本文旨在阐述在 IMU 中监测振动的必要性，以及开发内置振动监测功能的好处。
为什么要在 IMU 中监测振动？
拥有在严苛环境中使用 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影响。MEMS 传感器基于内部振动的机械元件。这主要产生两个后果：
- 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。对于测量或推算定位等高精度应用，这些误差会产生重大影响。
- 谐振效应：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谐振频率相匹配，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。团队通常会投入大量精力进行复杂的仿真。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运行昂贵的测试活动。这些测试用于验证仿真。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严苛的环境中。它们承受高达 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。然而，它并非十全十美。它永远无法完全反映 IMU 的实际经历：
- 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。它直接内置于我们的 IMU 和 GNSS/INS 中。我们的系统现在提供实时的振动分析。这包括完整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，报告提供总体振动强度（以 g RMS 为单位）、主导（峰值）频率及其幅值。下图显示了我们的 sbgCenter 工具中显示的综合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，确保实时性能，无需额外的硬件。其主要技术指标为：
- 带宽：最高 8 kHz（取决于 IMU 型号）。
- 动态范围：最高 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 计算都在板载完成。
- 更新率与分辨率：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 窗口模式中进行选择 —— 平顶窗 (Flat Top)、汉宁窗 (Hanning) 或矩形窗 (Rectangular)，它们在幅度、精度和频率泄露之间提供不同的权衡。
这使您能够在 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 的持续内建测试 (CBIT)。它揭示了与加速度计噪声或陀螺仪零偏变化相吻合的安装谐振或谐波激励。
我们内置振动监测功能的使用场景
内置振动监测功能可以通过多种方式使用——我们期望客户能发现更多用途。以下是几个示例：
- 设计阶段振动分析：在车辆设计过程中，该功能有助于优化 IMU 安装。直接在 IMU 处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，而无需添加笨重或昂贵的外部传感器。
- 振动台 IMU 资质认证：在对 IMU 或 INS 施加振动（随机或扫描）测试以进行资质认证时，可使用振动监测功能，从而确认测得的振动与施加的振动相匹配（传递函数）；它还可用作一种工具，以判别共振是源于振动台、测试装置还是 IMU。
- 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谐振模式，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 经常用于地面车辆的地理定位（移动测绘）。在这种情况下，FFT 可以通过创新方式应用：振动数据可用于分析道路状况或对地形类型进行分类。
- 任务相关内置自检 (BIT)：在严苛的运行环境中，过大的振动往往预示着发动机故障、增益控制问题或空气动力学不稳定等隐患。内置监测器可以实时检测这些异常，无需借助额外的传感器。
- 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 – 快速高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。我们在下方列出了当前的要求，以确保您能够使用此功能。
振动监测功能目前适用于：
- Ekinox Micro、Quanta Micro、Quanta Plus 和 Quanta Extra (INS) 的最新硬件版本 — 运行固件版本 5.5 或更高版本
- 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。
