無人機(jī)傳感器與檢測技術(shù)課件：陀螺儀認(rèn)知

無人機(jī)飛行控制傳感器認(rèn)知與功能測試陀螺儀認(rèn)知任務(wù)描述民用無人機(jī)上的陀螺儀大多是微機(jī)械陀螺儀，雖然它精度不如光纖和激光陀螺儀，但其體積小、功耗低、易于數(shù)字化和智能化，尤其制造成本低，易于批量生產(chǎn)。與加速度傳感器一樣，陀螺儀也是集成在飛控中的，無法直接觀察其結(jié)構(gòu)，無法購買到單一的微機(jī)械陀螺儀。本任務(wù)擬通過對六軸IMU傳感器模塊特性調(diào)研來了解陀螺儀的基本功能，通過PixHawk飛控中陀螺儀的功能測試來了解陀螺儀在無人機(jī)飛行過程中所起的作用。子任務(wù)一六軸自由度IMU傳感器模塊特性調(diào)研任務(wù)實施1)查閱資料，小組總結(jié)匯報MPU6050傳感器模塊的引腳及含義，傳感器模塊的特性參數(shù)。2)查閱相關(guān)資料，收集六軸自由度IMU傳感器模塊資料，總結(jié)常用六軸IMU傳感器模塊特性參數(shù)，填寫表2-4。子任務(wù)二PixHawk飛控陀螺儀功能測試任務(wù)實施1)實驗室準(zhǔn)備PixHawk飛控、串口線、地面站MissionPlanner軟件、電腦等。2)軟、硬件連接。3)檢查俯仰，橫滾，偏航等姿態(tài)數(shù)據(jù)。4)功能測試。一、傳統(tǒng)陀螺儀知識鏈接1850年，法國物理學(xué)家萊昂·傅科在研究地球自傳中獲得靈感而發(fā)明了陀螺儀，就像把一個高速旋轉(zhuǎn)的陀螺放到一個萬向支架上，靠陀螺的方向來計算角速度，如圖所示。

陀螺儀最先應(yīng)用在航海上，直到二戰(zhàn)時，陀螺儀才應(yīng)用到航空航天上，這時陀螺儀都是機(jī)械陀螺儀，也就是傳統(tǒng)陀螺儀。高速旋轉(zhuǎn)物體的旋轉(zhuǎn)軸所指的方向不會隨著外力的方向改變而發(fā)生改變。陀螺效應(yīng)理論基礎(chǔ)自由度分類二自由度陀螺儀按自由度分類三自由度陀螺儀只有一個框架，使轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)軸具有一個轉(zhuǎn)動自由度具有內(nèi)、外兩個框架，使轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)軸具有兩個轉(zhuǎn)動自由度。在沒有任何力矩裝置時，它就是一個自由陀螺儀1.結(jié)構(gòu)組成轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)子支架2.工作原理物體在高速旋轉(zhuǎn)時，角動量會很大，旋轉(zhuǎn)軸會一直穩(wěn)定指向一個方向。理論基礎(chǔ)特點1.具有抗拒方向改變的趨向2.要達(dá)到每分鐘幾十萬轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速3.當(dāng)有外力作用時，旋轉(zhuǎn)軸的指向就會發(fā)生變化讀取旋轉(zhuǎn)軸所指示的方向計算載體受力的方向角度3.特性高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子在沒有任何外力矩作用下，陀螺儀的自轉(zhuǎn)軸在慣性空間中的指向固定在一個方向；同時不會隨著外力作用發(fā)生改變。定軸性(1)定軸性

這種穩(wěn)定性隨轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量和角速度的增加而增加。高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子在外力矩M作用于外環(huán)軸Z時，陀螺儀將繞內(nèi)環(huán)軸Y轉(zhuǎn)動；在外力矩作用于內(nèi)環(huán)軸Y時，陀螺儀將繞外環(huán)軸Z轉(zhuǎn)動。則轉(zhuǎn)動角速度方向與外力矩M作用方向互相垂直。這種特性，叫做陀螺儀的進(jìn)動性，進(jìn)動角速度

的大小取決于轉(zhuǎn)子動量矩H的大小和外力矩M的大小，其計算公式是進(jìn)動性隨著外界作用力F增加及轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量和角速度

減小而增加。進(jìn)動性(2)進(jìn)動性

二、激光陀螺儀理論基礎(chǔ)光程差每當(dāng)載體發(fā)生旋轉(zhuǎn)時，合光棱鏡的傾斜角度就發(fā)生變化環(huán)形激光器三、微機(jī)械陀螺儀即MEMS陀螺儀沒有旋轉(zhuǎn)部件，不需要軸承，可以利用微機(jī)械加工技術(shù)大批量生產(chǎn)。MEMS陀螺儀的工作原理科里奧利力質(zhì)量塊發(fā)生垂直位移對電容變化的測量和計算陀螺儀的旋轉(zhuǎn)角速度MEMS陀螺儀內(nèi)部構(gòu)造(1)體積小、重量輕，其邊長都小于1mm，器件核心的重量僅為1