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MEMS陀螺仪的工作原理详细说明

2021年01月03日 17:42 ? 次阅读

陀螺仪是用来测量角速率的器件,在加速度功能基础上,可以进一步发展,构建陀螺仪。

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陀螺仪的内部原理是这样的:对固定指施加电压,并交替改变电压,让一个质量块做振荡式来回运动,当旋转时,会产生科里奥利加速度,此时就可以对其进行测量;这有点类似于加速度计,解码方法大致相同,都会用到放大器

角速率由科氏加速度测量结果决定

-科氏加速度=2×(w×质量块速度)

-w是施加的角速率(w=2πf)

通过14kHz共振结构施加的速度(周期性运动)快速耦合到加速度计框架

-科氏加速度与谐振器具有相同的频率和相位,因此可以抵消低速外部振动

机械系统的结构与加速度计相似(微加工多晶硅)

信号调理(电压转换偏移)采用与加速度计类似的技术

施加变化的电压来回移动器件,此时器件只有水平运动没有垂直运动。如果施加旋转,可以看到器件会上下移动,外部指将感知该运动,从而就能拾取到与旋转相关的信号。

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上面的动画,只是抽象展示了陀螺仪的工作原理,而真实的陀螺仪内部构造是下面这个样子,别不小心误会了哦~

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PS:陀螺仪可以三个一起设计,分别对应于所谓滚动、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,滚动是指向左或向右翻滚。要正确控制任何类型的航空器或导弹,都需要知道这三个参数,这就会用到陀螺仪。它们还常常用于汽车导航,当汽车进入隧道而失去GPS信号时,这些器件会记录您的行踪。

无人机在飞行作业时,获取的无人机影像通常会携带配套的POS数据。从而在处理中可以更加方便的处理影像。而POS数据主要包括GPS数据和IMU数据,即倾斜摄影测量中的外方位元素:(纬度、经度、高程、航向角(Phi)、俯仰角(Omega)及翻滚角(Kappa))。

GPS数据一般用X、Y、Z表示,代表了飞机在飞行中曝光点时刻的地理位置。

飞控是由主控MCU和惯性测量模块(IMU,InerTIalMeasurementUnit)组成。IMU提供飞行器在空间姿态的传感器原始数据,一般由陀螺仪传感器/加速度传感器/电子罗盘提供飞行器9DOF数据。

IMU中的传感器用来感知飞行器在空中的姿态和运动状态,这有个专有名词叫做运动感测追踪,英文MoTIonTracking。运动感测技术主要有四种基础运动传感器,下面分别说明其进行运动感测追踪的原理。

微机电系统(MEMS)

IMU中使用的传感器基本上都是微机电系统(MEMS),是半导体工业中非常重要的一个分支。

微机电系统(MEMS,Micro-Electro-MechanicalSystem)是一种先进的制造技术平台。微机电系统是微米大小的机械系统,是以半导体制造技术为基础发展起来的。

我们的四轴飞行器上用到的加速度陀螺仪MPU6050,电子罗盘HMC5883L都是微机电系统,属于传感MEMS分支。传感MEMS技术是指用微电子微机械加工出来的、用敏感元件如电容、压电、压阻、热电耦、谐振、隧道电流等来感受转换电信号的器件和系统。

加速器(G-sensors)

加速器可用来感测线性加速度与倾斜角度,单一或多轴加速器可感应结合线性与重力加速度的幅度与方向。含加速器的产品,可提供有限的运动感测功能。

加速度计的低频特性好,可以测量低速的静态加速度。在我们的飞行器上,就是对重力加速度g(也就是前面说的静态加速度)的测量和分析,其它瞬间加速度可以忽略。记住这一点对姿态解算融合理解非常重要。

当我们把加速度计拿在手上随意转动时,我们看的是重力加速度在三个轴上的分量值。加速度计在自由落体时,其输出为0。为什么会这样呢?这里涉及到加速度计的设计原理:加速度计测量加速度是通过比力来测量,而不是通过加速度。

陀螺仪(Gyros)

陀螺仪是利用高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或二个轴的角运动检测装置。利用其他原理制成的角运动检测装置起同样功能的也称陀螺仪。

陀螺仪可感测一轴或多轴的旋转角速度,可精准感测自由空间中的复杂移动动作,因此,陀螺仪成为追踪物体移动方位与旋转动作的必要运动传感器。不像加速器与电子罗盘,陀螺仪不须借助任何如重力或磁场等的外在力量,能够自主性的发挥其功能。所以,从理论上讲只用陀螺仪是可以完成姿态导航的任务的。

陀螺仪的特性就是高频特性好,可以测量高速的旋转运动。缺点是存在零点漂移,容易受温度/加速度等的影响。

电子罗盘(E-Compasses)

电子罗盘也叫数字指南针,磁力计,是利用地磁场来定北极的一种方法。现在一般有用磁阻传感器和磁通门加工而成的电子罗盘。

电子罗盘可由地球的磁场来感测方向。运用电子罗盘的消费性电子产品应用,包含在手机的地图应用程序显示正确方向,或为导航应用程序提供前进方向数据。然而,电子设备或建筑材料的磁场干扰,比地球磁场来得强,导致电子罗盘传感器的输出值,较容易受到各种环境因素的影响,尤其在室内更是如此,因此,电子罗盘须要透过频繁的校正,才能维持前进方向数据的准确度。

压力传感器(Barometers

压力传感器又叫做气压计,会藉由气压的变化来感测物体的相对与绝对高度,常被运用于与运动、健身、方位推测等应用有关的消费性产品中,例如,可感测使用者的移动层楼,调整地图信息。

IMU数据主要包含了:航向角(Phi)、俯仰角(Omega)及翻滚角(Kappa)三个数据。

1、航向角(Phi)

航向角英文缩写是:Phi。定义为:飞机和航天飞机的纵轴与地球北极之间的夹角。

示意图如下图所示:

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2、俯仰角(Omega)

俯仰角英文缩写是:Omega。定义为:平行于机身轴线并指向飞行器前方的向量与地面的夹角。

示意图如下:

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3、翻滚角(Kappa)

翻滚角又叫侧滚角,英文缩写是Kappa。定义为:光轴与十周之间的夹角。

示意图如下图所示:

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