[科普中國]-三軸陀螺儀

簡介

三軸陀螺儀是慣性導航系統(tǒng)的核心敏感器件，其測量精度直接影響慣導系統(tǒng)的姿態(tài)解算的準確性。因此，如何減小三軸陀螺儀的測量誤差，提高其測量精度，就成為了一個至關重要的問題1。對于單軸陀螺儀來說，影響其靜態(tài)測量精度的主要因素是該傳感器的零偏誤差、刻度系數誤差和隨機漂移誤差; 但對于三軸陀螺儀來說，其測量結果的精度與構成三軸陀螺儀的各單軸陀螺儀的零偏誤差、刻度系數誤差、隨機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。相比于單軸傳感器，三軸傳感器的校準參數更多，校準過程更為復雜。目前，陀螺儀的標定通常采用位置標定和速率標定方法2，這2 種方法具有原理簡單、易于實現(xiàn)、精度較高等優(yōu)點，但隨著標定參數的增加，數據量劇增，耗時，且測試條件比較苛刻，需要高精度的測試設備，標定結果取決于測試設備的精度; 此外，有采用系統(tǒng)級的標定方法，利用慣性儀表的輸出直接進行導航解算，利用導航解算誤差作為量測量來估算陀螺誤差參數，這種方法不需要精密的測試設備，通常采用濾波算法對誤差進行參數估計，但計算量大，可觀測性分析復雜，標定時間較長。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方法。首先對三軸陀螺儀的制造誤差進行全面的理論分析，建立相應的數學模型，然后根據橢球擬合算法，對包含制造誤差的三軸測量數據進行橢球擬合，并對陀螺儀的制造誤差進行參數標定與補償3。

原理三軸陀螺儀最大的作用就是“測量角速度，以判別物體的運動狀態(tài)，所以也稱為運動傳感器“，換句話說，這東西可以讓我們的設備知道自己“在哪兒和去哪兒”（where they are or where they are going）！

加速傳感器

加速度計是慣性導航和慣性制導系統(tǒng)的基本測量元件之一，加速度計本質上是一個振蕩系統(tǒng)，安裝于運動載體的內部，可以用來測量載體的運動加速度。

MEMS類加速度計的工作原理是當加速度計連同外界物體（該物體的加速度就是待測的加速度）一起作加速運動時，質量塊就受到慣性力的作用向相反的方向運動。質量塊發(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現(xiàn)輔助GPS進行定位導航的呢

從MEMS陀螺儀的應用方向來看，陀螺儀能夠測量沿一個軸或幾個軸運動的角速度，可與MEMS加速度計（加速計）形成優(yōu)勢互補，如果組合使用加速度計和陀螺儀這兩種傳感器，設計者就能更好地跟蹤并捕捉三維空間的完整運動，為最終用戶提供現(xiàn)場感更強的用戶使用體驗、精確的導航系統(tǒng)以及其它功能。

要準確地描述線性（直線運動）和旋轉運動（有轉彎變化的運動），需要設計者同時用到陀螺儀和加速度計。

單純使用陀螺儀的方案可用于需要高分辨率和快速反應的旋轉檢測

單純使用加速度計的方案可用于有固定的重力參考坐標系、存在線性或傾斜運動但旋轉運動被限制在一定范圍內的應用。但同時處理直線運動和旋轉運動時，就需要使用加速度和陀螺儀計的方案。

此外，為讓設計和制作的陀螺儀具有較高的加速度和較低的機械噪聲，或為校正加速度計的旋轉誤差，一些廠商會使用磁力計來完成傳統(tǒng)上用陀螺儀實現(xiàn)的傳感功能，以完成相應定位，讓陀螺儀術業(yè)有專攻。這表明，混合的陀螺儀、加速度計或磁感應計結合的方案正成為MEMS陀螺儀技術應用的趨勢。若只使用傳統(tǒng)的加速度計，用戶得到的要么是反應敏捷的但噪聲較大的輸出，要么是反應慢但較純凈的輸出，而如將加速度計與陀螺儀相結合，就能得到既純凈又反應敏捷的輸出。

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

簡而言之，言而簡之

室外

GPS——用于在室外能夠搜索到足夠衛(wèi)星情況下的導航。

室內

加速度計用于測量加速度，結合GPS所提供的初始速度，可以計算出現(xiàn)有的速度運動的距離。

陀螺儀用于測量設備的轉彎或坡度變化大小。

在GPS信號被阻擋或受到干擾而不能進行定位的環(huán)境中，通過陀螺儀與加速度計就可以進行另一種方式的導航，可以大幅提升定位導航的效率與準確度。IPhone裝上陀螺儀與加速度計后，會帶動一大批手機廠商的跟進，這將會有力地推動LBS服務的進一步增長。

應用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呢。飛機、輪船或導彈中的指示儀，其核心部分就是定向指示儀，它是一個裝在能自由轉向的小框架上的小飛輪（陀螺）。在這個裝置中，軸承的摩擦力矩很小，可以忽略不計。另一方面，剛體結構高度對稱，其質心集中在連桿中心處。這樣，當飛輪繞自身對稱軸高速轉動時，無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，其角動量守恒）這是定向指示儀的重要特性。

如果在飛機上裝上三個定向指示儀，并使三個小飛輪的自轉軸相互垂直，飛行員就可以通過飛輪軸相對于機身的指向來確定飛機的空間取向。船舶上裝上定向指示儀，海員可用它來確定海輪的航向。魚雷，火箭中也裝有定向指示儀，起到自動導航的作用。在魚雷前進的過程中，定向指示儀的軸線方向保持不變。當魚雷因風浪等影響，前進方向改變時，魚雷的縱軸與定向指示儀之間就出現(xiàn)了偏差，這時可啟動有關器械改變舵的角度，使魚雷回復到原來的前進方向?；鸺校瑒t采用改變噴氣方向的方法來校正飛行方向。

汽車級陀螺儀能提供精確的測量結果，可大幅提升汽車導航儀和遠端資訊處理系統(tǒng)的航位推算(Dead-ReckoNIng)和/或地圖對照(Map-Matching)功能。在全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)衛(wèi)星訊號很差的室內和高樓林立的區(qū)域，航位推算系統(tǒng)可彌補訊號消失的影響，代替衛(wèi)星檢測物體的動作和高度。陀螺儀的精確測量資料還能提高地圖對照準確度;地圖對照是在數位地圖的道路網路上描述衛(wèi)星或感測器觀測的用戶位置的動作軌跡的過程，地圖對照被用于各種導航定位系統(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動物體的方位的儀器，它是現(xiàn)代航空，航海，航天和國防工業(yè)中廣泛使用的一種慣性導航儀器，它的發(fā)展對一個國家的工業(yè)，國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械式的陀螺儀，機械式的陀螺儀對工藝結構的要求很高，結構復雜，它的精度受到了很多方面的制約。自從上個世紀七十年代以來，現(xiàn)代陀螺儀的發(fā)展已經進入了一個全新的階段。1976年美國Utah大學的Vali和Shorthill提出了現(xiàn)代光纖陀螺儀的基本設想，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構緊湊，靈敏度高，工作可靠等等優(yōu)點，所以光纖陀螺儀在很多的領域已經完全取代了機械式的傳統(tǒng)的陀螺儀，成為現(xiàn)代導航儀器中的關鍵部件。和光纖陀螺儀同時發(fā)展的除了環(huán)式激光陀螺儀外，還有現(xiàn)代集成式的振動陀螺儀，集成式的振動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，它們都是根據塞格尼克的理論發(fā)展起來的。塞格尼克理論的要點是這樣的：當光束在一個環(huán)形的通道中前進時，如果環(huán)形通道本身具有一個轉動速度，那么光線沿著通道轉動的方向前進所需要的時間要比沿著這個通道轉動相反的方向前進所需要的時間要多。也就是說當光學環(huán)路轉動時，在不同的前進方向上，光學環(huán)路的光程相對于環(huán)路在靜止時的光程都會產生變化。利用這種光程的變化，如果使不同方向上前進的光之間產生干涉來測量環(huán)路的轉動速度，這樣就可以制造出干涉式光纖陀螺儀，如果利用這種環(huán)路光程的變化來實現(xiàn)在環(huán)路中不斷循環(huán)的光之間的干涉，也就是通過調整光纖環(huán)路的光的諧振頻率進而測量環(huán)路的轉動速度，就可以制造出諧振式的光纖陀螺儀。從這個簡單的介紹可以看出，干涉式陀螺儀在實現(xiàn)干涉時的光程差小，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現(xiàn)干涉時，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)新性地在新產品iPhone 4 中置入“三軸陀螺儀”，讓iPhone的方向感應變得更加智能，從此手機也有了像飛機一樣的“感應”，能夠知道自己“處在什么樣的位置”。

手機應用兩家技術研究機構對iPhone4內新增的MEMS 陀螺儀進行了詳細的拍照研究，挖出了iPhone4新增陀螺儀的一些奧秘之處，這些機構同時還指出在蘋果的另外一款新產品iPad平板電腦中本來也計劃要 加入這種陀螺儀設計，不過后來由于某種原因放棄了這個計劃，但有可能在下一代iPad中會加入這種功能。（已在ipod touch第四代加入此功能。）

UBMTechInsights網站經過研究發(fā)現(xiàn)iPhone4中所用的陀螺儀芯片其實是意法半導體公司的產品，這是一款三軸陀螺儀芯片，這家公司還同時為iPhone、和iPad產品提供加速度傳感器芯片。

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

這個發(fā)現(xiàn)顯示蘋果原來本有計劃在iPad上設置這種三軸陀螺儀，不過他們最后放棄了這個計劃，也許將來他們會向iPad里加入這款芯片吧。

不過iPad主板上這個空位預留的針腳數目卻與意法半導體為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

“當蘋果iPad剛剛上市時，InvenSense還是市場上獨家能夠提供三軸數字型陀螺儀芯片的廠商，因此當時蘋果可能打算選用這家廠商的芯片?？梢娞O果確實曾經計劃在iPad中加入陀螺儀芯片，不過最后放棄了這個計劃而已?！?/p>

iFixit公司則更進一步，對iPhone4的陀螺儀內部結構進行了拍照分析，他們也發(fā)現(xiàn)這款芯片是意法半導體公司的產品，芯片的外殼封裝上打有“ AGD1 2022 FP6AQ”的字樣。而這款MEMS（微電機系統(tǒng)）陀螺儀芯片內部集成有微型電機系統(tǒng)，可用于測量手機的運動方向數據。

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體公司推出的 L3G4200D 非常相似，芯片內部包含有一塊微型磁性體，可以在手機進行旋轉運動時產生的科里奧力作用下向X,Y,Z三個方向發(fā)生位移，利用這個原理便可以測出手機的運動方向。而芯片核心中的另外一部分則可以將有關的傳感數據轉換為iPhone4可以識別的數字格式4。