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，以達(dá)到最佳性能，但它們通常在可能遇到振動和其他類型不良運(yùn)動的應(yīng)用中使用。

振動和正常車輛運(yùn)動會導(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。平臺穩(wěn)定系統(tǒng)采用閉環(huán)控制系統(tǒng)，以主動消除此類運(yùn)動，從而保證達(dá)到這些儀器的重要性能目標(biāo)。

圖1是平臺穩(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。反饋傳感器為儀器平臺提供動態(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。

圖1. 基本平臺穩(wěn)定系統(tǒng)

由于很多穩(wěn)定系統(tǒng)需要多個軸向的主動校正，因此慣性測量單元（IMU）通常包括至少三個軸向的陀螺儀（測量角速度）和三個軸向的加速度計(jì)（測量加速度和角定向）來提供反饋檢測功能。反饋傳感器的最終目標(biāo)是提供平臺定向的精確測量，即使當(dāng)平臺正在運(yùn)動時也要做到。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量，因此平臺穩(wěn)定系統(tǒng)中的IMU通常在每個軸上使用兩種或三種傳感器類型。

加速度計(jì)，響應(yīng)每個軸向上的靜態(tài)和動態(tài)加速

"靜態(tài)加速度"似乎是一個陌生的詞匯，但它涉及重要的傳感器行為：對重力的響應(yīng)。假定不存在動態(tài)加速，并通過校準(zhǔn)消除了傳感器誤差，則每個加速度計(jì)輸出將代表它的相對于重力的軸定向。為了確定在存在振動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，通常會將濾波器和融合程序（組合來自多個傳感器類型的讀數(shù)，得出最佳估計(jì)值）應(yīng)用于原始測量。

陀螺儀，提供角速率測量

陀螺儀測量通過有限周期內(nèi)的角速率的積分，在角度測量中發(fā)揮作用。執(zhí)行積分時，偏置誤差將導(dǎo)致成比例的角度漂移，隨時間累加。因此，陀螺儀性能通常與設(shè)備偏置對不同環(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，作為對加速度計(jì)提供的低頻信息的補(bǔ)充。

3軸磁力計(jì)，測量磁場強(qiáng)度

從三個正交軸的磁場測量實(shí)現(xiàn)了相對于地球磁場本地方向的定向角估算。當(dāng)磁力計(jì)接近電機(jī)、顯示器和其他動態(tài)磁場干擾源時，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)測量，既利用它們的基本優(yōu)勢，同時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、振動和"正常"運(yùn)動預(yù)測都會對位置決定產(chǎn)生影響。因系統(tǒng)而異的行為也會影響加權(quán)因子，而加權(quán)因子會對如何組合這兩種測量產(chǎn)生影響。擴(kuò)展卡爾曼濾波器就是一個組合濾波和加權(quán)函數(shù)以計(jì)算動態(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，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)將對控制器設(shè)計(jì)產(chǎn)生直接影響，可以幫助識別潛在穩(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。這些信息對于預(yù)測陀螺儀的振動響應(yīng)也非常有用。