本文的目的是为 IMU 中监测振动的必要性以及开发内置振动监测功能的优势提供理由。
为什么要在 IMU 中监测振动？
那些在恶劣环境中使用 IMU（微机电惯性测量单元）经验的人都知道需要仔细考虑振动和声学。MEMS 传感器基于内部振动的机械元件。这有两个主要后果：
- 振动下的性能下降：暴露于振动会通过所谓的振动整流误差 (VRE) 或振动整流系数 (VRC) 降低 IMU 的精度。对于测量或航位推算等高精度应用，这些误差可能会产生重大影响。
- 共振效应：由于传感器本身会振动，如果车辆的振动频率与传感器的内部共振频率相匹配，则 IMU 读数可能会受到干扰。
这些影响通常是早期设计的关键考虑因素。团队通常会在复杂的仿真上花费大量精力。这些仿真只能部分预测真实世界的行为。
您必须使用监控设备进行昂贵的测试活动。这些测试验证了仿真。我们已经看到，即使是彻底的仿真也无法完全复制真实世界的条件。一些客户已将我们的 IMU 集成到比设计更恶劣的环境中。它们承受高达 30 g RMS 的振动和 150 dB 的声响。
添加外部监控设备是一个良好的开发实践。但是，它并不完美。它永远无法完全反映 IMU 的实际体验:
- 测量位置已偏移
- 由外部监控设备强制更改质量/设置将改变结果。
推出我们的内置振动监测功能
为了解决这个问题，我们集成了一项创新的振动监测功能。它直接位于我们的 IMU 和 GNSS/INS 中。我们的系统现在提供实时振动分析。这包括完整的频谱报告和综合报告。
完整频谱报告
完整的 FFT（快速傅里叶变换）显示了所有频率上的振动幅度。下图对应于此全频谱视图。它显示了随时间推移测量的每个频率的振动强度。
简化的振动报告
一个用户友好的摘要，将频谱划分为四个频段。对于每个频段，该报告提供总体振动强度（以 g RMS 为单位）、主导（峰值）频率及其幅度。下图描绘了我们的 sbgCenter 工具中显示的合成振动报告的屏幕截图。
技术特性
内置振动监测模块完全嵌入在 IMU/INS 中运行，无需额外的硬件即可确保实时性能。其主要规格为：
- 带宽：高达 8 kHz（取决于 IMU 型号）。
- 动态范围：高达 40 g RMS（取决于 IMU 型号）。
- 时间同步：振动报告使用 IMU 时钟进行时间戳标记，以便于分析。
- 完全嵌入式：所有 FFT 计算均在板上执行。
- 更新速率和分辨率： 振动报告每 0.25 秒生成一次，分辨率为 4Hz。
- 窗口配置： 用户可以从多种 FFT 窗口模式中选择，包括 Flat Top、Hanning 或 Rectangular，它们在幅度、精度和频率泄漏之间进行各种权衡。
这使您可以在 IMU 位置执行详细的振动分析。用户可以将惯性噪声和 IMU 性能与实际的机械激励相关联。例如，实时 FFT 数据提供了一个额外的指标。这补充了 IMU 的连续内置测试 (CBIT)。它可以揭示安装共振或谐波激励。这些与加速度计噪声或陀螺仪偏差的变化相吻合。
内置振动监测功能的使用案例
内置振动监测功能可以通过多种方式使用，我们希望我们的客户会发现更多。以下是一些示例：
- 设计阶段振动分析：在车辆设计期间，此功能有助于优化 IMU 的安装。直接在 IMU 上测量振动使工程师能够选择最佳位置、调整阻尼器并设计声学保护——而无需添加沉重或昂贵的外部传感器。
- IMU 在振动台上的鉴定：振动监测可用于 IMU 或 INS 的鉴定过程中，当使它们经受振动（随机或扫描）时，允许确认测量的振动与注入的振动（传递函数）匹配；并且可以用作区分共振是否与振动台、设置或 IMU 相关的工具。
- 无人机和航空航天系统： 振动监测可用于检测旋翼机或涡轮发动机的共振模式，并在 IMU 安装在万向节或稳定平台上时验证有效载荷隔离。
- 地面车辆：我们的 INS 通常用于地面车辆的地理配准（移动测绘）。FFT 可以在这种情况下以创新的方式使用：振动数据可用于分析道路状况或对地形类型进行分类。
- 与任务相关的内置测试 (BIT)：在恶劣的操作环境中，过度的振动通常表示故障，例如发动机故障、增益控制问题或空气动力学不稳定。内置监视器可以实时检测到这些异常，而无需额外的传感器。
- 结构健康和模态分析：FFT 振动数据可用于完善模态分析，检测共振频率的变化，这些变化表明随着时间的推移可能出现的结构疲劳、松动或材料退化。这使得 IMU 成为一个双用途传感器：既是运动跟踪器，又是长期结构监测仪器。
访问振动监测功能
如果您的设备兼容，只需更新到最新的固件。接下来，在输出配置中启用振动监测消息。要处理数据：
1 – sbgCenter – 轻松可视化振动报告。
2 – sbgBasicLogger – 以 ASCII 格式导出数据。
3 – sbgECom 库 – 快速有效地解析二进制数据。
请继续关注更多文档和示例代码，以帮助您充分利用此功能。
产品兼容性
本节详细介绍了当前支持内置振动监测功能的特定产品。兼容性取决于硬件版本和安装的固件版本。我们已在下面列出了当前的要求，以确保您可以利用此功能。
振动监测功能目前在以下产品上可用：
- Ekinox Micro、Quanta Micro、Quanta Plus 和 Quanta Extra (INS) 的最新硬件版本 — 运行 5.5 或更高版本的固件
- Pulse-80 和 Pulse-40 (IMU) — 运行 2.0 或更高版本的固件
如果您的产品运行的是早期固件版本，请联系我们的支持团队。他们会提供有关兼容性和升级选项的指导。此功能将在不久的将来集成到其他产品中。
