陀螺儀與加速度傳感器介紹

1、陀螺儀與加速度傳感器陀螺儀與加速度傳感器 1 陀螺儀陀螺儀 重力加速度計重力加速度計 一、陀螺儀一、陀螺儀 1.英文名稱：英文名稱：gyroscope 2 機(jī)械陀螺儀機(jī)械陀螺儀-3軸軸 電子陀螺儀電子陀螺儀 2.陀螺儀的工作原理陀螺儀的工作原理 陀螺儀是由陀螺旋轉(zhuǎn)的原理制成的，用于測量物體的角速度 陀螺是圍繞著某個固定的支點而快速轉(zhuǎn)動起來的剛體，它的 質(zhì)量是均勻分布的，形狀是以軸為對稱的，自轉(zhuǎn)軸就是它的對稱 軸。在一定力矩的作用下，陀螺會一直在自轉(zhuǎn)，而且還會圍繞著 一個不變的軸一直在旋轉(zhuǎn)，稱作陀螺的旋進(jìn)或者是回轉(zhuǎn)效應(yīng)。例 如很多孩子小時候玩的陀螺。 3 陀螺儀是測量運動角速度的器件 通過積分角

2、速度可獲得陀螺儀偏轉(zhuǎn)角度值 陀螺儀的定向性使它能測量360度范圍內(nèi)的角度變化，可以測量 得到物體的角速度，通過信號積分處理，可以獲物體的姿態(tài)（傾角 ）信息。 目前有3軸（X Y Z ）, 6軸（X XY Y YZ Z ZX）等 4 3軸陀螺儀 5 3、陀螺儀的特性、陀螺儀的特性 （1）定軸性 當(dāng)陀螺轉(zhuǎn)子以高速旋轉(zhuǎn)時，在沒有任何外力矩作用在陀螺儀 上時，陀螺儀的自轉(zhuǎn)軸在慣性空間中的指向保持穩(wěn)定不變， 即指向一個固定的方向;同時反抗任何改變轉(zhuǎn)子軸向的力量。 這種物理現(xiàn)象稱為陀螺儀的定軸性或穩(wěn)定性。 穩(wěn)定性改變： 1.轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量轉(zhuǎn)動慣量愈大，穩(wěn)定性愈好; 2.轉(zhuǎn)子角速度角速度愈大，穩(wěn)定性愈好。

3、6 （2）進(jìn)動性 當(dāng)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時，若外力矩作用于外環(huán)軸，陀螺儀將繞內(nèi)環(huán)軸 轉(zhuǎn)動;若外力矩作用于內(nèi)環(huán)軸，陀螺儀將繞外環(huán)軸轉(zhuǎn)動。其轉(zhuǎn)動 角速度方向與外力矩作用方向互相垂直。 進(jìn)動角速度的方向取決于動量矩H的方向(與轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)角速度矢量 的方向一致)和外力矩M的方向，而且是自轉(zhuǎn)角速度矢量以最短的 路徑追趕外力矩。 MEMS微機(jī)電系統(tǒng)陀螺儀微機(jī)電系統(tǒng)陀螺儀 兩個方向的可移動電容板。兩個方向的可移動電容板。 徑向的電容板加震蕩電壓迫使物體作徑向運動徑向的電容板加震蕩電壓迫使物體作徑向運動 橫向的電容板測量由于橫向科里奧利運動帶來的電橫向的電容板測量由于橫向科里奧利運動帶來的電 容變化容變化 科里奧利力科

4、里奧利力(科氏加速度科氏加速度)正比于角速度正比于角速度 廠家廠家 ST 三軸三軸 Freescale 工業(yè)用工業(yè)用 Senodia（國內(nèi)）（國內(nèi)） InvenSense 加速度和陀螺儀一體化加速度和陀螺儀一體化 Panasonic 車用車用 EPSON 單軸單軸 8 4、陀螺儀的分類、陀螺儀的分類 按用途 傳感陀螺儀 指示陀螺儀 用于飛行體運動的自動控制系統(tǒng)中， 作為水平、垂直、俯仰、航向和角 速度傳感器 指示陀螺儀主要用于飛行狀態(tài)的指示， 作為駕駛和領(lǐng)航儀表使用。 按發(fā)展 機(jī)械式陀螺儀：陀螺方向儀 陀螺羅盤 電子陀螺儀：激光陀螺儀、光纖陀螺儀等 5、陀螺儀的功能、陀螺儀的功能 陀螺儀器最早

5、是用于航海導(dǎo)航， 陀螺儀器：指示儀表，可作為自動控制系統(tǒng)中信號傳感器。 能提供準(zhǔn)確水平、位置、速度和加速度等信號，可以實現(xiàn)檢 測平衡，自動導(dǎo)航儀來控制飛機(jī)、艦船或航天飛機(jī)等航行。 陀螺儀器同時能提供準(zhǔn)確的方位，在導(dǎo)彈、衛(wèi)星運載器或空 間探測火箭等航行體的制導(dǎo)中，則直接利用這些信號完成航行體 的姿態(tài)控制（位置信號）和軌道控制（方向信號）。 10 6、陀螺儀舉例、陀螺儀舉例 （1）用于手機(jī)上關(guān)于平衡類的游戲 陀螺儀檢測運動的角速度，通過測定翻轉(zhuǎn)手機(jī)的速度來控制小球 移動速度 11 （2）三軸數(shù)字輸出電子陀螺儀L3g4200d 輸入電壓：2.4V3.6V 數(shù)字輸出：16位數(shù)字量 通信方式： I2C（

6、串行）/SPI（串口） 方式 量程范圍：250/500/2000 dps（度每秒） http:/ ENC-03 模擬量輸出陀螺儀模擬量輸出陀螺儀 輸出一個和角速度成正比的模擬電壓信號輸出一個和角速度成正比的模擬電壓信號 供電電壓供電電壓Vdc 2.75.25 最大角速度最大角速度 deg./sec. +/-300 輸出（當(dāng)角速度輸出（當(dāng)角速度=0） Vdc1.35 比例系數(shù)比例系數(shù) mV/deg./sec. 0.67 響應(yīng)頻率響應(yīng)頻率Hz 50 max. 一個傳感器測量一個軸的旋轉(zhuǎn)；一個傳感器測量一個軸的旋轉(zhuǎn)； 低通濾波器擬制噪音（大約低通濾波器擬制噪音（大約 22-25kHz） 13 通過利

7、用3軸陀螺儀，可以實現(xiàn)對運動物體平衡的控 制，如航模直升機(jī)上采用的便是該陀螺儀傳感器， 如自平衡云臺（視頻）等； 二、加速度傳感器二、加速度傳感器 14 1、英文名稱：acceleration transducer 加速度傳感器是一種能夠測量加速力的電子設(shè)備。加速力就 是當(dāng)物體在加速過程中作用在物體上的力，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，用于常用于測量傾角 ，另一種就是線加速度計，用于測量運動物體的加速度。 15 角加速度計角加速度計 線加速度計線加速度計 2、工作原理、工作原理 16 當(dāng)傾角傳感器靜止時也就是側(cè)面和垂直方向沒有加速度 作用，那么作用在它上面的只有重力加速度。重力垂直軸與 加速度傳感器靈敏軸之間的夾角就是傾斜角了。 如圖所示，為輸出模擬量加速度傳感器原理 u=kgsinkg 式中，g為重力加速度；為車模傾角；k為加速度傳 感器靈敏度系數(shù)系數(shù)。 當(dāng)傾角比較小的時候，輸出電壓的變化可以近似與 傾角成正比。 17 3、加速度計的應(yīng)用、加速度計的應(yīng)用 （1）游戲控制 加速度傳感器可以檢測上下左右的傾角的