什么是陀螺儀傳感器？

陀螺儀傳感器是檢測(cè)角速度的傳感器。

也稱為陀螺儀。角速度是指物體單位時(shí)間內(nèi)旋轉(zhuǎn)的物理量，是當(dāng)今需要精密、精確控制的工業(yè)機(jī)械產(chǎn)品中不可或缺的傳感器。

特別是在機(jī)器人、飛機(jī)、車身控制等領(lǐng)域，需要進(jìn)行考慮微小旋轉(zhuǎn)的反饋控制，通常使用陀螺儀傳感器。

陀螺儀傳感器的應(yīng)用

陀螺儀傳感器廣泛應(yīng)用于控制智能手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、游戲設(shè)備、航天工業(yè)、航空、汽車和工業(yè)機(jī)器人等領(lǐng)域。

陀螺儀傳感器的具體用途如下。

• 智能手機(jī)和數(shù)碼相機(jī)的防抖功能

• 雙足機(jī)器人的行走控制

• 飛機(jī)機(jī)身位置測(cè)量與控制

• VR游戲用戶的運(yùn)動(dòng)和位置測(cè)量

根據(jù)產(chǎn)品的不同，陀螺儀傳感器具有不同的特性，例如耐熱性、耐振性以及尺寸。因此，需要選擇使用陀螺儀傳感器的設(shè)備，同時(shí)考慮設(shè)備的控制精度和使用環(huán)境。

陀螺儀傳感器原理

陀螺儀傳感器的典型測(cè)量方法包括使用科里奧利力的振動(dòng)型和使用光的薩尼亞克效應(yīng)的光學(xué)型。

1. 振動(dòng)陀螺儀傳感器

振動(dòng)陀螺儀傳感器中使用的科里奧利力是旋轉(zhuǎn)物體運(yùn)動(dòng)時(shí)作用于其上的視在力。振動(dòng)型又可分為壓電型和電容型。

• 壓電法
  該方法將 旋轉(zhuǎn)振動(dòng)器中產(chǎn)生的電壓值測(cè)量為相當(dāng)于科里奧利力的物理量。

• 靜電電容法
  旋轉(zhuǎn)時(shí)的科里奧利力會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)器的左右檢測(cè)電極之間產(chǎn)生靜電電容差，因此該方法根據(jù)該靜電電容差來(lái)測(cè)量科里奧利力并計(jì)算角速度。

科里奧利力和角速度之間的關(guān)系可以用以下公式表示。

ω=F/2mv（ω：角速度，F(xiàn)：科里奧利力，m：物體質(zhì)量，v：移動(dòng)速度）

2.光學(xué)陀螺儀傳感器

光學(xué)陀螺儀傳感器中使用的薩尼亞克效應(yīng)的原理是，如果光線經(jīng)過(guò)的光路在運(yùn)動(dòng)，光路的長(zhǎng)度就會(huì)變長(zhǎng)。這種物理現(xiàn)象的發(fā)生是因?yàn)楣馑偈冀K恒定。在光學(xué)陀螺儀傳感器中，旋轉(zhuǎn)光本身會(huì)延長(zhǎng)光路，并且可以通過(guò)測(cè)量產(chǎn)生的相位差來(lái)計(jì)算角速度。

有關(guān)陀螺儀傳感器的其他信息

1. 陀螺儀傳感器校正方法

漂移校正
有多種因素可能導(dǎo)致陀螺儀傳感器輸出出現(xiàn)誤差。其中，必須要注意的一個(gè)特點(diǎn)就是“漂移”。漂移是指零點(diǎn)的漂移，本來(lái)是給定初始值的，初始值一點(diǎn)點(diǎn)偏移，增加了檢測(cè)誤差。

引起漂移的內(nèi)部因素是直流分量波動(dòng)（低頻波動(dòng)）和高頻噪聲的影響。直流分量的波動(dòng)稱為偏置不穩(wěn)定性，高頻噪聲稱為角度隨機(jī)游走。偏置不穩(wěn)定取決于電源電壓的穩(wěn)定性，因此可以通過(guò)檢查電源來(lái)改善。

角度隨機(jī)游走校正角度
隨機(jī)游走的校正方法取決于各公司的技術(shù)訣竅，但常用的校正方法是使用卡爾曼濾波器的校正。

卡爾曼濾波器是一種根據(jù)先前信息和當(dāng)前獲取的數(shù)據(jù)估計(jì)最合適的系統(tǒng)狀態(tài)的方法。這也可以描述為根據(jù)過(guò)去的信息和當(dāng)前獲得的信息估計(jì)隨時(shí)間變化的變量的原始狀態(tài)的問(wèn)題。將這些測(cè)量值和變量本身視為具有噪聲非常重要。

2.陀螺儀傳感器和加速度傳感器的區(qū)別

加速度傳感器是具有與陀螺儀傳感器類似的特性的傳感器之一。兩者有時(shí)會(huì)混淆，但其實(shí)是完全不同的。

顧名思義，加速度計(jì)是用于檢測(cè)加速度的傳感器。利用慣性力測(cè)量物體移動(dòng)速度的變化，并將其作為電信號(hào)輸出。加速度計(jì)的應(yīng)用范圍很廣，因?yàn)榭梢詮募铀俣戎蝎@得物體如何振動(dòng)和沖擊強(qiáng)度等信息。基本結(jié)構(gòu)類似于陀螺儀傳感器。

另一方面，如上所述，陀螺儀傳感器是用于檢測(cè)角速度的傳感器。科里奧利力可用于測(cè)量物體的運(yùn)動(dòng)（旋轉(zhuǎn)）以及方向和姿勢(shì)的變化，并將其作為電信號(hào)輸出。

3. 3軸、6軸、9軸兼容傳感器

如今，經(jīng)常用來(lái)描述慣性力檢測(cè)傳感器的術(shù)語(yǔ)包括三軸和六軸傳感器。每個(gè)傳感器對(duì)應(yīng)縱向、橫向、垂直加速度（3軸）和角速度（6軸），作為ADAS（汽車駕駛支持系統(tǒng)）和自動(dòng)駕駛技術(shù)不可或缺的車載傳感器。

以汽車導(dǎo)航系統(tǒng)為例，汽車導(dǎo)航系統(tǒng)同時(shí)配備了陀螺儀傳感器和加速度傳感器。陀螺儀傳感器檢測(cè)汽車的方向，加速度傳感器檢測(cè)行駛的距離，即使在惡劣的地方也能確定當(dāng)前位置。無(wú)線電波難以到達(dá)，例如在隧道中?？梢愿呔蕊@示。

這三個(gè)軸由橫滾、俯仰和偏航表示，并且可以使用這些軸來(lái)表達(dá)姿勢(shì)。特別是，對(duì)于滾動(dòng)和俯仰，作為誤差原因的漂移本身可以使用反饋電路來(lái)自行校正。此外，作為漂移校正的不同Ref，當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)除了6軸兼容傳感器之外還使用地磁傳感器，在這種情況下稱為9軸兼容傳感器。

4. MEMS兼容陀螺儀傳感器

陀螺儀傳感器用于顯示和控制涉及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)器的運(yùn)動(dòng)，但采用 MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）技術(shù)。MEMS技術(shù)是通過(guò)在半導(dǎo)體工業(yè)中開(kāi)發(fā)薄膜微加工技術(shù)而使用的。

與“光學(xué)”和“機(jī)械”類型不同，陀螺儀傳感器相對(duì)容易小型化和集成。MEMS傳感器內(nèi)置于許多設(shè)備中，包括智能手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備，因?yàn)樗鼈兣cASIC高度兼容，從而實(shí)現(xiàn)相對(duì)復(fù)雜的控制。

此外，陀螺儀傳感器所需的角速度檢測(cè)范圍根據(jù)應(yīng)用而不同。例如，智能手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備需要300至2000 dps（每秒度數(shù)，每秒旋轉(zhuǎn)角度）的范圍，而汽車導(dǎo)航系統(tǒng)等汽車設(shè)備則需要100至500 dps的范圍。

因此，在選擇傳感器時(shí)，需要根據(jù)設(shè)備的使用狀況來(lái)考慮多大的檢測(cè)范圍才足夠。