本文旨在阐明在 IMU 中监测振动的必要性，以及开发内置振动监测功能（Built-In Vibration Monitoring Feature）的好处。
为什么要在 IMU 中监测振动？
有过在恶劣环境中使用 IMU（微机电惯性测量单元）经验的人都清楚，必须仔细考虑振动和声学的影响。MEMS 传感器基于内部振动的机械元件。这会产生两个主要后果：
- 振动下的性能退化：暴露在振动中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。对于测绘或推算定位等高精度应用，这些误差可能会产生重大影响。
- 共振效应：由于传感器本身会发生振动，如果车辆的振动频率与传感器的内部共振频率相匹配，IMU 的读数可能会受到干扰。
这些效应通常是早期设计过程中的关键考虑因素。团队通常会在复杂仿真上投入大量精力。而这些仿真只能部分预测现实世界的行为。
您必须使用监测设备进行昂贵的测试活动。这些测试用于验证仿真结果。我们发现，即使是详尽的仿真也无法完全复制现实世界的条件。一些客户将我们的 IMU 集成到了比设计预期更恶劣的环境中，承受高达 30 g RMS 的振动和 150 dB 的声学冲击。
添加外部监测设备是一种良好的开发实践，但它并非完美无缺，且永远无法完全反映 IMU 的真实遭遇：
- 测量位置存在偏移
- 外部监测设备导致的质量/设置变化会改变结果。
介绍我们的内置振动监测功能
为了解决这一问题，我们在 IMU 和 GNSS/INS 中直接集成了一项创新的振动监测功能。我们的系统现在能够提供实时的振动分析，包括完整频谱报告和综合报告。
全谱报告
完整的FFT（快速傅里叶变换）显示了所有频率下的振动振幅。下图对应于该全频谱视图，展示了随时间变化的各频率振动强度。
简化振动报告
一份易于理解的摘要，将频谱划分为四个频率带。对于每个频率带，报告均提供了总体振动强度（单位：g RMS）、主导（峰值）频率及其幅度。下图展示了在我们的 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 内部运行，无需额外硬件即可确保实时性能。其主要技术指标包括：
- 带宽：最高可达 8 kHz（取决于 IMU 型号）。
- 动态范围：最高可达 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计算均在板内完成。
- 更新频率与分辨率：每0.25秒生成一次振动报告，分辨率为4赫兹。
- 窗函数配置：用户可从多种FFT窗函数模式中进行选择——平顶窗、汉宁窗或矩形窗，这些模式在振幅、精度和频率泄漏之间存在各种权衡。
这使您能够在 IMU 所在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 数据提供了额外的指标，可作为 IMU 持续内置测试（CBIT）的补充。它能够揭示与加速度计噪声或陀螺仪零偏变化相吻合的安装共振或谐波激励。
我们内置振动监测功能的应用场景
内置的振动监测功能用途广泛——我们相信客户还会发掘出更多用途。以下是一些示例：
- 设计阶段的振动分析：在车辆设计过程中，该功能有助于优化 IMU 的安装。通过直接在 IMU 处测量振动，工程师无需添加沉重或昂贵的外部传感器，就能选择最佳安装位置、调整阻尼器并设计隔音保护。
- 振动台上的 IMU 品质鉴定：在对 IMU 或 INS 进行振动测试（随机振动或扫频振动）时，可以使用振动监测功能来确认测得的振动与施加的振动相符（传递函数）；它还可以用作一种工具，来甄别共振是源于振动台、测试夹具还是 IMU 本身。
- 无人机和航空航天系统：振动监测可用于检测旋翼飞行器或涡轮发动机的共振模态，并在 IMU 安装在云台或稳定平台上时验证有效载荷的隔振效果。
- 地面车辆：我们的INS 常被用于地面车辆的地理参考（移动测绘）。在此应用场景中，FFT可发挥创新作用：振动数据可用于分析道路状况或分类地形类型。
- 任务相关内置测试（BIT）：在恶劣的运行环境中，过度的振动通常预示着发动机故障、增益控制问题或气动不稳定等故障。内置监测系统能够实时检测到这些异常情况，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。
使用振动监测功能
如果您的设备兼容，只需更新到最新固件即可。接下来，在输出配置中启用振动监测消息。要处理这些数据：
1 – sbgCenter –轻松可视化振动报告。
2 – sbgBasicLogger –以 ASCII 格式导出数据。
3 – sbgECom 库 –快速高效地解析二进制数据。
敬请期待后续发布的文档和示例代码，它们将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具体产品。兼容性取决于硬件版本和已安装的固件版本。为确保您能够使用此功能，我们已在下文概述了当前的要求。
振动监测功能目前可在以下设备上使用：
- 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较早的固件版本，请联系我们的支持团队。他们将就兼容性及升级方案提供指导。该功能将在不久的将来集成到更多产品中。
