2R阶梯200 Ksps设计。为最大限度提高驱动路径的信噪比,在驱动路径中使用了可选上变频混频器,从而使CVG保持在50 kHz的频率上操作。ASIC还包括四个高压偏置发生器,发生器以14位电阻DAC的形式展现,为得到电容偏置(如MEMS CVG)DAC带有20 V机载偏置发生器。这些并没有在PZT CVG中使用。ASIC还包括用于数字化AlQ-20XX模拟加速度计信号的高动态范围Delta Sigma ADC,或者为连接到谐振PCM加速度计使用的PWM替代数字代码转换器,如RBA500。图5所示为连接到PZT CVG、加速度计和外部COTS FRB控制器ARM MCU的ASIC电子器件框图。


图5  ASIC电子器件框图


图6所示为上述CVG前端ASIC结构的内部功能。


ASIC结构证明了PZT CVG的MTN受限性能。 IW正致力于2018年底完成ASIC在环境条件下全部功能的最终开发和展示。ASIC封装在紧凑型QFN 7 mm×7 mm封装内,如图7所示。


图6  ASIC CVG前端功能框图


图7  封装IW测试ASIC(左),QFN 7 mm × 7 mm封装(右)


实现IW基带力再平衡控制算法的CVG控制器在外部COTS ARM Cortex M4F MCU处理器中执行。当前工作是在MCU中完成整个嵌入式算法。测试结果通过低延迟CODEC流接口在板外PC端的实时MATLAB中实现,连接到PZT CVG的ASIC电路板如图8所示。


4  测试结果


为评估MB实验室抑制长期零偏漂移的潜力,将带有接口电子元件的PZT CVG安装到测试IMU模块上并封装在泡沫中。泡沫是为了消除气温引起的CVG和电子器件温度变化与梯度。为精确测量标度因数并验证再平衡力与科氏力同相,封闭式IMU安装在转台上,如图9所示。


图8  连接到PZT CVG的ASIC电路板


图9  热封闭测试块IMU安装在IW精密转台上


为测量CVG标度因数,进行了一系列的±90°旋转,并测量FRB电压,如图10~11所示。


图10  ±90°旋转时的力平衡电压,标度因数为0.0838 V/dps


图11  完整的FRB电压,标度因数为0.0838 V/dps


重复的90°旋转测试也验证了科氏力与同相力再平衡相位一致,如图12所示。


图12  旋转测试验证同相FRB和科氏力相位一致


为了准备这些测试,进行了几种自动短期固定试验,采用电子测试信号来设置期望稳定带宽的振幅、速率、正交和PLL环路,可观察到的速率ADEV和rt-PSD图与选择的½标度振幅的仿真模型一致。在获得令人满意的短期运行可重复性后,记录了8 h夜间运行以及不受控的内部IMU温度。对于这些开发测试,绘制每次运行后速率数据的四阶多项式拟合和补偿速率ADEV。在运行600 s后计算系数,并应用于相同间隔的原始速率数据。第一个测试结果如图13所示,运行中的零偏稳定性为0.014 (°)/h,相对于之前线路板测试中的10 s,速率提升已经延迟到了100 s[1]


运用合图法绘制选定的Innalabs模拟控制结果,结果表明使用ASIC电子器件使结果明显改善。


图14所示为运行第二个8 h的重复零偏稳定性。为探讨进一步提高速率偏差补偿的可能性,将补偿速率和正交变化与图15中去除线性分量的IMU温度进行比较。两者之间的相关性给进一步改进提供了机会。


图13  相对于Innalabs运行稳定性为0.015 (°)/h的模拟控制[1]


图14  数字控制PZT CVG第二个8 h补偿速率ADEV PZT

零偏运行可重复性


5  结束语


    本文介绍了一种在陆地和太空环境使用的新型IMU,该IMU具有对称性的数字控制、改进性能和设计用于紧凑型ASIC的压电转换CVG。


图15  第二个8 h中同向力平衡信号、正交信号和测量温度残余补偿


Innalabs公司先前利用带简单模拟控制电子元件的金属PZT转导圆柱形谐振器成功研制了一款低噪声速率陀螺仪,用于稳定和瞄准应用以及卫星指向[5-6]。本文详细介绍了一种应用极低噪声数字控制和解调方法的主要优点,热偏置补偿拓展了InertialWave公司此前在电容式CVG广义反馈控制方面的工作[3]。这是首次在电路板级进一步降低速率噪声,在固有体积内的机械热噪声为0.06 (°)/h,并为大规模生产导航级CVG和紧凑型三轴IRU或IMU组件指明了路径。InertialWave将该公司的紧凑型数字控制电子设备与Innalabs公司的三个CVG谐振器和三个加速度计集成一个测试IMU模块中,在波音公司的支持下进行惯性测试。当前测量的结果显示角度随机游走达0.00033 (°)/h1/2,运行中的零偏稳定性为0.014 (°)/h,这表明,共置数字电子设备和IMU紧凑型机械设计可实现导航级性能。


致  谢

感谢美国陆军研究实验室对SBIR W911QX-15-C-0029项目下导航级CVG ASIC研发的支持


文献来源


A D Challoner, J D Popp, P Bond, et al. A New IMU with aDigitally Controlled PZT CVG. 2018 IEEE/IONPosition Location and Navigation Symposium (PLANS), Hyatt Regency MontereyMonterey, California, 2018


参考文献

[1] A.D. Challoner, et. al., “Symmetric Piezoelectric CVG with digital control electronics”, Inertial Sensors and Systems Symposium (ISS), 2018.


[2] D. M. Rozelle, A. D. Meyer, A. A. Trusov and D. K. Sakaida, "Milli- HRG inertial sensor assembly-a reality," 2015 IEEE International Symposium on Inertial Sensors and Systems (ISISS) Proceedings,Hapuna Beach, HI, 2015, pp. 1-4


[3] A. Jeanroy, G. Grosset, J. C. Goudon and F. Delhaye, "HRG by Sagem from laboratory to mass production," 2016 IEEE International Symposium on Inertial Sensors and Systems, Laguna Beach, CA, 2016, pp. 1-4


[4] A. D. Challoner, H. H. Ge and J. Y. Liu, "Boeing Disc Resonator Gyroscope," 2014 IEEE/ION Position, Location and Navigation Symposium - PLANS 2014, Monterey, CA, 2014, pp. 504-514.


[5] J. Beitia, et al, “High-grade CVG for Stabilisation Control Systems and Tactical Grade Systems”, Inertial Sensors and Systems Symposium (ISS), 2013.


[6] J. Beitia, et al, “Low Cost CVG for High Grade North Finders and Targeting Systems”, Inertial Sensors and Systems Symposium (ISS), 2014.


[7]http:// www.innalabs.com/ products/ ai-q-2030-3/


[8] J. Beitia, et. al., “Miniature Accelerometer for High-Dynamic,Precision Guided Systems”, Inertial Sensors and Systems Symposium (ISS), 2017


[9] Patent Pending. “Piezoelectrically Transduced Inertial Wave Angle Gyroscope”


[10] Parsa, A.D. Challoner, et. al., “A new electronic feedback compensation method for rate integrating gyroscopes”, Inertial Sensors and Systems Symposium (ISS), 2016


[11] A.D. Challoner, J. D. Popp, P. Bond, “A universal electronics approach for Rate Integrating Gyroscopes”, Inertial Sensors and Systems Symposium (ISS), 2017.



本文刊载自《国外惯性技术信息2018年第3期

翻译:宋丽君

校对:薛连莉

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