陀螺仪的分类与选择，看这篇文章就够了！

发布于2022-09-01

陀螺仪（又称为角速度传感器）是一种速度传感器，用于检测和测量物体的角速度，即旋转物体相对于其参考系的方向和旋转速率。陀螺仪作为独立设备，可与导航和稳定系统中的其他传感器搭配使用：

非磁性罗盘（即陀螺罗盘），此系统基于连续驱动的陀螺仪和地球自转轴来维持真北指向。这种罗盘由于指向真北（而非磁北），并且不受船上铁磁材料的影响，因此常用于船只上。

惯性制导系统 (IGS)，此系统包括陀螺仪、加速度计以及可能的磁力计，以便测量加速度和磁力， 适用于无外部参考点或难以测量的应用，如飞机、船舶、潜艇、制导导弹、机器人、无人机 (UAV) 和医疗外骨骼。

惯性测量单元 (IMU)，此系统将陀螺仪提供的角速率与飞行器的力和方向数据相结合，以在GPS数据不可用或无法持续提供的情况下引导飞行器， 适用于飞机、无人机、航天器、卫星、自动驾驶车辆和手机等应用。

稳定器，这类系统需要稳定外部扭矩，其中陀螺仪用于抵消摄像机、视频设备甚至车辆的运动。

姿态航向参考系统 (AHRS)，这类系统借助于陀螺仪提供的滚转、俯仰和偏航数据，以及加速度计和磁力计数据，来确定飞行器的姿态。

陀螺仪类型

陀螺仪可根据工作原理、输出类型、传感范围、轴数、接口类型等特性进行分类。如表1所示，本文根据陀螺仪的基本技术将陀螺仪分为以下三类：机械、光学和振动。

表1：陀螺仪分为机械、光学和振动三大类

机械陀螺仪

当谈及陀螺仪时，大多数人首先想到的可能是机械陀螺仪。机械陀螺仪由安装在万向支架上的转子组成，可在多达六个轴上进行测量。万向支架将转子与改变旋转方向的外力隔离开，因此，无论施加在转子上的外力如何，都能保持转子居中运动。当施加旋转力时，万向支架以协调的方式抵抗外力，以抵消来自多个方向的干扰。

机械陀螺仪的工作原理有以下三种：

• 空间刚度，是指陀螺仪在其平面内保持固定位置且不受外力影响的原理。
• 角动量守恒，是指封闭系统的总角动量保持恒定的原理。
• 进动，是指转子在外力作用下产生旋进的效应。该力不会影响转子，而是在旋转方向前面90°位置生效。角度和速度的测量值由物体与期望方向的偏差确定。

虽然动力调谐机械陀螺仪 (DTG) 仍用于需要极高精度的寻北和导航应用中，但近几十年来，机械陀螺仪已被更小、更轻、更易于制造的其他类型所取代，如下文所述。

光学陀螺仪

光学陀螺仪的特点是体积小、重量轻，并且没有运动部件。在这类陀螺仪中，两束单独的光在封闭平台内沿着光纤以相反的方向传送， 并在光束返回探测器时，记录传播时间。在没有旋转的情况下，光束会同时返回传感器。旋转时，每个光束的行进距离会发生变化；与旋转方向相反的光会早于同向传播的光到达。两束光之间的相移指示旋转变化。

当今的工程设计通常使用两种类型的光学陀螺仪：环形激光陀螺仪和光纤陀螺仪。

环形激光陀螺仪 (RLG)

环形激光陀螺仪是一种有源传感器，使用容纳光源的闭环光路。在RLG中，两束发散光通过外壳每个角落的反射镜反射并围绕腔体移动。RGL的工作原理是萨格纳克效应，其会导致在环形结构中反向传播的两束光在环旋转时改变相对相位。因此，相移与旋转成比例，并且可以测量。RLG通常用于军用和商用飞机、船舶和航天器的IGS。

光纤陀螺仪 (FOG)

光纤陀螺仪是一种无源传感器，它使用闭环路径外部的光源，一个长度可达5km的光纤线圈。在这类陀螺仪中，光被分成两束，并基于光通过线圈时产生的干涉效应。与RLG一样，FOG的工作原理是萨格纳克效应；然而，该效应的强度取决于回路的几何面积和线圈的匝数。FOG最常用于高冲击和高性能应用，如导弹、水下航行器和测量设备的IGS系统。

振动结构陀螺仪

振动结构陀螺仪是用于确定旋转速率的固态振动结构。一般来说，这些是单轴陀螺仪，由支撑结构、谐振器、导致谐振器振动的电磁驱动器和感应谐振器运动的电磁传感器组成。此类陀螺仪的工作原理是牛顿惯性定律，即振动物体即使在其支架旋转时也会在同一平面内继续振动。在科里奥利效应的影响下，会对支架施加力，并使其以振动模式绕轴进动。角速度可以通过物体与其期望方向的偏差来确定。

振动结构陀螺仪分为压电陀螺仪、酒杯谐振器、音叉陀螺仪等。尤其是微机电系统 (MEMS) 陀螺仪由于成本低、尺寸小且功耗低，而在电子设备中得到广泛应用。这些微型产品没有旋转部件、轴承或光束，而是印刷在电路板上，通过将振动从驱动模式转换到传感模式来测量角速度。当陀螺仪的角速度变化时，会有一个小的谐振质量块发生位移；这种运动被转换成非常低的电流脉冲，以便主机微控制器放大和读取。MEMS陀螺仪非常敏感，可以检测轻微的旋转角度，从而能够确定绝对位置。

密歇根大学（University of Michigan）的开发人员称，有一种称为精密壳积分 (PSI) 的新型MEMS陀螺仪，其精度是手机的10000倍，但价格仅高出10倍。作为IMU的一种，PSI使用的是质量因子超过500万的毫米刻度。此类陀螺仪可提供高精度的室内和室外位置感知，以及移动设备和自动车辆的长期自主性。

陀螺仪的集成与实现

对于所有类型的陀螺仪，灵敏度、分辨率和稳定性都是关键性能指标。只有了解了应用要求和主要的陀螺仪参数，才能最大程度的优化陀螺仪性能。下面我们将讨论与集成MEMS陀螺仪相关的集成和实现参数。对于其他类型的陀螺仪，具体情况会有所不同，可以根据需要考虑其他参数。

安装和对准

MEMS陀螺仪相对于其他PCB组件的位置、方向、安装情况和接近程度都会影响陀螺仪的性能和寿命。如果安装不当，陀螺仪灵敏度可能会降低，导致读数不准确，且性能也会随着时间的推移而下降。通常，陀螺仪应安装在刚性板或基板上。此外，还建议将插入部件放置在距陀螺仪至少2mm的位置，并将陀螺仪与振动源隔离开，减少温度波动的影响。

对于MEMS陀螺仪来说，对准或者更确切地说尽可能降低未对准误差也非常重要。未对准是指陀螺仪旋转轴与系统惯性参考系之间的角度差。造成未对准的因素有很多，包括集成公差、材料缺陷、器件封装和轴的数量（因为一个轴的未对准可能影响其他轴的对准）等。可能需要校正矩阵、特殊包装或特殊测试等方法来解决未对准情况，以确保陀螺仪的准确性。

在集成或设计阶段纠正安装和未对准的措施包括了解系统的误差预算（接受存在误差裕度），并隔离陀螺仪安装平台。定义明确的应用场合和陀螺仪使用方式将有助于解决陀螺仪集成过程中的误差问题。

测量范围、噪声和温度

测量范围，也称为满刻度范围，是陀螺仪的最大角速度读数范围，通常以度每秒（DPS或°/s）表示。范围越小，陀螺仪对较小的输入越敏感；范围越大，精度越低，噪声越大。因此，工作范围、精度和噪声是工程设计中常见的权衡。现在的陀螺仪可编程范围为±125到±2000，具体取决于制造商。

噪声是指陀螺仪信号输出中由内部或外部因素引起的变化。先前在安装和对准部分提到的未对准误差就是一种噪声。其他主要噪声包括固有的传感器噪声（即静态条件下陀螺仪输出的变化），以及陀螺仪响应线性振动而产生的噪声。了解噪声如何影响陀螺仪的行为非常重要。此外，测量陀螺仪噪声密度对于了解噪声和带宽之间的权衡以及确定噪声滤波需求（包括使用卡尔曼滤波器来减少陀螺仪阵列中的噪声）非常有用。

温度也是影响噪声和灵敏度的一个因素。温度升高会增加信号噪声，而且温度升高或降低都会影响陀螺仪的灵敏度。因此，选择能适应工作温度变化的陀螺仪很重要。内置温度传感器的陀螺仪也很常见；与温度传感器的绝对精度相比，将温度传感器与陀螺仪紧密耦合更为重要。在某些情况下，可以应用诸如温度补偿和校准之类的技术来补偿与温度相关的问题。

偏差和稳定性

所有陀螺仪都存在内部误差，如漂移（偏置不稳定性）、随机角度漂移、灵敏度变化和锁区误差（光学陀螺仪）。因此，应选择最大误差较小的陀螺仪。对于不同的应用，该误差会有所不同，因此，明确定义陀螺仪的应用范围以最小化陀螺仪内的误差是很重要的，例如，对于存在振动的应用，应选择能降低振动误差的陀螺仪。

然而，在选择陀螺仪时经常引用的一个关键参数是偏置不稳定性。陀螺仪的偏置不稳定性会导致测量值随时间漂移，并累积为角度误差。随着时间的推移，在不重新校准的情况下，陀螺仪误差（由于漂移引起的）逐渐累积，导致误差越来越大。偏置稳定性代表陀螺仪的分辨率下限，是陀螺仪重要的参数。解决偏置不稳定性有很多种方法，其中包括添加其他传感器，如加速度计（IMU）或冗余陀螺仪，以平均漂移。一种常见的技术是在给定的时间间隔内校准陀螺仪，以防止漂移过大。

结语

陀螺仪可以基于多种机制，因此可以轻松满足各种要求。事实上，陀螺仪的应用已经扩展到从航空到通信的多个领域。机械陀螺仪以可靠性而闻名，而光学陀螺仪非常精确，但可能尺寸相对较大、更复杂，并且设计和制造成本较高。MEMS提供了多种解决方案以满足各种需求。

作者简介

Lucas拥有机器学习和机器人学硕士学位，是人工智能开发人员、研究人员和实践者，也是开源软件开发人员。他在佛罗里达大学担任研究员，并在其共同创立的公司Agriculture Intelligence担任开发人员，在精密农业智能机械的机器视觉和自动化方面拥有丰富的经验。他撰写了许多论文，并开发了云软件（Agroview）和数据融合系统。