陀螺儀的“多樣人生”

如果給手機(jī)內(nèi)部器件做一個(gè)投票，陀螺儀傳感器很有希望當(dāng)選“知名度最低的器件”。但是，如果一部手機(jī)沒(méi)有陀螺儀，那它的功能性和娛樂(lè)性將下降數(shù)個(gè)檔次。舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，如果沒(méi)有陀螺儀傳感器，熱門手機(jī)游戲《絕地求生》將沒(méi)有任何體感操作，你的方向轉(zhuǎn)換只能通過(guò)手動(dòng)按鍵來(lái)操作。

陀螺儀傳感器進(jìn)化史

陀螺儀，又叫角速度傳感器，是一個(gè)簡(jiǎn)單易用的基于自由空間移動(dòng)和手勢(shì)的定位和控制系統(tǒng)，其原理就是，一個(gè)旋轉(zhuǎn)物體的旋轉(zhuǎn)軸所指的方向在不受外力影響時(shí)，是不會(huì)改變的。陀螺儀是現(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。

自從 19 世紀(jì)中期被發(fā)明之后，陀螺儀經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的演進(jìn)過(guò)程，在 1976 年之前都是機(jī)械結(jié)構(gòu)的陀螺儀。最早的陀螺儀是將一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的陀螺放到一個(gè)萬(wàn)向支架上，靠陀螺的方向來(lái)計(jì)算角速度，其結(jié)構(gòu)如下圖所示：

機(jī)械結(jié)構(gòu)的陀螺儀在飛機(jī)、導(dǎo)彈和航海等場(chǎng)景中被用于導(dǎo)航，通過(guò)陀螺儀確定方向和角速度，再結(jié)合加速度計(jì)測(cè)試加速度，就可以計(jì)算出飛行路線或者航向。不過(guò)，機(jī)械結(jié)構(gòu)的陀螺儀對(duì)于制造工藝要求很高，結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，因此精度上受到了很多限制。

航向陀螺儀結(jié)構(gòu)原理圖

1976 年，科學(xué)家提出了現(xiàn)代光纖陀螺儀的基本設(shè)想，到二十世紀(jì)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)，激光陀螺儀也取得了積極進(jìn)展。不過(guò)，相較而言光纖陀螺儀沒(méi)有閉鎖問(wèn)題，且不用在石英塊精密加工出光路，成本相對(duì)較低，因此光纖陀螺儀速度取代了機(jī)械陀螺儀在航空、航海、航天和國(guó)防工業(yè)中地位。

在陀螺儀技術(shù)不斷演進(jìn)的情況下，一項(xiàng)對(duì)傳感器至關(guān)重要的技術(shù)——MEMS 同樣在推進(jìn)自己的商業(yè)化進(jìn)程，兩者的結(jié)合讓陀螺儀開(kāi)始適用于消費(fèi)電子領(lǐng)域。MEMS 陀螺儀采用的是依賴于相互正交的震動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)引起的交變科里奧利力，其原理是對(duì)固定值施加電壓，并交替改變電壓，讓一個(gè)質(zhì)量塊做振蕩式來(lái)回運(yùn)動(dòng)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生科里奧利加速度，此時(shí)就可以對(duì)其進(jìn)行測(cè)量。

科里奧利效應(yīng)

由于實(shí)現(xiàn)的方式類似于加速度計(jì)，很多人也將 MEMS 陀螺儀稱為加速度傳感器的升級(jí)版。區(qū)別在于加速度傳感器能檢測(cè)和感應(yīng)某一軸向的線性動(dòng)作，而陀螺儀能檢測(cè)和感應(yīng) 3D 空間的線性和動(dòng)作，從而能夠辨認(rèn)方向、確認(rèn)姿態(tài)、計(jì)算角速度。

MEMS 陀螺儀的重要參數(shù)

MEMS 傳感器只所以能夠在在很小的芯片體積下較為精準(zhǔn)的測(cè)量角速率，實(shí)則是通過(guò)音叉機(jī)制共振運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)，結(jié)合科里奧利力原理將角速率轉(zhuǎn)化成為可以測(cè)量的電容量。以下圖做演示，當(dāng)外部施加角速度之后，就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)科里奧利力，力的方向垂直于質(zhì)量運(yùn)動(dòng)方向，如垂直方向箭頭所示。產(chǎn)生的科氏力使感測(cè)質(zhì)量發(fā)生位移，位移大小與所施加的角速率大小成正比。因?yàn)楦袦y(cè)器感測(cè)部分的動(dòng)電極（轉(zhuǎn)子）位于固定電極（定子）的側(cè)邊，上面的位移將會(huì)在定子和轉(zhuǎn)子之間引起電容變化。最后通過(guò)專用電路測(cè)量電容值就可以得到相應(yīng)的角速率了。
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接下來(lái)我們挑選一款艾睿電子官網(wǎng) -Arrow.cn在售的 ADXRS624BBGZ 為例來(lái)分析一款 MEMS 陀螺儀。

ADXRS624BBGZ規(guī)格參數(shù)如下表所示：

可以看到，一款陀螺儀有很多參數(shù)指標(biāo)，首先要學(xué)會(huì)理解 MEMS 陀螺儀的主要參數(shù)：

·電源（V）：這個(gè)參數(shù)規(guī)定了陀螺儀正常工作所需的直流電源電壓范圍。

·電源電流 (mA)：這個(gè)參數(shù)規(guī)定了陀螺儀正常工作所消耗的電流大小。

·睡眠模式電源電流 (mA)：這個(gè)參數(shù)規(guī)定了陀螺儀在睡眠模式下所消耗的電流大小。

·關(guān)機(jī)模式下的電源電流(μA)：這個(gè)參數(shù)規(guī)定了當(dāng)陀螺儀電源關(guān)閉時(shí)所消耗的電流大小。

·全量程 (dps)：這個(gè)參數(shù)規(guī)定了陀螺儀的量程范圍。

·零速率輸出值(電壓或最低效位)：這個(gè)參數(shù)規(guī)定了當(dāng)陀螺儀沒(méi)有被施加角速率時(shí)的零速率輸出信號(hào)的數(shù)值。

·靈敏度 (mV/dps 或 dps/LSB)：這個(gè)參數(shù)規(guī)定了在零速率輸出值時(shí) 1 dps 與模擬陀螺儀輸出電壓變化的關(guān)系，用 mV/dps 表示；數(shù)字陀螺儀的靈敏度(dps/LSB)表示 1 個(gè)最低有效位與 dps 的關(guān)系。

·靈敏度變化與溫度關(guān)系(%/°C)：這個(gè)參數(shù)規(guī)定了當(dāng)溫度偏離 25℃室溫時(shí)，以℃為單位的靈敏度百分比變化。

·零速率輸出值變化與溫度關(guān)系(dps/℃)：這個(gè)參數(shù)規(guī)定了當(dāng)溫度偏離 25℃室溫時(shí)，以℃為單位的零速率輸出值的變化。

·非線性 (% FS)：這個(gè)參數(shù)規(guī)定了陀螺儀輸出與最佳匹配直線之間的最大誤差占全量程(FS) 的百分比。

·系統(tǒng)帶寬(Hz):這個(gè)參數(shù)規(guī)定了角速率信號(hào)頻率范圍：從直流到模擬陀螺儀可測(cè)量的內(nèi)部帶寬（BW）。

·速率噪聲密度 (dps/√Hz):這個(gè)參數(shù)規(guī)定了能夠從陀螺儀輸出以及 BW 參數(shù)獲得的模擬陀螺儀和數(shù)字陀螺儀的標(biāo)準(zhǔn)分辨率。

·自測(cè) (mV or dps)：這個(gè)功能可用于測(cè)試陀螺儀工作是否正常。這個(gè)功能的好處是在陀螺儀安裝到印刷電路板后無(wú)需旋轉(zhuǎn)印刷電路板即可測(cè)試陀螺儀。

其中，誤差是影響 MEMS 陀螺儀性能的關(guān)鍵因素，在 MEMS 陀螺儀的多個(gè)可能會(huì)引起誤差的因素中，偏置不穩(wěn)定性與較高頻率的噪聲變量（角度隨機(jī)游走“ARW”）成為引起陀螺儀漂移的兩個(gè)主要原因。

·偏置不穩(wěn)定性
陀螺儀會(huì)受偏置不穩(wěn)定性影響，由于器件固有的不足和噪聲，陀螺儀的初始零點(diǎn)讀數(shù)會(huì)隨時(shí)間漂移。偏置可重復(fù)性可以在慣性測(cè)量單元(IMU)的已知溫度范圍內(nèi)進(jìn)行校準(zhǔn)。與提供增強(qiáng)性能的分立器件相比，慣性測(cè)量單元(IMU)具有多方面優(yōu)勢(shì)。六自由度 IMU 由多個(gè)慣性 MEMS 傳感器組成，這些傳感器經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償和校準(zhǔn)，對(duì)齊在正交軸上。

然而，恒定偏置不穩(wěn)定性的積分會(huì)引起角度誤差。此類誤差會(huì)隨著陀螺儀旋轉(zhuǎn)或角度估計(jì)的長(zhǎng)期漂移而累積。漂移的不良后果是航向計(jì)算的誤差會(huì)持續(xù)增加而不減退。加速度計(jì)則相反，其對(duì)振動(dòng)和其他非重力加速度敏感。

·角度隨機(jī)游走（ARW）
光學(xué)陀螺具有速率積分的特性，由角速率隨機(jī)白噪聲積分引起的誤差角增量具有隨機(jī)游動(dòng)的特性，這一誤差被稱為光學(xué)陀螺的角度隨機(jī)游走(ARW)。?

這一誤差的主要來(lái)源是：光子的自發(fā)輻射、探測(cè)器的散粒噪聲、機(jī)械抖動(dòng)；另外，其它相關(guān)時(shí)間比采樣時(shí)間短得多的高頻噪聲，也引起光學(xué)陀螺的角度隨機(jī)游走。

對(duì)于采用抖動(dòng)偏頻的激光陀螺來(lái)說(shuō)，由于交變偏頻使激光陀螺頻繁通過(guò)鎖區(qū)，產(chǎn)生較大的角度隨機(jī)游走誤差，該誤差成為激光陀螺的主要誤差源。角度隨機(jī)游走噪聲的帶寬一般低于 10Hz，處于大多數(shù)姿態(tài)控制系統(tǒng)的帶寬之內(nèi)。因此，若不能精確確定角度隨機(jī)游走，它有可能成為限制姿態(tài)控制系統(tǒng)精度的主要誤差源。

總之，在理想情況下，校正陀螺儀漂移需要兩個(gè)基準(zhǔn)。

（1）一開(kāi)始便在設(shè)計(jì)中使用偏置不穩(wěn)定性最小的先進(jìn) IMU，可以最直接地降低陀螺儀漂移。九自由度 IMU 通常會(huì)提供額外的磁力計(jì)傳感器——大約三軸。磁力計(jì)檢測(cè)磁場(chǎng)相對(duì)于地磁北極的強(qiáng)度。此類傳感器可以與加速度計(jì)數(shù)據(jù)一同使用，作為另一個(gè)外部基準(zhǔn)，用來(lái)降低陀螺儀漂移誤差對(duì)偏航軸的影響。然而，設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)目臻g磁力計(jì)可能不如加速度計(jì)可靠，因?yàn)橛泻芏鄸|西會(huì)產(chǎn)生與地磁大小差不多的磁場(chǎng)。

（2）另一種更有效的長(zhǎng)期漂移消除方法是對(duì)陀螺儀實(shí)施零角速度更新。只要知道器件處于完全靜止?fàn)顟B(tài)，便可將相應(yīng)軸的陀螺儀偏移歸零。因具體應(yīng)用不同，這樣的機(jī)會(huì)有很大差異。但只要系統(tǒng)處于重復(fù)出現(xiàn)的安靜狀態(tài)，例如汽車怠速、自主機(jī)器人靜止或人跨腳步之間的時(shí)間，就可以進(jìn)行歸零調(diào)整。

MEMS 傳感器的集成化趨勢(shì)

MEMS 陀螺儀是常見(jiàn)的一種傳感器，其具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高及測(cè)量范圍大等優(yōu)勢(shì)。目前，最為常見(jiàn)的 MEMS 陀螺儀就是應(yīng)用到無(wú)人機(jī)、智能手機(jī)、汽車及物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。

下面，就以無(wú)人機(jī)的飛控系統(tǒng)為例，來(lái)介紹 MEMS 陀螺儀集成加速度傳感器未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

MEMS 陀螺儀優(yōu)勢(shì)在于：(1)降低飛行器成本，促進(jìn)市場(chǎng)應(yīng)用蓬勃發(fā)展;(2)減少了無(wú)人機(jī)的重量，降低了功耗，提升了飛行時(shí)間;(3)通過(guò) MEMS 技術(shù)集成更多傳感器，有利于實(shí)現(xiàn)姿態(tài)的精確控制。

可以看到，MEMS 陀螺儀優(yōu)勢(shì)明顯，但也存在一定局限性。相比光纖陀螺儀、激光陀螺儀，MEMS 陀螺儀的零漂和精度較差都是其不足之處。

因此，集成化成為了 MEMS 陀螺儀的發(fā)展方向之一。

在飛控系統(tǒng)中，主要采用 MEMS 陀螺儀測(cè)量飛行過(guò)程中的俯仰角和滾轉(zhuǎn)角，但一般需要配合 MEMS 加速度計(jì)，因?yàn)槊糠N傳感器都有一定的局限性。

陀螺儀與加速計(jì)最大的不同是，陀螺儀的量測(cè)數(shù)據(jù)比較偏向斜度、偏航等動(dòng)態(tài)信息，在積分的過(guò)程中，由于零漂影響，必然會(huì)引進(jìn)累計(jì)誤差，積分時(shí)間越長(zhǎng)，誤差就越大。反而與重力、線性動(dòng)作感測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)關(guān)，陀螺儀多在偵測(cè)物體水平改變狀態(tài)時(shí)較能達(dá)到效用，無(wú)法如加速度計(jì)對(duì)于物體移動(dòng)或移動(dòng)動(dòng)能具較高的感測(cè)能力。那么，這就需要采用另一種 MEMS 加速度計(jì)來(lái)校正 MEMS 陀螺儀，由于 MEMS 加速度計(jì)沒(méi)有積分誤差，所以在相對(duì)靜止的條件下可以校正 MEMS 陀螺儀的誤差。兩者整合之后，應(yīng)用價(jià)值將大幅提升。

隨著 MEMS 技術(shù)不斷成熟，目前 MEMS 陀螺儀和加速度計(jì)已經(jīng)集成在一起，通常稱為 6 軸組合傳感器。在此涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括硬件(6 軸組合傳感器)和軟件(濾波算法、姿態(tài) / 導(dǎo)航算法等)兩部分。

艾睿電子官網(wǎng) -Arrow.cn在售的ADXC1501就是陀螺儀和三軸加速度計(jì)的組合，為電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的穩(wěn)定控制和其他高性能的應(yīng)用要求同時(shí)提供偏航率和加速度信號(hào)。

產(chǎn)品原理框圖如下：