MEMS陀螺儀的工作原理詳細說明

陀螺儀是用來測量角速率的器件，在加速度功能基礎(chǔ)上，可以進一步發(fā)展，構(gòu)建陀螺儀。

陀螺儀的內(nèi)部原理是這樣的：對固定指施加電壓，并交替改變電壓，讓一個質(zhì)量塊做振蕩式來回運動，當(dāng)旋轉(zhuǎn)時，會產(chǎn)生科里奧利加速度，此時就可以對其進行測量;這有點類似于加速度計，解碼方法大致相同，都會用到放大器。

角速率由科氏加速度測量結(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14 kHz共振結(jié)構(gòu)施加的速度（周期性運動）快速耦合到加速度計框架

- 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

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

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

施加變化的電壓來回移動器件，此時器件只有水平運動沒有垂直運動。如果施加旋轉(zhuǎn)，可以看到器件會上下移動，外部指將感知該運動，從而就能拾取到與旋轉(zhuǎn)相關(guān)的信號。

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

PS：陀螺儀可以三個一起設(shè)計，分別對應(yīng)于所謂滾動、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，滾動是指向左或向右翻滾。要正確控制任何類型的航空器或?qū)?，都需要知道這三個參數(shù)，這就會用到陀螺儀。它們還常常用于汽車導(dǎo)航，當(dāng)汽車進入隧道而失去GPS信號時，這些器件會記錄您的行蹤。

無人機在飛行作業(yè)時，獲取的無人機影像通常會攜帶配套的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，代表了飛機在飛行中曝光點時刻的地理位置。

飛控是由主控MCU和慣性測量模塊（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/電子羅盤提供飛行器9DOF數(shù)據(jù)。

IMU中的傳感器用來感知飛行器在空中的姿態(tài)和運動狀態(tài)，這有個專有名詞叫做運動感測追蹤，英文Motion Tracking。運動感測技術(shù)主要有四種基礎(chǔ)運動傳感器，下面分別說明其進行運動感測追蹤的原理。

微機電系統(tǒng)（MEMS）

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

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

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

加速器（G-sensors）

加速器可用來感測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，可提供有限的運動感測功能。

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

當(dāng)我們把加速度計拿在手上隨意轉(zhuǎn)動時，我們看的是重力加速度在三個軸上的分量值。加速度計在自由落體時，其輸出為0。為什么會這樣呢？這里涉及到加速度計的設(shè)計原理：加速度計測量加速度是通過比力來測量，而不是通過加速度。

陀螺儀（Gyros）

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

陀螺儀可感測一軸或多軸的旋轉(zhuǎn)角速度，可精準感測自由空間中的復(fù)雜移動動作，因此，陀螺儀成為追蹤物體移動方位與旋轉(zhuǎn)動作的必要運動傳感器。不像加速器與電子羅盤，陀螺儀不須借助任何如重力或磁場等的外在力量，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，可以測量高速的旋轉(zhuǎn)運動。缺點是存在零點漂移，容易受溫度/加速度等的影響。

電子羅盤（E-Compasses）

電子羅盤也叫數(shù)字指南針，磁力計，是利用地磁場來定北極的一種方法?，F(xiàn)在一般有用磁阻傳感器和磁通門加工而成的電子羅盤。

電子羅盤可由地球的磁場來感測方向。運用電子羅盤的消費性電子產(chǎn)品應(yīng)用，包含在手機的地圖應(yīng)用程序顯示正確方向，或為導(dǎo)航應(yīng)用程序提供前進方向數(shù)據(jù)。然而，電子設(shè)備或建筑材料的磁場干擾，比地球磁場來得強，導(dǎo)致電子羅盤傳感器的輸出值，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，電子羅盤須要透過頻繁的校正，才能維持前進方向數(shù)據(jù)的準確度。

壓力傳感器（Barometers）

壓力傳感器又叫做氣壓計，會藉由氣壓的變化來感測物體的相對與絕對高度，常被運用于與運動、健身、方位推測等應(yīng)用有關(guān)的消費性產(chǎn)品中，例如，可感測使用者的移動層樓，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）三個數(shù)據(jù)。

1、航向角（Phi）

航向角英文縮寫是：Phi。定義為：飛機和航天飛機的縱軸與地球北極之間的夾角。

示意圖如下圖所示：

2、俯仰角（Omega）

俯仰角英文縮寫是：Omega。定義為：平行于機身軸線并指向飛行器前方的向量與地面的夾角。

示意圖如下：

3、翻滾角（Kappa）

翻滾角又叫側(cè)滾角，英文縮寫是Kappa。定義為：光軸與十周之間的夾角。

示意圖如下圖所示：