三軸陀螺儀原理

三軸陀螺儀最大的作用就是“測(cè)量角速度，以判別物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，所以也稱為運(yùn)動(dòng)傳感器“，換句話說，這東西可以讓我們的設(shè)備知道自己“在哪兒和去哪兒”(where they are or where they are going)!

加速傳感器

加速度計(jì)是慣性導(dǎo)航和慣性制導(dǎo)系統(tǒng)的基本測(cè)量元件之一，加速度計(jì)本質(zhì)上是一個(gè)振蕩系統(tǒng)，安裝于運(yùn)動(dòng)載體的內(nèi)部，可以用來(lái)測(cè)量載體的運(yùn)動(dòng)加速度。

MEMS類加速度計(jì)的工作原理是當(dāng)加速度計(jì)連同外界物體(該物體的加速度就是待測(cè)的加速度)一起作加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊就受到慣性力的作用向相反的方向運(yùn)動(dòng)。質(zhì)量塊發(fā)生的位移受到彈簧和阻尼器的限制，通過輸出電壓就能測(cè)得外界的加速度大小。

三軸陀螺儀與加速傳感器配合是如何實(shí)現(xiàn)輔助GPS進(jìn)行定位導(dǎo)航的呢

從MEMS陀螺儀的應(yīng)用方向來(lái)看，陀螺儀能夠測(cè)量沿一個(gè)軸或幾個(gè)軸運(yùn)動(dòng)的角速度，可與MEMS加速度計(jì)(加速計(jì))形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，如果組合使用加速度計(jì)和陀螺儀這兩種傳感器，設(shè)計(jì)者就能更好地跟蹤并捕捉三維空間的完整運(yùn)動(dòng)，為最終用戶提供現(xiàn)場(chǎng)感更強(qiáng)的用戶使用體驗(yàn)、精確的導(dǎo)航系統(tǒng)以及其它功能。

要準(zhǔn)確地描述線性(直線運(yùn)動(dòng))和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(有轉(zhuǎn)彎變化的運(yùn)動(dòng))，需要設(shè)計(jì)者同時(shí)用到陀螺儀和加速度計(jì)。

單純使用陀螺儀的方案可用于需要高分辨率和快速反應(yīng)的旋轉(zhuǎn)檢測(cè)

單純使用加速度計(jì)的方案可用于有固定的重力參考坐標(biāo)系、存在線性或傾斜運(yùn)動(dòng)但旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)被限制在一定范圍內(nèi)的應(yīng)用。但同時(shí)處理直線運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，就需要使用加速度和陀螺儀計(jì)的方案。

此外，為讓設(shè)計(jì)和制作的陀螺儀具有較高的加速度和較低的機(jī)械噪聲，或?yàn)樾Ｕ铀俣扔?jì)的旋轉(zhuǎn)誤差，一些廠商會(huì)使用磁力計(jì)來(lái)完成傳統(tǒng)上用陀螺儀實(shí)現(xiàn)的傳感功能，以完成相應(yīng)定位，讓陀螺儀術(shù)業(yè)有專攻。這表明，混合的陀螺儀、加速度計(jì)或磁感應(yīng)計(jì)結(jié)合的方案正成為MEMS陀螺儀技術(shù)應(yīng)用的趨勢(shì)。若只使用傳統(tǒng)的加速度計(jì)，用戶得到的要么是反應(yīng)敏捷的但噪聲較大的輸出，要么是反應(yīng)慢但較純凈的輸出，而如將加速度計(jì)與陀螺儀相結(jié)合，就能得到既純凈又反應(yīng)敏捷的輸出。

利用已知的GPS測(cè)量等等的初始速度，對(duì)加速度積分，就可知道載體的速度和位置等信息。因此，加速度計(jì)的性能和精度直接影響導(dǎo)航和制導(dǎo)系統(tǒng)的精度。

簡(jiǎn)而言之，言而簡(jiǎn)之

室外

GPS——用于在室外能夠搜索到足夠衛(wèi)星情況下的導(dǎo)航。

室內(nèi)

加速度計(jì)用于測(cè)量加速度，結(jié)合GPS所提供的初始速度，可以計(jì)算出現(xiàn)有的速度運(yùn)動(dòng)的距離。

陀螺儀用于測(cè)量設(shè)備的轉(zhuǎn)彎或坡度變化大小。

在GPS信號(hào)被阻擋或受到干擾而不能進(jìn)行定位的環(huán)境中，通過陀螺儀與加速度計(jì)就可以進(jìn)行另一種方式的導(dǎo)航，可以大幅提升定位導(dǎo)航的效率與準(zhǔn)確度。IPhone裝上陀螺儀與加速度計(jì)后，會(huì)帶動(dòng)一大批手機(jī)廠商的跟進(jìn)，這將會(huì)有力地推動(dòng)LBS服務(wù)的進(jìn)一步增長(zhǎng)。

三軸陀螺儀簡(jiǎn)介

三軸陀螺儀是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的核心敏感器件，其測(cè)量精度直接影響慣導(dǎo)系統(tǒng)的姿態(tài)解算的準(zhǔn)確性。因此，如何減小三軸陀螺儀的測(cè)量誤差，提高其測(cè)量精度，就成為了一個(gè)至關(guān)重要的問題[1] 。對(duì)于單軸陀螺儀來(lái)說，影響其靜態(tài)測(cè)量精度的主要因素是該傳感器的零偏誤差、刻度系數(shù)誤差和隨機(jī)漂移誤差; 但對(duì)于三軸陀螺儀來(lái)說，其測(cè)量結(jié)果的精度與構(gòu)成三軸陀螺儀的各單軸陀螺儀的零偏誤差、刻度系數(shù)誤差、隨機(jī)漂移誤差以及各單軸陀螺儀敏感軸之間的不正交安裝誤差相關(guān)。相比于單軸傳感器，三軸傳感器的校準(zhǔn)參數(shù)更多，校準(zhǔn)過程更為復(fù)雜。目前，陀螺儀的標(biāo)定通常采用位置標(biāo)定和速率標(biāo)定方法[2] ，這2 種方法具有原理簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、精度較高等優(yōu)點(diǎn)，但隨著標(biāo)定參數(shù)的增加，數(shù)據(jù)量劇增，耗時(shí)，且測(cè)試條件比較苛刻，需要高精度的測(cè)試設(shè)備，標(biāo)定結(jié)果取決于測(cè)試設(shè)備的精度; 此外，有采用系統(tǒng)級(jí)的標(biāo)定方法，利用慣性儀表的輸出直接進(jìn)行導(dǎo)航解算，利用導(dǎo)航解算誤差作為量測(cè)量來(lái)估算陀螺誤差參數(shù)，這種方法不需要精密的測(cè)試設(shè)備，通常采用濾波算法對(duì)誤差進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，但計(jì)算量大，可觀測(cè)性分析復(fù)雜，標(biāo)定時(shí)間較長(zhǎng)。因此，本文提出了一種基于橢球擬合的三軸陀螺儀的快速校準(zhǔn)方法。首先對(duì)三軸陀螺儀的制造誤差進(jìn)行全面的理論分析，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，然后根據(jù)橢球擬合算法，對(duì)包含制造誤差的三軸測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行橢球擬合，并對(duì)陀螺儀的制造誤差進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定與補(bǔ)償。

三軸陀螺儀應(yīng)用

三軸陀螺儀 角速傳感器還有加速度傳感器不一定是陀螺儀，也許是單純的加速度計(jì)呢。飛機(jī)、輪船或?qū)椫械闹甘緝x，其核心部分就是定向指示儀，它是一個(gè)裝在能自由轉(zhuǎn)向的小框架上的小飛輪(陀螺)。在這個(gè)裝置中，軸承的摩擦力矩很小，可以忽略不計(jì)。另一方面，剛體結(jié)構(gòu)高度對(duì)稱，其質(zhì)心集中在連桿中心處。這樣，當(dāng)飛輪繞自身對(duì)稱軸高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，無(wú)論如何改變框架的方位，其中心軸的空間取向都始終保持不變。(專業(yè)說法是：定向指示儀所受到的合外力矩為零，其角動(dòng)量守恒)這是定向指示儀的重要特性。

如果在飛機(jī)上裝上三個(gè)定向指示儀，并使三個(gè)小飛輪的自轉(zhuǎn)軸相互垂直，飛行員就可以通過飛輪軸相對(duì)于機(jī)身的指向來(lái)確定飛機(jī)的空間取向。船舶上裝上定向指示儀，海員可用它來(lái)確定海輪的航向。魚雷，火箭中也裝有定向指示儀，起到自動(dòng)導(dǎo)航的作用。在魚雷前進(jìn)的過程中，定向指示儀的軸線方向保持不變。當(dāng)魚雷因風(fēng)浪等影響，前進(jìn)方向改變時(shí)，魚雷的縱軸與定向指示儀之間就出現(xiàn)了偏差，這時(shí)可啟動(dòng)有關(guān)器械改變舵的角度，使魚雷回復(fù)到原來(lái)的前進(jìn)方向。火箭中，則采用改變噴氣方向的方法來(lái)校正飛行方向。

汽車級(jí)陀螺儀能提供精確的測(cè)量結(jié)果，可大幅提升汽車導(dǎo)航儀和遠(yuǎn)端資訊處理系統(tǒng)的航位推算(Dead-ReckoNIng)和/或地圖對(duì)照(Map-Matching)功能。在全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)衛(wèi)星訊號(hào)很差的室內(nèi)和高樓林立的區(qū)域，航位推算系統(tǒng)可彌補(bǔ)訊號(hào)消失的影響，代替衛(wèi)星檢測(cè)物體的動(dòng)作和高度。陀螺儀的精確測(cè)量資料還能提高地圖對(duì)照準(zhǔn)確度;地圖對(duì)照是在數(shù)位地圖的道路網(wǎng)路上描述衛(wèi)星或感測(cè)器觀測(cè)的用戶位置的動(dòng)作軌跡的過程，地圖對(duì)照被用于各種導(dǎo)航定位系統(tǒng)，包括交通流量分析和車輛行駛方向。

在工程上，陀螺儀是一種能夠精確地確定運(yùn)動(dòng)物體的方位的儀器，它是現(xiàn)代航空，航海，航天和國(guó)防工業(yè)中廣泛使用的一種慣性導(dǎo)航儀器，它的發(fā)展對(duì)一個(gè)國(guó)家的工業(yè)，國(guó)防和其它高科技的發(fā)展具有十分重要的戰(zhàn)略意義。傳統(tǒng)的慣性陀螺儀主要是指機(jī)械式的陀螺儀，機(jī)械式的陀螺儀對(duì)工藝結(jié)構(gòu)的要求很高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，它的精度受到了很多方面的制約。自從上個(gè)世紀(jì)七十年代以來(lái)，現(xiàn)代陀螺儀的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)全新的階段。1976年美國(guó)Utah大學(xué)的Vali和Shorthill提出了現(xiàn)代光纖陀螺儀的基本設(shè)想，到八十年代以后，現(xiàn)代光纖陀螺儀就得到了非常迅速的發(fā)展，與此同時(shí)激光諧振陀螺儀也有了很大的發(fā)展。由于光纖陀螺儀具有結(jié)構(gòu)緊湊，靈敏度高，工作可靠等等優(yōu)點(diǎn)，所以光纖陀螺儀在很多的領(lǐng)域已經(jīng)完全取代了機(jī)械式的傳統(tǒng)的陀螺儀，成為現(xiàn)代導(dǎo)航儀器中的關(guān)鍵部件。和光纖陀螺儀同時(shí)發(fā)展的除了環(huán)式激光陀螺儀外，還有現(xiàn)代集成式的振動(dòng)陀螺儀，集成式的振動(dòng)陀螺儀具有更高的集成度，體積更小，也是現(xiàn)代陀螺儀的一個(gè)重要的發(fā)展方向。

現(xiàn)代光纖陀螺儀包括干涉式陀螺儀和諧振式陀螺儀兩種，它們都是根據(jù)塞格尼克的理論發(fā)展起來(lái)的。塞格尼克理論的要點(diǎn)是這樣的：當(dāng)光束在一個(gè)環(huán)形的通道中前進(jìn)時(shí)，如果環(huán)形通道本身具有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)速度，那么光線沿著通道轉(zhuǎn)動(dòng)的方向前進(jìn)所需要的時(shí)間要比沿著這個(gè)通道轉(zhuǎn)動(dòng)相反的方向前進(jìn)所需要的時(shí)間要多。也就是說當(dāng)光學(xué)環(huán)路轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在不同的前進(jìn)方向上，光學(xué)環(huán)路的光程相對(duì)于環(huán)路在靜止時(shí)的光程都會(huì)產(chǎn)生變化。利用這種光程的變化，如果使不同方向上前進(jìn)的光之間產(chǎn)生干涉來(lái)測(cè)量環(huán)路的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，這樣就可以制造出干涉式光纖陀螺儀，如果利用這種環(huán)路光程的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)在環(huán)路中不斷循環(huán)的光之間的干涉，也就是通過調(diào)整光纖環(huán)路的光的諧振頻率進(jìn)而測(cè)量環(huán)路的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，就可以制造出諧振式的光纖陀螺儀。從這個(gè)簡(jiǎn)單的介紹可以看出，干涉式陀螺儀在實(shí)現(xiàn)干涉時(shí)的光程差小，所以它所要求的光源可以有較大的頻譜寬度，而諧振式的陀螺儀在實(shí)現(xiàn)干涉時(shí)，它的光程差較大，所以它所要求的光源必須有很好的單色性。

2010年，蘋果公司創(chuàng)新性地在新產(chǎn)品iPhone 4 中置入“三軸陀螺儀”，讓iPhone的方向感應(yīng)變得更加智能，從此手機(jī)也有了像飛機(jī)一樣的“感應(yīng)”，能夠知道自己“處在什么樣的位置”。

三軸陀螺儀手機(jī)應(yīng)用

兩家技術(shù)研究機(jī)構(gòu)對(duì)iPhone4內(nèi)新增的MEMS 陀螺儀進(jìn)行了詳細(xì)的拍照研究，挖出了iPhone4新增陀螺儀的一些奧秘之處，這些機(jī)構(gòu)同時(shí)還指出在蘋果的另外一款新產(chǎn)品iPad平板電腦中本來(lái)也計(jì)劃要 加入這種陀螺儀設(shè)計(jì)，不過后來(lái)由于某種原因放棄了這個(gè)計(jì)劃，但有可能在下一代iPad中會(huì)加

陀螺儀 入這種功能。(已在ipod touch第四代加入此功能。)

UBMTechInsights網(wǎng)站經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)iPhone4中所用的陀螺儀芯片其實(shí)是意法半導(dǎo)體公司的產(chǎn)品，這是一款三軸陀螺儀芯片，這家公司還同時(shí)為iPhone、和iPad產(chǎn)品提供加速度傳感器芯片。

TechInsights網(wǎng)站的高級(jí)分析師Steve Bitton則發(fā)現(xiàn)在蘋果iPad機(jī)型的主板上，有一個(gè)空出的芯片位，這個(gè)空位的面積正好與iPhone4中陀螺儀芯片的大小相符合，同時(shí)空位的位置也正好設(shè)在加速度傳感器芯片的旁邊，而且同樣靠近處理器芯片。

這個(gè)發(fā)現(xiàn)顯示蘋果原來(lái)本有計(jì)劃在iPad上設(shè)置這種三軸陀螺儀，不過他們最后放棄了這個(gè)計(jì)劃，也許將來(lái)他們會(huì)向iPad里加入這款芯片吧。

不過iPad主板上這個(gè)空位預(yù)留的針腳數(shù)目卻與意法半導(dǎo)體為iPhone4開發(fā)的陀螺儀芯片不相吻合，而與另外一家廠商 InvenSense開發(fā)的同類功能芯片相吻合[4] 。

Gyroscope

“當(dāng)蘋果iPad剛剛上市時(shí)，InvenSense還是市場(chǎng)上獨(dú)家能夠提供三軸數(shù)字型陀螺儀芯片的廠商，因此當(dāng)時(shí)蘋果可能打算選用這家廠商的芯片?？梢娞O果確實(shí)曾經(jīng)計(jì)劃在iPad中加入陀螺儀芯片，不過最后放棄了這個(gè)計(jì)劃而已?！?/span>

iFixit公司則更進(jìn)一步，對(duì)iPhone4的陀螺儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了拍照分析，他們也發(fā)現(xiàn)這款芯片是意法半導(dǎo)體公司的產(chǎn)品，芯片的外殼封裝上打有“ AGD1 2022 FP6AQ”的字樣。而這款MEMS(微電機(jī)系統(tǒng))陀螺儀芯片內(nèi)部集成有微型電機(jī)系統(tǒng)，可用于測(cè)量手機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向數(shù)據(jù)。

通過拍攝芯片的X光照片，研究人員發(fā)現(xiàn)這款芯片與意法半導(dǎo)體公司推出的 L3G4200D 非常相似，芯片內(nèi)部包含有一塊微型磁性體，可以在手機(jī)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的科里奧力作用下向X,Y,Z三個(gè)方向發(fā)生位移，利用這個(gè)原理便可以測(cè)出手機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向。而芯片核心中的另外一部分則可以將有關(guān)的傳感數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為iPhone4可以識(shí)別的數(shù)字格式