愛普生M-G365/M-G366 MEMS六軸陀螺儀低成本替代光纖陀螺儀

愛普生M-G365/M-G366是一款性能達到光纖陀螺儀（FOG）級別的高性能慣性測量裝置，作為新一代IMU標準，安裝簡單，具有新的姿態角輸出功能并支持各種應用，并且具有擴展卡爾曼濾波器的高速DSP能以較低功耗提供高精度實時姿態角輸出（橫滾角/俯仰角/偏航角），可廣泛適用于汽車等車輛、船只及其他多種工業產品和系統，用來測量數據和控制運動等，而且系統端不再需要動態姿態角的高速計算，從而減小了系統載荷和功耗。M-G365采用了最新開發的高性能傳感器，具有穩定性更好、噪音更低、動態范圍更廣的優越特點，而且動態性能出色（比例因子非線性），非常適合諸如汽車、無人飛機等從靜態到高速運動的高精度測量。M-G365的向后兼容性，更是大大降低了用戶開發成本和評價時間，更有較低的電流消耗（16 mA，而M-G364和M-G354為18 mA）。
核心參數特性：

型號		M-G365
尺寸，重量		24 * 24 * 10 mm, 10g
低噪聲，高穩定性	零偏穩定性	1.8°/hr
低噪聲，高穩定性	角隨機游走	0.08°/√hr
測量范圍	三陀螺	±450 °/sec
測量范圍	三軸加速計	±4G, ±10G ^⑴
輸出數據分辨率		16/32bit
數據接口		SPI / UART
工廠內部補償		零偏，比例因子，角誤差
輸出數據速率		達到2000 Sps
校準溫度范圍		-40℃ to +85℃
工作溫度范圍		-40℃ to +85℃
低功耗		16mA (Typ.) @ 3.3V
姿態測量功能		歐拉角（滾動/俯仰）傾斜角度（X / Y軸）

備注（1）：加速度計動態范圍由部件號訂購代碼確定，具體詳詢愛普生晶振晶體與單軸、六軸陀螺儀代理商-南山電子。
應用
• 導航系統（自動駕駛汽車，精密農業，工程機械）
• 穩定系統（天線平臺，云臺相機）

評估測試環境搭建：
EPSON六軸陀螺儀M-G370測試環境搭建框圖
圖1 環境搭建框圖

上述這款接口分線板用來將愛普生M-G365六軸MEMS陀螺儀（慣性測量裝置）1mm pitch的連接器轉接到2.54mm pitch的連接器上，配合USB-串口轉接器，使得PC能夠控制慣性測量裝置，大大簡化了產品的測試評估。

六軸陀螺儀術語說明：

*1 慣性測量裝置（IMU）是用于感應慣性運動的設備。它有三軸角速度傳感器和三軸加速度計組成。也被稱為六軸陀螺儀，屬于MEMS陀螺儀。

*2 光纖陀螺儀（FOG）是一種在少量高性能IMU中使用的、基于光纖和光干涉特性的陀螺傳感器。

*3 陀螺傳感器（角速度傳感器）測量單位時間上某物體關于參考軸的旋轉角度（角速度）。

*4 零偏穩定性是一個衡量規定取樣時間和平均時間間隔上計算的陀螺儀零偏隨機變化的指標，該零偏變化用1/f噪聲密度表示。

*5 角隨機游走是一個衡量規定取樣時間和平均時間間隔上計算的陀螺儀零偏隨機變化的指標，該零偏變化用隨機噪聲密度表示。

*6 擴展卡爾曼濾波器利用模型估值和實際觀察值依次計算最可能值，以便更準確地預測觀察值中的信息，包括濾波器誤差。

*7 數字信號處理器（DSP）是處理數字信號的高速運算電路。

*8 方位角（橫滾角、俯仰角和偏航角）：

• 橫滾角：物體沿其縱軸旋轉的角度

• 俯仰角：物體沿其橫軸旋轉的角度

• 偏航角：物體沿其垂直軸旋轉的角度

光纖陀螺儀(FOG)以前曾經是環形激光陀螺儀(RLG)等其他技術的低成本替代品，現在該技術面臨自愛普生高精度六軸陀螺儀新的競爭。微機電系統(MEMS)陀螺儀開始搶奪傳統FOG應用的市場份額。具體來說，天線陣列穩定、農業機械控制、常規車輛導航成為MEMS和FOG對峙的戰場。

愛普生MEM六軸陀螺儀與FOG光纖陀螺儀相比從性能參數看非常接近，特別是EPSON最新推出的M-G365等系列參數已經達到了FOG戰術級性能水平，但其成本卻比MEMS低出數倍。如果可以使用GNSS，而且應用的目的是在開放天空環境中運行，MEMS六軸陀螺儀可以取代OG光線陀螺儀。如果應用能夠接收車輛或平臺速度更新，則愛普生MEMS六軸陀螺儀系統可以達到與獨立FOG系統相同的水平。這將迅速加速六軸陀螺儀在自動駕駛汽車等領域的推廣應用。

對于普通車輛導航，這一點還不會產生影響，但此系統是針對需要適應高速率控制的應用設計的。此外還有幾種MEMS陀螺儀提供良好的偏置穩定度，但帶寬降低或噪聲很高。為本系統選擇的MEMS陀螺儀在帶寬和性能之間達到了平衡。上表給出了所選MEMS的實際規格。

M-G365六軸陀螺儀使用的MEMS陀螺儀采用多核架構，該架構在穩定度、噪聲、線性度和線性g性能之間達到了優化平衡。完全差分四諧振器與片內高性能信號調理密切配合，從而使得諧振器的必需響應范圍最小，位于高度線性區，并且提供高度的振動抑制。

由于MEMS陀螺儀和加速度計集成到多軸IMU中(請參見圖1)，傳感器的x/y/z正交性可能成為主要誤差源。主要誤差源往往由跨軸靈敏度或對準誤差指定。常見規格是±2%跨軸靈敏度。本系統的IMU具有0.087%的跨軸靈敏度(0.05°正交性)。更重要的是，由于器件特定的校準在出廠前完成，此規格在溫度范圍內有效。

對于特定旋轉速率，例如在偏航軸上，正交軸的速率輸出等于跨軸軸靈敏度乘以偏航率(Cross Axis Sensitivity * Yaw Rate)，即使橫滾軸和俯仰軸上的實際旋轉為零。2%的跨軸誤差通常會導致除了本有的陀螺儀噪聲之外，還

隨著愛普生MEMS陀螺儀技術的持續進步，以及其他傳感器(例如OBDII)的輔助，MEMS六軸陀螺儀取代FOG技術可能在不久的將來實現。

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