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MEMS陀螺儀是如何工作的？

發(fā)布時(shí)間：2020-05-29 責(zé)任編輯：lina

【導(dǎo)讀】陀螺儀是用來(lái)測(cè)量角速率的器件，在加速度功能基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步發(fā)展，構(gòu)建陀螺儀。

陀螺儀是用來(lái)測(cè)量角速率的器件，在加速度功能基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步發(fā)展，構(gòu)建陀螺儀。

陀螺儀的內(nèi)部原理是這樣的：對(duì)固定指施加電壓，并交替改變電壓，讓一個(gè)質(zhì)量塊做振蕩式來(lái)回運(yùn)動(dòng)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生科里奧利加速度，此時(shí)就可以對(duì)其進(jìn)行測(cè)量；這有點(diǎn)類似于加速度計(jì)，解碼方法大致相同，都會(huì)用到放大器。

角速率由科氏加速度測(cè)量結(jié)果決定

- 科氏加速度 = 2 × (w × 質(zhì)量塊速度)

- w 是施加的角速率(w = 2 πf)

通過(guò) 14 kHz 共振結(jié)構(gòu)施加的速度（周期性運(yùn)動(dòng)）快速耦合到加速度計(jì)框架

- 科氏加速度與諧振器具有相同的頻率和相位，因此可以抵消低速外部振動(dòng)

該機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與加速度計(jì)相似（微加工多晶硅）

信號(hào)調(diào)理（電壓轉(zhuǎn)換偏移）采用與加速度計(jì)類似的技術(shù)

施加變化的電壓來(lái)回移動(dòng)器件，此時(shí)器件只有水平運(yùn)動(dòng)沒(méi)有垂直運(yùn)動(dòng)。如果施加旋轉(zhuǎn)，可以看到器件會(huì)上下移動(dòng)，外部指將感知該運(yùn)動(dòng)，從而就能拾取到與旋轉(zhuǎn)相關(guān)的信號(hào)。

上面的動(dòng)畫(huà)，只是抽象展示了陀螺儀的工作原理，而真實(shí)的陀螺儀內(nèi)部構(gòu)造是下面這個(gè)樣子，別不小心誤會(huì)了哦~

PS：陀螺儀可以三個(gè)一起設(shè)計(jì)，分別對(duì)應(yīng)于所謂滾動(dòng)、俯仰和偏航。任何了解航空器的人都知道，俯仰是指航空器的上下方向，偏航是指左右方向，滾動(dòng)是指向左或向右翻滾。要正確控制任何類型的航空器或?qū)棧夹枰肋@三個(gè)參數(shù)，這就會(huì)用到陀螺儀。它們還常常用于汽車(chē)導(dǎo)航，當(dāng)汽車(chē)進(jìn)入隧道而失去 GPS 信號(hào)時(shí)，這些器件會(huì)記錄您的行蹤。

無(wú)人機(jī)在飛行作業(yè)時(shí)，獲取的無(wú)人機(jī)影像通常會(huì)攜帶配套的 POS 數(shù)據(jù)。從而在處理中可以更加方便的處理影像。而 POS 數(shù)據(jù)主要包括 GPS 數(shù)據(jù)和 IMU 數(shù)據(jù)，即傾斜攝影測(cè)量中的外方位元素：（緯度、經(jīng)度、高程、航向角（Phi）、俯仰角（Omega）及翻滾角（Kappa））。

GPS 數(shù)據(jù)一般用 X、Y、Z 表示，代表了飛機(jī)在飛行中曝光點(diǎn)時(shí)刻的地理位置。

飛控是由主控 MCU 和慣性測(cè)量模塊（IMU，Inertial Measurement Unit）組成。IMU 提供飛行器在空間姿態(tài)的傳感器原始數(shù)據(jù)，一般由陀螺儀傳感器 / 加速度傳感器 / 電子羅盤(pán)提供飛行器 9DOF 數(shù)據(jù)。

IMU 中的傳感器用來(lái)感知飛行器在空中的姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這有個(gè)專有名詞叫做運(yùn)動(dòng)感測(cè)追蹤，英文 Motion Tracking。運(yùn)動(dòng)感測(cè)技術(shù)主要有四種基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)傳感器，下面分別說(shuō)明其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)感測(cè)追蹤的原理。

微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）

IMU 中使用的傳感器基本上都是微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS），是半導(dǎo)體工業(yè)中非常重要的一個(gè)分支。

微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS, Micro-Electro-Mechanical System）是一種先進(jìn)的制造技術(shù)平臺(tái)。微機(jī)電系統(tǒng)是微米大小的機(jī)械系統(tǒng)，是以半導(dǎo)體制造技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的。

我們的四軸飛行器上用到的加速度陀螺儀 MPU6050，電子羅盤(pán) HMC5883L 都是微機(jī)電系統(tǒng)，屬于傳感 MEMS 分支。傳感 MEMS 技術(shù)是指用微電子微機(jī)械加工出來(lái)的、用敏感元件如電容、壓電、壓阻、熱電耦、諧振、隧道電流等來(lái)感受轉(zhuǎn)換電信號(hào)的器件和系統(tǒng)。

加速器（G-sensors）

加速器可用來(lái)感測(cè)線性加速度與傾斜角度，單一或多軸加速器可感應(yīng)結(jié)合線性與重力加速度的幅度與方向。含加速器的產(chǎn)品，可提供有限的運(yùn)動(dòng)感測(cè)功能。

加速度計(jì)的低頻特性好，可以測(cè)量低速的靜態(tài)加速度。在我們的飛行器上，就是對(duì)重力加速度 g（也就是前面說(shuō)的靜態(tài)加速度）的測(cè)量和分析，其它瞬間加速度可以忽略。記住這一點(diǎn)對(duì)姿態(tài)解算融合理解非常重要。

當(dāng)我們把加速度計(jì)拿在手上隨意轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，我們看的是重力加速度在三個(gè)軸上的分量值。加速度計(jì)在自由落體時(shí)，其輸出為 0。為什么會(huì)這樣呢？這里涉及到加速度計(jì)的設(shè)計(jì)原理：加速度計(jì)測(cè)量加速度是通過(guò)比力來(lái)測(cè)量，而不是通過(guò)加速度。

陀螺儀（Gyros）

陀螺儀是利用高速回轉(zhuǎn)體的動(dòng)量矩敏感殼體相對(duì)慣性空間繞正交于自轉(zhuǎn)軸的一個(gè)或二個(gè)軸的角運(yùn)動(dòng)檢測(cè)裝置。利用其他原理制成的角運(yùn)動(dòng)檢測(cè)裝置起同樣功能的也稱陀螺儀。

陀螺儀可感測(cè)一軸或多軸的旋轉(zhuǎn)角速度，可精準(zhǔn)感測(cè)自由空間中的復(fù)雜移動(dòng)動(dòng)作，因此，陀螺儀成為追蹤物體移動(dòng)方位與旋轉(zhuǎn)動(dòng)作的必要運(yùn)動(dòng)傳感器。不像加速器與電子羅盤(pán)，陀螺儀不須借助任何如重力或磁場(chǎng)等的外在力量，能夠自主性的發(fā)揮其功能。所以，從理論上講只用陀螺儀是可以完成姿態(tài)導(dǎo)航的任務(wù)的。

陀螺儀的特性就是高頻特性好，可以測(cè)量高速的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。缺點(diǎn)是存在零點(diǎn)漂移，容易受溫度 / 加速度等的影響。

電子羅盤(pán)（E-Compasses）

電子羅盤(pán)也叫數(shù)字指南針，磁力計(jì)，是利用地磁場(chǎng)來(lái)定北極的一種方法。現(xiàn)在一般有用磁阻傳感器和磁通門(mén)加工而成的電子羅盤(pán)。

電子羅盤(pán)可由地球的磁場(chǎng)來(lái)感測(cè)方向。運(yùn)用電子羅盤(pán)的消費(fèi)性電子產(chǎn)品應(yīng)用，包含在手機(jī)的地圖應(yīng)用程序顯示正確方向，或?yàn)閷?dǎo)航應(yīng)用程序提供前進(jìn)方向數(shù)據(jù)。然而，電子設(shè)備或建筑材料的磁場(chǎng)干擾，比地球磁場(chǎng)來(lái)得強(qiáng)，導(dǎo)致電子羅盤(pán)傳感器的輸出值，較容易受到各種環(huán)境因素的影響，尤其在室內(nèi)更是如此，因此，電子羅盤(pán)須要透過(guò)頻繁的校正，才能維持前進(jìn)方向數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。

壓力傳感器（Barometers）

壓力傳感器又叫做氣壓計(jì)，會(huì)藉由氣壓的變化來(lái)感測(cè)物體的相對(duì)與絕對(duì)高度，常被運(yùn)用于與運(yùn)動(dòng)、健身、方位推測(cè)等應(yīng)用有關(guān)的消費(fèi)性產(chǎn)品中，例如，可感測(cè)使用者的移動(dòng)層樓，調(diào)整地圖信息。

IMU 數(shù)據(jù)主要包含了：航向角（Phi）、俯仰角（Omega）及翻滾角（Kappa）三個(gè)數(shù)據(jù)。

1、航向角（Phi）

航向角英文縮寫(xiě)是：Phi。定義為：飛機(jī)和航天飛機(jī)的縱軸與地球北極之間的夾角。

示意圖如下圖所示：