發布日期：2022-10-09 點擊率：119
慣性傳感器（陀螺儀、加速度計）的選取 第1張" title="加速傳感器 陀螺儀：關于慣性傳感器（陀螺儀、加速度計）的選取 第1張-傳感器知識網"/>
關于慣性傳感器（陀螺儀、加速度計）的選取
陀螺儀的選取加速度計的選取
陀螺儀的選取
在做慣性導航模塊或者飛控的時候第一件事就是器件的選取，這個是第一步也是很重要的一步，因為他不僅關系到硬件成本還關乎到你最終產品的性能。在選取器件的時候無外乎要關注如下幾個方面
1、傳感器的精度參數
2、傳感器對應的價格且是否好購買
3、對應的硬件設計難
陀螺儀性能參數
下面介紹幾個在陀螺儀選取過程中比較關注的幾指標
1.1 量程
量程是我們在選用傳感器的時候首先就要確定的！你選的傳感器的是用來干什么的，一般的飛控，慣導系統選擇在300度/s，450度/秒就可以了，其他的根據自己的使用場景做選擇，比如說一些高精度平臺要的量程小一點對應的精度會高一些。
1.2 零偏穩定性
零偏是指陀螺儀在零輸入狀態下的輸出，其用較長時間輸出的均值等效折算為輸入角速率來表示，也就是觀測值圍繞零偏的離散程度，比如0.005 degree/sec表示每秒會漂0.005 degree。在零輸入狀態下的長時間穩態輸出是一個平穩的隨機過程，即穩態輸出將圍繞均值（零偏）起伏和波動，習慣上用均方差來表示，這種均方差被定義為零偏穩定性。而初始零偏誤差可以理解為靜態誤差，它不會隨時間的波動，可以用過軟件校準。
1.3 刻度因子（標度因數）
是指陀螺儀輸出量與輸入角速率的比值。這個比值是用一特定的直線斜率表示的，該直線是根據整個輸入角速率范圍內測得的輸入、輸出數據，用最小二乘法擬合求得可以用過軟件校準。
1.4 角度隨機游走
當陀螺儀處于零輸入狀態時，脫落的輸出信號為白噪聲和慢變隨機函數的疊加。漫變隨機函數可用來確定零偏和零偏穩定性指標，白噪聲定義為單位檢測帶寬平方根下等價旋轉角速度的標準偏差，單位（degree/sec/√Hz 或 degree/hr/√Hz）。這個白噪聲也可以用單位為 degree/√Hz 的角度隨意游走系數來表示，隨機游走系數是指由白噪聲產生的隨時間積累的陀螺儀輸出誤差系數。當外界條件基本不變詩，可以認為上面所分析的各種噪聲的主要統計特性是不隨時間推移而變化的。
1.5 抗振性
對于陀螺儀的性能參數，大部分設計師第一個要關注的就是零偏穩定性，長久以來它被視為陀螺儀規格的絕對標準，畢竟它是描述陀螺儀分辨率的下限理所應當的是反應陀螺儀性能的最佳指標！然而實際中陀螺儀會因為各種原因出現誤差導致用戶無法獲得與實驗手冊上宣稱的指標參數。實際上很多性能參數都是可以在后續的校準算法中得到改善的如零偏，刻度因子，正交軸誤差，溫度漂移
選擇陀螺儀時，需要考慮將最大誤差源最小化。在大多數 應用中，振動敏感度是最大的誤差源。其它參數可以輕松 地通過校準或求取多個傳感器的平均值來改善。零偏穩定 性是誤差預算較小的分量之一。
在理想狀態下陀螺儀僅僅只需要測量旋轉速率，但在實際的應用中所有的陀螺都有儀都有一定的加速度敏感度，加速度敏感度有多種外在表現，最顯著的通常是對線加速度（g敏感度）或對振動的敏感度（g2 敏感度），由于多數陀螺儀應用所處的設備是繞地球的1g重力場運動和/或在其中旋轉，因此對加速度的敏感度常常是最大的誤差源。
成本極低的陀螺儀一般采用極其簡單緊湊的機械系統設 計，抗振性能未經優化(它優化的是成本)，因而振動可能 會造成嚴重影響。1000°/h/g(或0.3°/s/g)以上的g敏感度也不 足為奇，比高性能陀螺儀差10倍以上! 對于這種陀螺儀， 零偏穩定性的好壞并無多大意義，陀螺儀在地球的重力場 中稍有旋轉，就會因為g和g2敏感度而產生巨大的誤差。一 般而言，此類陀螺儀不規定振動敏感度——默認為非常大。
可以看一組ADI公司某款陀螺儀對振動的響應
當然在實際的一些應用中很多人會在器件中增加一個機械抗振件，抗振件的設計也不是一件簡單的事，因為它在寬頻率范圍內的響應并不是平坦的，在低頻時尤其差，并且其減震特性會隨著溫度和使用時間變化。
所以在大部分應用中陀螺儀的選取過程中抗振性是其中非常關鍵的指標了
加速度計的選取
加速度計能測量加速度，傾斜，振動或沖擊，因此適用于從可穿戴健身裝置到工業平臺穩定系統的廣泛應用，市場上有成百上千的加速度計可供選擇，其成本和性能各不相同。加速度計目前行業內還沒有給出具體的行業界定標準，下圖為ADI公司給出的加速度計一般分類及相應的應用
下圖為ADI公司給出的加速度計應用版圖
在加速度計的選取中要關注的幾個參數是：量程，噪聲密度，隨機游走，運動中的偏置穩定度，帶寬這幾個參數和陀螺儀的都差不多，注意下這個運動中的偏置穩定性，這個有些廠家文檔里面并沒有給出，可以使用allan方差來求的，具體方法可參考
在選取傳感器的時候我們經常會看到消費級，工業級這樣的字眼，ADI公司也給出了消費級加速度計和IMU中集成的中檔工業級加速度計的主要區別
工業級MEMS器件對所有已知潛在誤差源進行了全面的測定，精度比消費級高出一個數量級以上。
參考：
加速度傳感器和陀螺儀的區別
?
加速度計用于測量加速度。借助一個三軸加速
?
度計
可以測得一個固定平臺相對地球表面的運動方向，但是一旦平臺運動起來，情
?
況就會變
得復雜的多。如果平臺做自由落體，加速度計測得的加速度值為零。如果
?
平臺朝某個方
向做加速度運動，各個軸向加速度值會含有重力產生的加速度值，使
?
得無法獲得真正的
加速度值。
?
例如，安裝在
60
度橫滾角飛機上的三軸加速度計會
?
測得
2G
的垂直加速度值，而事實上飛機相對地區表面是
?
60
度的傾角。因此，單
?
獨使用加速度計無法使飛機保持一個固定的航向。飛機的橫滾角陀螺儀測量機體
?
圍繞某
個軸向的旋轉角速率值。使用陀螺儀測量飛機機體軸向的旋轉角速率時，如
?
果飛機在旋
轉，測得的值為非零值，飛機不旋轉時，測量的值為零。因此，在
?
60
?
度橫滾角的飛機上的陀螺儀測得的橫滾角速率值為零，同樣在飛機做水平直線飛行
?
時，
角速率值為零。可以通過角速率值的時間積分來估計當前的橫滾角度，前提是
?
沒有誤差
的累積。陀螺儀測量的值會隨時間漂移，經過幾分鐘甚至幾秒鐘定會累積
?
出額外的誤差
來，而最終會導致對飛機當前相對水平
?
面橫滾角度完全錯誤的認
?
知。因此，單獨使用陀
螺儀也無法保持飛機的特定航向。
?
飛機的俯仰角
?
飛機橫滾
?
角飛機偏航角一言以蔽之，加速度計在較長時間的測量值（確定飛機航向）是正
?
確的，
而在較短時間內由于信號噪聲的存在，而有誤差。陀螺儀在較短時間內則比
?
較準確而較
長時間則會有與漂移而存有誤差。因此，需要兩者（相互調整）來確保
?
航向的正確。即
使使用了兩者，也只可以用于測得飛機的俯仰和橫滾角度。對于
?
偏航角度，由于偏航角
和重力方向正交，無法用加速度計測量得到，因此還需要采
?
用其他設備來校準測量偏航
角度的陀螺儀的漂移值。校準的設備可以使用磁羅盤計
?
（電子磁羅盤，對磁場變化和慣
性力敏感）或者
?
GPS
。
GPS
數據更新較慢（
1Hz?
到
10Hz
）
,
并且短時間內存在誤差。可以
只用
?
GPS
就可在地磁平穩的時間內，在
?
地面跟蹤較為穩定和慢速的飛行
?
器。慣性導航
單元（
IMU?
）組合（融合）來自兩
?
個或以上的傳感器（例如陀螺儀、加速度計、磁場計
和
?
/
或
?
GPS
）信息用于飛機相
?
對地球的航向矢量和
?
速度矢量。這種融合算法相當復雜，
同時還需要對這些電子
?
器件固有的測量噪聲進行特殊濾波，因此市場上具有還算過得去
的參數，
?
廉價”的
?
IMU
的價格也要
1000
至
5000
美元。紅外水平感應輔助導航儀價格便宜，只要有
?
水平清
晰的視覺，它工作良好。不幸的是，山峰、云層、煙霧和建筑等會影響其水
?
對于不熟悉這類產品的人來說，陀螺儀傳感器是一個簡單易用的基于自由空間移動和手勢的定位和控制系統。在假想的平面上揮動鼠標，屏幕上的光標就會跟著移動，并可以繞著鏈接畫圈和點擊按鍵。當你正在演講或離開桌子時，這些操作都能夠很方便地實現。 陀螺儀傳感器原本是運用到直升機模型上的，已經被廣泛運用于手機這類移動便攜設備上（IPHONE的三軸陀螺儀技術）。
陀螺儀傳感器工作原理：
陀螺儀的原理就是，一個旋轉物體的旋轉軸所指的方向在不受外力影響時，是不會改變的。人們根據這個道理，用它來保持方向。然后用多種方法讀取軸所指 示的方向，并自動將數據信號傳給控制系統。我們騎自行車其實也是利用了這個原理。輪子轉得越快越不容易倒，因為車軸有一股保持水平的力量。現代陀螺儀可以 精確地確定運動物體的方位的儀器，它在現代航空，航海，航天和國防工業中廣泛使用的一種慣性導航儀器。傳統的慣性陀螺儀主要部分有機械式的陀螺儀，而機械 式的陀螺儀對工藝結構的要求很高。70年代提出了現代光纖陀螺儀的基本設想，到八十年代以后，光纖陀螺儀就得到了非常迅速的發展，激光諧振陀螺儀也有了很 大的發展。光纖陀螺儀具有結構緊湊，靈敏度高，工作可靠。光纖陀螺儀在很多的領域已經完全取代了機械式的傳統的陀螺儀，成為現代導航儀器中的關鍵部件。光纖陀螺儀同時發展的除了環式激光陀螺儀外。
陀螺儀傳感器應用：
1、國防工業
陀螺儀傳感器原本是運用到直升機模型上的，而它現在已經被廣泛運用于手機這類移動便攜設備上，不僅僅如此現代陀螺儀是一種能夠精確地確定運動物體的方位的儀器，所以陀螺儀傳感器是現代航空，航海，航天和國防工業應用中的必不可少的控制裝置。陀螺儀傳感器是法國的物理學家萊昂·傅科在研究地球自轉時命名的，到如今一直是航空和航海上航行姿態及速率等最方便實用的參考儀表。
2、開門報警器
陀螺儀傳感器新的應用：測量開門的角度，當門被打開一個角度后，發出報警聲，或者結合GPRS模塊發送短信以提醒門被打開了。另外，陀螺儀傳感器集 成了加速度傳感器的功能，當門被打開的瞬間，將產生一定的加速度值，陀螺儀傳感器將會測量到這個加速度值，達到預設的門檻值后，將發出報警聲，或者結合 GPRS模塊發送短信以提醒門被打開了。報警器內還可以集成雷達感應測量功能，主要有人進入房間內移動時就會被雷達測量到。雙重保險提醒防盜，可靠性高， 誤報率低，非常適合重要場合的防盜報警。
加速度傳感器
加速度傳感器是一種能夠測量加速力的電子設備。加速力就是當物體在加速過程中作用在物體上的力，就好比地球引力，也就是重力。加速力可以是個常量，比如g，也可以是變量。加速度計有兩種：一種是角加速度計，是由陀螺儀（角速度傳感器）的改進的。另一種就是線加速度計。
加速度傳感器工作原理：
線加速度計的原理是慣性原理，也就是力的平衡，A(加速度)=F(慣性力)/M(質量) 我們只需要測量F就可以了。怎么測量F？用電磁力去平衡這個力就可以了。就可以得到 F對應于電流的關系。只需要用實驗去標定這個比例系數就行了。當然中間的信號傳輸、放大、濾波就是電路的事了。
多數加速度傳感器是根據壓電效應的原理來工作的。
加速度傳感器應用：
通過測量由于重力引起的加速度，你可以計算出設備相對于水平面的傾斜角度。通過分析動態加速度，你可以分析出設備移動的方式。但是剛開始的時候，你會發現光測量傾角和加速度好像不是很有用。但是，工程師們已經想出了很多方法獲得更多的有用的信息。
陀螺儀傳感器和加速度傳感器的區別：
陀螺儀測角速度的，加速度是測線性加速度的。前者是慣性原理，后者是利用的力平衡原理。
加速度計在較長時間的測量值是正確的，而在較短時間內由于信號噪聲的存在，而有誤差。陀螺儀在較短時間內則比較準確而較長時間則會有與漂移而存有誤差。因此，需要兩者（相互調整）來確保航向的正確。
原標題：陀螺儀傳感器工作原理深度解析
前言：
看過盜夢空間的同志們一定對電影中的跟上圖的小物件很熟悉——陀螺儀，那么它的工作原理是什么呢?在手機等移動設備中是怎么應用的呢?現如今的技術又是怎么樣的呢?本文將帶你深入了解!
一、陀螺儀的歷史
最早的陀螺儀
陀螺儀最早是法國科學家在1850年在研究地球自轉中獲得靈感而發明的，如上圖所示，將一個高速旋轉的陀螺放到一個萬向支架上，靠陀螺的方向來計算角速度，其簡易圖如下所示。
中間金色的轉子即為陀螺，它因為慣性作用是不會受到影響的，周邊的三個“鋼圈”則會因為設備的改變姿態而跟著改變，通過這樣來檢測設備當前的狀態，而這三個“鋼圈”所在的軸，也就是三軸陀螺儀里面的“三軸”，即X軸、y軸、Z軸，三個軸圍成的立體空間聯合檢測手機的各種動作，陀螺儀的最主要的作用在于可以測量角速度。
陀螺儀發明之后，首先應用在飛機上，后來有被德國用在導彈中，德國人設計出慣性指導系統，慣性制導系統可以采用陀螺儀確定方向和角速度，用加速度計測試加速度，就可以計算出導彈的路線，從而進行飛行姿態的控制。
傳統的慣性陀螺儀主要是機械式的陀螺儀，機械式的陀螺儀對工藝結構等要求很高，結構復雜，它的精度受到了很多方面的制約。隨著技術的逐漸發展，漸漸的發展處了光纖、激光陀螺儀等等各種較為先進的陀螺儀，目前手機中使用的為MEMS原理的陀螺儀，即硅微機電陀螺儀。(MEMS：是指集中機械元素、微型傳感器、微型執行器以及信號處理和控制電路、接口電路、通信和電源于一體的完整微型機電系統。
二、MEMS陀螺儀的工作原理
MEMS陀螺儀采用的是依賴于相互正交的震動和轉動引起的交變科里奧利力。
MEMS陀螺儀利用coriolis，將旋轉物體的角速度轉換成與角速度成正比直流電壓信號，其核心部件通過摻雜技術、光刻技術、腐蝕技術、LIGA技術、封裝技術等批量生產的。
陀螺儀的內部原理是這樣的：對固定指施加電壓，并交替改變電壓，讓一個質量塊做振蕩式來回運動，當旋轉時，會產生科里奧利加速度，此時就可以對其進行測量;這有點類似于加速度計，解碼方法大致相同，都會用到放大器。
角速率由科氏加速度測量結果決定
科氏加速度=2 × (w × 質量塊速度)
w是施加的角速率(w=2 πf)
通過14 kHz共振結構施加的速度(周期性運動)快速耦合到加速度計框架
科氏加速度與諧振器具有相同的頻率和相位，因此可以抵消低速外部振動
該機械系統的結構與加速度計相似(微加工多晶硅)
信號調理(電壓轉換偏移)采用與加速度計類似的技術
施加變化的電壓來回移動器件，此時器件只有水平運動沒有垂直運動。如果施加旋轉，可以看到器件會上下移動，外部指將感知該運動，從而就能拾取到與旋轉相關的信號。
上面的動畫，只是抽象展示了陀螺儀的工作原理，而真實的陀螺儀內部構造是下面這個樣子，別不小心誤會了哦~
三、陀螺儀的應用
“陀螺儀”是加速度傳感器的升級版，加速度傳感器能檢測和感應某一軸向的線性動作，而陀螺儀能檢測和感應3D空間的線性和動作，從而能夠辨認方向、確認姿態、計算角速度。
自喬布斯發布第一款帶陀螺儀的手機時，讓手機玩極品飛車類的游戲就成為了可能。
首先就是能夠對駕駛類游戲做出更真實的模擬。通過陀螺儀，能夠對手機的偏轉角度、速度、時間等進行測量，從而實現對游戲視野的變化和車輛方向速度的改變，讓游戲的體驗有了質的提升!
其次是能夠幫助攝像頭進行防抖(OIS)，通俗來說就是當你按下快門的那一刻，陀螺儀檢測手機抖動的角度，然后根據角度來算出鏡頭模組需要補償的距離，讓鏡頭通過反向運動來抵消手機的抖動，從而實現鏡頭在拍攝的那一刻的絕對靜止，提高成片率。
再次就是輔助GPS導航，在某些gps信號弱或者無信號的地方，比如隧道等，手機就可以根據之前定位的地點和陀螺儀檢測的運動速度和時間和方向，推算出當前的位置，來達到暫時定位的目的。
在手機的具體應用中，通常會采用A+G方案，即將加速度傳感器和陀螺儀做在一起，從而節省一路I2C。
文章來源：IOT開發社區 手機技術資訊
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