[科普中国]-三轴陀螺仪

简介

三轴陀螺仪是惯性导航系统的核心敏感器件，其测量精度直接影响惯导系统的姿态解算的准确性。因此，如何减小三轴陀螺仪的测量误差，提高其测量精度，就成为了一个至关重要的问题1。对于单轴陀螺仪来说，影响其静态测量精度的主要因素是该传感器的零偏误差、刻度系数误差和随机漂移误差; 但对于三轴陀螺仪来说，其测量结果的精度与构成三轴陀螺仪的各单轴陀螺仪的零偏误差、刻度系数误差、随机漂移误差以及各单轴陀螺仪敏感轴之间的不正交安装误差相关。相比于单轴传感器，三轴传感器的校准参数更多，校准过程更为复杂。目前，陀螺仪的标定通常采用位置标定和速率标定方法2，这2 种方法具有原理简单、易于实现、精度较高等优点，但随着标定参数的增加，数据量剧增，耗时，且测试条件比较苛刻，需要高精度的测试设备，标定结果取决于测试设备的精度; 此外，有采用系统级的标定方法，利用惯性仪表的输出直接进行导航解算，利用导航解算误差作为量测量来估算陀螺误差参数，这种方法不需要精密的测试设备，通常采用滤波算法对误差进行参数估计，但计算量大，可观测性分析复杂，标定时间较长。因此，本文提出了一种基于椭球拟合的三轴陀螺仪的快速校准方法。首先对三轴陀螺仪的制造误差进行全面的理论分析，建立相应的数学模型，然后根据椭球拟合算法，对包含制造误差的三轴测量数据进行椭球拟合，并对陀螺仪的制造误差进行参数标定与补偿3。

原理三轴陀螺仪最大的作用就是“测量角速度，以判别物体的运动状态，所以也称为运动传感器“，换句话说，这东西可以让我们的设备知道自己“在哪儿和去哪儿”（where they are or where they are going）！

加速传感器

加速度计是惯性导航和惯性制导系统的基本测量元件之一，加速度计本质上是一个振荡系统，安装于运动载体的内部，可以用来测量载体的运动加速度。

MEMS类加速度计的工作原理是当加速度计连同外界物体（该物体的加速度就是待测的加速度）一起作加速运动时，质量块就受到惯性力的作用向相反的方向运动。质量块发生的位移受到弹簧和阻尼器的限制，通过输出电压就能测得外界的加速度大小。

三轴陀螺仪与加速传感器配合是如何实现辅助GPS进行定位导航的呢

从MEMS陀螺仪的应用方向来看，陀螺仪能够测量沿一个轴或几个轴运动的角速度，可与MEMS加速度计（加速计）形成优势互补，如果组合使用加速度计和陀螺仪这两种传感器，设计者就能更好地跟踪并捕捉三维空间的完整运动，为最终用户提供现场感更强的用户使用体验、精确的导航系统以及其它功能。

要准确地描述线性（直线运动）和旋转运动（有转弯变化的运动），需要设计者同时用到陀螺仪和加速度计。

单纯使用陀螺仪的方案可用于需要高分辨率和快速反应的旋转检测

单纯使用加速度计的方案可用于有固定的重力参考坐标系、存在线性或倾斜运动但旋转运动被限制在一定范围内的应用。但同时处理直线运动和旋转运动时，就需要使用加速度和陀螺仪计的方案。

此外，为让设计和制作的陀螺仪具有较高的加速度和较低的机械噪声，或为校正加速度计的旋转误差，一些厂商会使用磁力计来完成传统上用陀螺仪实现的传感功能，以完成相应定位，让陀螺仪术业有专攻。这表明，混合的陀螺仪、加速度计或磁感应计结合的方案正成为MEMS陀螺仪技术应用的趋势。若只使用传统的加速度计，用户得到的要么是反应敏捷的但噪声较大的输出，要么是反应慢但较纯净的输出，而如将加速度计与陀螺仪相结合，就能得到既纯净又反应敏捷的输出。

利用已知的GPS测量等等的初始速度，对加速度积分，就可知道载体的速度和位置等信息。因此，加速度计的性能和精度直接影响导航和制导系统的精度。

简而言之，言而简之

室外

GPS——用于在室外能够搜索到足够卫星情况下的导航。

室内

加速度计用于测量加速度，结合GPS所提供的初始速度，可以计算出现有的速度运动的距离。

陀螺仪用于测量设备的转弯或坡度变化大小。

在GPS信号被阻挡或受到干扰而不能进行定位的环境中，通过陀螺仪与加速度计就可以进行另一种方式的导航，可以大幅提升定位导航的效率与准确度。IPhone装上陀螺仪与加速度计后，会带动一大批手机厂商的跟进，这将会有力地推动LBS服务的进一步增长。

应用角速传感器还有加速度传感器不一定是陀螺仪，也许是单纯的加速度计呢。飞机、轮船或导弹中的指示仪，其核心部分就是定向指示仪，它是一个装在能自由转向的小框架上的小飞轮（陀螺）。在这个装置中，轴承的摩擦力矩很小，可以忽略不计。另一方面，刚体结构高度对称，其质心集中在连杆中心处。这样，当飞轮绕自身对称轴高速转动时，无论如何改变框架的方位，其中心轴的空间取向都始终保持不变。（专业说法是：定向指示仪所受到的合外力矩为零，其角动量守恒）这是定向指示仪的重要特性。

如果在飞机上装上三个定向指示仪，并使三个小飞轮的自转轴相互垂直，飞行员就可以通过飞轮轴相对于机身的指向来确定飞机的空间取向。船舶上装上定向指示仪，海员可用它来确定海轮的航向。鱼雷，火箭中也装有定向指示仪，起到自动导航的作用。在鱼雷前进的过程中，定向指示仪的轴线方向保持不变。当鱼雷因风浪等影响，前进方向改变时，鱼雷的纵轴与定向指示仪之间就出现了偏差，这时可启动有关器械改变舵的角度，使鱼雷回复到原来的前进方向。火箭中，则采用改变喷气方向的方法来校正飞行方向。

汽车级陀螺仪能提供精确的测量结果，可大幅提升汽车导航仪和远端资讯处理系统的航位推算(Dead-ReckoNIng)和/或地图对照(Map-Matching)功能。在全球卫星定位系统(GPS)卫星讯号很差的室内和高楼林立的区域，航位推算系统可弥补讯号消失的影响，代替卫星检测物体的动作和高度。陀螺仪的精确测量资料还能提高地图对照准确度;地图对照是在数位地图的道路网路上描述卫星或感测器观测的用户位置的动作轨迹的过程，地图对照被用于各种导航定位系统，包括交通流量分析和车辆行驶方向。

在工程上，陀螺仪是一种能够精确地确定运动物体的方位的仪器，它是现代航空，航海，航天和国防工业中广泛使用的一种惯性导航仪器，它的发展对一个国家的工业，国防和其它高科技的发展具有十分重要的战略意义。传统的惯性陀螺仪主要是指机械式的陀螺仪，机械式的陀螺仪对工艺结构的要求很高，结构复杂，它的精度受到了很多方面的制约。自从上个世纪七十年代以来，现代陀螺仪的发展已经进入了一个全新的阶段。1976年美国Utah大学的Vali和Shorthill提出了现代光纤陀螺仪的基本设想，到八十年代以后，现代光纤陀螺仪就得到了非常迅速的发展，与此同时激光谐振陀螺仪也有了很大的发展。由于光纤陀螺仪具有结构紧凑，灵敏度高，工作可靠等等优点，所以光纤陀螺仪在很多的领域已经完全取代了机械式的传统的陀螺仪，成为现代导航仪器中的关键部件。和光纤陀螺仪同时发展的除了环式激光陀螺仪外，还有现代集成式的振动陀螺仪，集成式的振动陀螺仪具有更高的集成度，体积更小，也是现代陀螺仪的一个重要的发展方向。

现代光纤陀螺仪包括干涉式陀螺仪和谐振式陀螺仪两种，它们都是根据塞格尼克的理论发展起来的。塞格尼克理论的要点是这样的：当光束在一个环形的通道中前进时，如果环形通道本身具有一个转动速度，那么光线沿着通道转动的方向前进所需要的时间要比沿着这个通道转动相反的方向前进所需要的时间要多。也就是说当光学环路转动时，在不同的前进方向上，光学环路的光程相对于环路在静止时的光程都会产生变化。利用这种光程的变化，如果使不同方向上前进的光之间产生干涉来测量环路的转动速度，这样就可以制造出干涉式光纤陀螺仪，如果利用这种环路光程的变化来实现在环路中不断循环的光之间的干涉，也就是通过调整光纤环路的光的谐振频率进而测量环路的转动速度，就可以制造出谐振式的光纤陀螺仪。从这个简单的介绍可以看出，干涉式陀螺仪在实现干涉时的光程差小，所以它所要求的光源可以有较大的频谱宽度，而谐振式的陀螺仪在实现干涉时，它的光程差较大，所以它所要求的光源必须有很好的单色性。

2010年，苹果公司创新性地在新产品iPhone 4 中置入“三轴陀螺仪”，让iPhone的方向感应变得更加智能，从此手机也有了像飞机一样的“感应”，能够知道自己“处在什么样的位置”。

手机应用两家技术研究机构对iPhone4内新增的MEMS 陀螺仪进行了详细的拍照研究，挖出了iPhone4新增陀螺仪的一些奥秘之处，这些机构同时还指出在苹果的另外一款新产品iPad平板电脑中本来也计划要 加入这种陀螺仪设计，不过后来由于某种原因放弃了这个计划，但有可能在下一代iPad中会加入这种功能。（已在ipod touch第四代加入此功能。）

UBMTechInsights网站经过研究发现iPhone4中所用的陀螺仪芯片其实是意法半导体公司的产品，这是一款三轴陀螺仪芯片，这家公司还同时为iPhone、和iPad产品提供加速度传感器芯片。

TechInsights网站的高级分析师Steve Bitton则发现在苹果iPad机型的主板上，有一个空出的芯片位，这个空位的面积正好与iPhone4中陀螺仪芯片的大小相符合，同时空位的位置也正好设在加速度传感器芯片的旁边，而且同样靠近处理器芯片。

这个发现显示苹果原来本有计划在iPad上设置这种三轴陀螺仪，不过他们最后放弃了这个计划，也许将来他们会向iPad里加入这款芯片吧。

不过iPad主板上这个空位预留的针脚数目却与意法半导体为iPhone4开发的陀螺仪芯片不相吻合，而与另外一家厂商 InvenSense开发的同类功能芯片相吻合4。

Gyroscope

“当苹果iPad刚刚上市时，InvenSense还是市场上独家能够提供三轴数字型陀螺仪芯片的厂商，因此当时苹果可能打算选用这家厂商的芯片。可见苹果确实曾经计划在iPad中加入陀螺仪芯片，不过最后放弃了这个计划而已。”

iFixit公司则更进一步，对iPhone4的陀螺仪内部结构进行了拍照分析，他们也发现这款芯片是意法半导体公司的产品，芯片的外壳封装上打有“ AGD1 2022 FP6AQ”的字样。而这款MEMS（微电机系统）陀螺仪芯片内部集成有微型电机系统，可用于测量手机的运动方向数据。

通过拍摄芯片的X光照片，研究人员发现这款芯片与意法半导体公司推出的 L3G4200D 非常相似，芯片内部包含有一块微型磁性体，可以在手机进行旋转运动时产生的科里奥力作用下向X,Y,Z三个方向发生位移，利用这个原理便可以测出手机的运动方向。而芯片核心中的另外一部分则可以将有关的传感数据转换为iPhone4可以识别的数字格式4。