MEMS陀螺儀是如何工作的?
發(fā)布時(shí)間:2020-05-29 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】陀螺儀是用來(lái)測(cè)量角速率的器件,在加速度功能基礎(chǔ)上,可以進(jìn)一步發(fā)展,構(gòu)建陀螺儀。
陀螺儀是用來(lái)測(cè)量角速率的器件,在加速度功能基礎(chǔ)上,可以進(jìn)一步發(fā)展,構(gòu)建陀螺儀。
陀螺儀的內(nèi)部原理是這樣的:對(duì)固定指施加電壓,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;這有點(diǎn)類似于加速度計(jì),解碼方法大致相同,都會(huì)用到放大器。
角速率由科氏加速度測(cè)量結(jié)果決定
- 科氏加速度 = 2 × (w × 質(zhì)量塊速度)
- w 是施加的角速率(w = 2 πf)
通過(guò) 14 kHz 共振結(jié)構(gòu)施加的速度(周期性運(yùn)動(dòng))快速耦合到加速度計(jì)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(dòng)
該機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與加速度計(jì)相似(微加工多晶硅)
信號(hào)調(diào)理(電壓轉(zhuǎn)換偏移)采用與加速度計(jì)類似的技術(shù)
施加變化的電壓來(lái)回移動(dòng)器件,此時(shí)器件只有水平運(yùn)動(dòng)沒(méi)有垂直運(yùn)動(dòng)。如果施加旋轉(zhuǎn),可以看到器件會(huì)上下移動(dòng),外部指將感知該運(yùn)動(dòng),從而就能拾取到與旋轉(zhuǎn)相關(guān)的信號(hào)。
上面的動(dòng)畫,只是抽象展示了陀螺儀的工作原理,而真實(shí)的陀螺儀內(nèi)部構(gòu)造是下面這個(gè)樣子,別不小心誤會(huì)了哦~
PS:陀螺儀可以三個(gè)一起設(shè)計(jì),分別對(duì)應(yīng)于所謂滾動(dòng)、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,滾動(dòng)是指向左或向右翻滾。要正確控制任何類型的航空器或?qū)?,都需要知道這三個(gè)參數(shù),這就會(huì)用到陀螺儀。它們還常常用于汽車導(dǎo)航,當(dāng)汽車進(jìn)入隧道而失去 GPS 信號(hào)時(shí),這些器件會(huì)記錄您的行蹤。
無(wú)人機(jī)在飛行作業(yè)時(shí),獲取的無(wú)人機(jī)影像通常會(huì)攜帶配套的 POS 數(shù)據(jù)。從而在處理中可以更加方便的處理影像。而 POS 數(shù)據(jù)主要包括 GPS 數(shù)據(jù)和 IMU 數(shù)據(jù),即傾斜攝影測(cè)量中的外方位元素:(緯度、經(jīng)度、高程、航向角(Phi)、俯仰角(Omega)及翻滾角(Kappa))。
GPS 數(shù)據(jù)一般用 X、Y、Z 表示,代表了飛機(jī)在飛行中曝光點(diǎn)時(shí)刻的地理位置。
飛控是由主控 MCU 和慣性測(cè)量模塊(IMU,Inertial Measurement Unit)組成。IMU 提供飛行器在空間姿態(tài)的傳感器原始數(shù)據(jù),一般由陀螺儀傳感器 / 加速度傳感器 / 電子羅盤提供飛行器 9DOF 數(shù)據(jù)。
IMU 中的傳感器用來(lái)感知飛行器在空中的姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài),這有個(gè)專有名詞叫做運(yùn)動(dòng)感測(cè)追蹤,英文 Motion Tracking。運(yùn)動(dòng)感測(cè)技術(shù)主要有四種基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)傳感器,下面分別說(shuō)明其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)感測(cè)追蹤的原理。
微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)
IMU 中使用的傳感器基本上都是微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS),是半導(dǎo)體工業(yè)中非常重要的一個(gè)分支。
微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS, Micro-Electro-Mechanical System)是一種先進(jìn)的制造技術(shù)平臺(tái)。微機(jī)電系統(tǒng)是微米大小的機(jī)械系統(tǒng),是以半導(dǎo)體制造技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的。
我們的四軸飛行器上用到的加速度陀螺儀 MPU6050,電子羅盤 HMC5883L 都是微機(jī)電系統(tǒng),屬于傳感 MEMS 分支。傳感 MEMS 技術(shù)是指用微電子微機(jī)械加工出來(lái)的、用敏感元件如電容、壓電、壓阻、熱電耦、諧振、隧道電流等來(lái)感受轉(zhuǎn)換電信號(hào)的器件和系統(tǒng)。
加速器(G-sensors)
加速器可用來(lái)感測(cè)線性加速度與傾斜角度,單一或多軸加速器可感應(yīng)結(jié)合線性與重力加速度的幅度與方向。含加速器的產(chǎn)品,可提供有限的運(yùn)動(dòng)感測(cè)功能。
加速度計(jì)的低頻特性好,可以測(cè)量低速的靜態(tài)加速度。在我們的飛行器上,就是對(duì)重力加速度 g(也就是前面說(shuō)的靜態(tài)加速度)的測(cè)量和分析,其它瞬間加速度可以忽略。記住這一點(diǎn)對(duì)姿態(tài)解算融合理解非常重要。
當(dāng)我們把加速度計(jì)拿在手上隨意轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),我們看的是重力加速度在三個(gè)軸上的分量值。加速度計(jì)在自由落體時(shí),其輸出為 0。為什么會(huì)這樣呢?這里涉及到加速度計(jì)的設(shè)計(jì)原理:加速度計(jì)測(cè)量加速度是通過(guò)比力來(lái)測(cè)量,而不是通過(guò)加速度。
陀螺儀(Gyros)
陀螺儀是利用高速回轉(zhuǎn)體的動(dòng)量矩敏感殼體相對(duì)慣性空間繞正交于自轉(zhuǎn)軸的一個(gè)或二個(gè)軸的角運(yùn)動(dòng)檢測(cè)裝置。利用其他原理制成的角運(yùn)動(dòng)檢測(cè)裝置起同樣功能的也稱陀螺儀。
陀螺儀可感測(cè)一軸或多軸的旋轉(zhuǎn)角速度,可精準(zhǔn)感測(cè)自由空間中的復(fù)雜移動(dòng)動(dòng)作,因此,陀螺儀成為追蹤物體移動(dòng)方位與旋轉(zhuǎn)動(dòng)作的必要運(yùn)動(dòng)傳感器。不像加速器與電子羅盤,陀螺儀不須借助任何如重力或磁場(chǎng)等的外在力量,能夠自主性的發(fā)揮其功能。所以,從理論上講只用陀螺儀是可以完成姿態(tài)導(dǎo)航的任務(wù)的。
陀螺儀的特性就是高頻特性好,可以測(cè)量高速的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。缺點(diǎn)是存在零點(diǎn)漂移,容易受溫度 / 加速度等的影響。
電子羅盤(E-Compasses)
電子羅盤也叫數(shù)字指南針,磁力計(jì),是利用地磁場(chǎng)來(lái)定北極的一種方法?,F(xiàn)在一般有用磁阻傳感器和磁通門加工而成的電子羅盤。
電子羅盤可由地球的磁場(chǎng)來(lái)感測(cè)方向。運(yùn)用電子羅盤的消費(fèi)性電子產(chǎn)品應(yīng)用,包含在手機(jī)的地圖應(yīng)用程序顯示正確方向,或?yàn)閷?dǎo)航應(yīng)用程序提供前進(jìn)方向數(shù)據(jù)。然而,電子設(shè)備或建筑材料的磁場(chǎng)干擾,比地球磁場(chǎng)來(lái)得強(qiáng),導(dǎo)致電子羅盤傳感器的輸出值,較容易受到各種環(huán)境因素的影響,尤其在室內(nèi)更是如此,因此,電子羅盤須要透過(guò)頻繁的校正,才能維持前進(jìn)方向數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。
壓力傳感器(Barometers)
壓力傳感器又叫做氣壓計(jì),會(huì)藉由氣壓的變化來(lái)感測(cè)物體的相對(duì)與絕對(duì)高度,常被運(yùn)用于與運(yùn)動(dòng)、健身、方位推測(cè)等應(yīng)用有關(guān)的消費(fèi)性產(chǎn)品中,例如,可感測(cè)使用者的移動(dòng)層樓,調(diào)整地圖信息。
IMU 數(shù)據(jù)主要包含了:航向角(Phi)、俯仰角(Omega)及翻滾角(Kappa)三個(gè)數(shù)據(jù)。
1、航向角(Phi)
航向角英文縮寫是:Phi。定義為:飛機(jī)和航天飛機(jī)的縱軸與地球北極之間的夾角。
示意圖如下圖所示:
2、俯仰角(Omega)
俯仰角英文縮寫是:Omega。定義為:平行于機(jī)身軸線并指向飛行器前方的向量與地面的夾角。
示意圖如下:
3、翻滾角(Kappa)
翻滾角又叫側(cè)滾角,英文縮寫是 Kappa。定義為:光軸與十周之間的夾角。
示意圖如下圖所示:
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