無人飛行器安裝的監(jiān)控設(shè)備、海上微波接收機(jī)、車輛安裝的紅外成像系統(tǒng)傳感器以及其他儀器系統(tǒng)都需要具有穩(wěn)定的平臺(tái)，以達(dá)到最佳性能，但它們通常在可能遇到振動(dòng)和其他類型不良運(yùn)動(dòng)的應(yīng)用中使用。

振動(dòng)和正常車輛運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致通信中斷、圖像模糊以及其他很多行為，從而降低儀器的性能和執(zhí)行所需功能的能力。平臺(tái)穩(wěn)定系統(tǒng)采用閉環(huán)控制系統(tǒng)，以主動(dòng)消除此類運(yùn)動(dòng)，從而保證達(dá)到這些儀器的重要性能目標(biāo)。

圖1是平臺(tái)穩(wěn)定系統(tǒng)的整體框圖，它使用伺服電機(jī)來校正角向運(yùn)動(dòng)。反饋傳感器為儀器平臺(tái)提供動(dòng)態(tài)方位信息。反饋控制器處理這些信息，并將其轉(zhuǎn)換為伺服電機(jī)的校正控制信號(hào)。

圖1. 基本平臺(tái)穩(wěn)定系統(tǒng)

由于很多穩(wěn)定系統(tǒng)需要多個(gè)軸向的主動(dòng)校正，因此慣性測(cè)量單元（IMU）通常包括至少三個(gè)軸向的陀螺儀（測(cè)量角速度）和三個(gè)軸向的加速度計(jì)（測(cè)量加速度和角定向）來提供反饋檢測(cè)功能。反饋傳感器的最終目標(biāo)是提供平臺(tái)定向的精確測(cè)量，即使當(dāng)平臺(tái)正在運(yùn)動(dòng)時(shí)也要做到。由于沒有"萬能"傳感器技術(shù)能夠在任何條件下提供精確的角度測(cè)量，因此平臺(tái)穩(wěn)定系統(tǒng)中的IMU通常在每個(gè)軸上使用兩種或三種傳感器類型。

加速度計(jì)，響應(yīng)每個(gè)軸向上的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)加速

"靜態(tài)加速度"似乎是一個(gè)陌生的詞匯，但它涉及重要的傳感器行為：對(duì)重力的響應(yīng)。假定不存在動(dòng)態(tài)加速，并通過校準(zhǔn)消除了傳感器誤差，則每個(gè)加速度計(jì)輸出將代表它的相對(duì)于重力的軸定向。為了確定在存在振動(dòng)和快速加速的情況下穩(wěn)定系統(tǒng)中通常出現(xiàn)的實(shí)際平均定向，通常會(huì)將濾波器和融合程序（組合來自多個(gè)傳感器類型的讀數(shù)，得出最佳估計(jì)值）應(yīng)用于原始測(cè)量。

陀螺儀，提供角速率測(cè)量

陀螺儀測(cè)量通過有限周期內(nèi)的角速率的積分，在角度測(cè)量中發(fā)揮作用。執(zhí)行積分時(shí)，偏置誤差將導(dǎo)致成比例的角度漂移，隨時(shí)間累加。因此，陀螺儀性能通常與設(shè)備偏置對(duì)不同環(huán)境因素的靈敏度相關(guān)，這些因素包括溫度變化、電源變化、離軸旋轉(zhuǎn)和線性加速度（線性g和整流g × g）。校準(zhǔn)的高質(zhì)量陀螺儀，具有對(duì)線性加速度的高抑制，使這些設(shè)備能夠提供寬帶角信息，作為對(duì)加速度計(jì)提供的低頻信息的補(bǔ)充。

3軸磁力計(jì)，測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度

從三個(gè)正交軸的磁場(chǎng)測(cè)量實(shí)現(xiàn)了相對(duì)于地球磁場(chǎng)本地方向的定向角估算。當(dāng)磁力計(jì)接近電機(jī)、顯示器和其他動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)干擾源時(shí)，管理其精度可能非常困難，但在適當(dāng)情況下，它的角度數(shù)據(jù)可作為來自加速度計(jì)和陀螺儀的數(shù)據(jù)的補(bǔ)充。雖然很多系統(tǒng)僅使用加速度計(jì)和陀螺儀，但磁力計(jì)可以改進(jìn)某些系統(tǒng)的測(cè)量精度。

圖2的整體框圖顯示了如何使用陀螺儀和加速度計(jì)測(cè)量，既利用它們的基本優(yōu)勢(shì)，同時(shí)又最大程度減少它們的弱點(diǎn)產(chǎn)生的影響。

圖2. 組合單軸傳感器輸出

低通加速度計(jì)和高通陀螺儀濾波器的極點(diǎn)位置通常取決于應(yīng)用，另外精度目標(biāo)、相位延遲、振動(dòng)和"正常"運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)都會(huì)對(duì)位置決定產(chǎn)生影響。因系統(tǒng)而異的行為也會(huì)影響加權(quán)因子，而加權(quán)因子會(huì)對(duì)如何組合這兩種測(cè)量產(chǎn)生影響。擴(kuò)展卡爾曼濾波器就是一個(gè)組合濾波和加權(quán)函數(shù)以計(jì)算動(dòng)態(tài)角度估計(jì)的算法的例子。

圍繞新的MEMS IMU開發(fā)穩(wěn)定系統(tǒng)時(shí)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)早期階段了解頻率響應(yīng)是非常重要的，因?yàn)镮MU的頻率響應(yīng)將對(duì)控制器設(shè)計(jì)產(chǎn)生直接影響，可以幫助識(shí)別潛在穩(wěn)定性問題—特別是在考慮到新一代設(shè)計(jì)的高帶寬解決方案時(shí)。這些信息對(duì)于預(yù)測(cè)陀螺儀的振動(dòng)響應(yīng)也非常有用。