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加速传感器 陀螺仪：关于惯性传感器（陀螺仪、加速度计）的选取

关于惯性传感器（陀螺仪、加速度计）的选取
陀螺仪的选取加速度计的选取

陀螺仪的选取
在做惯性导航模块或者飞控的时候第一件事就是器件的选取，这个是第一步也是很重要的一步，因为他不仅关系到硬件成本还关乎到你最终产品的性能。在选取器件的时候无外乎要关注如下几个方面
1、传感器的精度参数
2、传感器对应的价格且是否好购买
3、对应的硬件设计难

陀螺仪性能参数
下面介绍几个在陀螺仪选取过程中比较关注的几指标

1.1 量程
量程是我们在选用传感器的时候首先就要确定的！你选的传感器的是用来干什么的，一般的飞控，惯导系统选择在300度/s，450度/秒就可以了，其他的根据自己的使用场景做选择，比如说一些高精度平台要的量程小一点对应的精度会高一些。

1.2 零偏稳定性
零偏是指陀螺仪在零输入状态下的输出，其用较长时间输出的均值等效折算为输入角速率来表示，也就是观测值围绕零偏的离散程度，比如0.005 degree/sec表示每秒会漂0.005 degree。在零输入状态下的长时间稳态输出是一个平稳的随机过程，即稳态输出将围绕均值（零偏）起伏和波动，习惯上用均方差来表示，这种均方差被定义为零偏稳定性。而初始零偏误差可以理解为静态误差，它不会随时间的波动，可以用过软件校准。

1.3 刻度因子（标度因数）
是指陀螺仪输出量与输入角速率的比值。这个比值是用一特定的直线斜率表示的，该直线是根据整个输入角速率范围内测得的输入、输出数据，用最小二乘法拟合求得可以用过软件校准。

1.4 角度随机游走
当陀螺仪处于零输入状态时，脱落的输出信号为白噪声和慢变随机函数的叠加。漫变随机函数可用来确定零偏和零偏稳定性指标，白噪声定义为单位检测带宽平方根下等价旋转角速度的标准偏差，单位（degree/sec/√Hz 或 degree/hr/√Hz）。这个白噪声也可以用单位为 degree/√Hz 的角度随意游走系数来表示，随机游走系数是指由白噪声产生的随时间积累的陀螺仪输出误差系数。当外界条件基本不变诗，可以认为上面所分析的各种噪声的主要统计特性是不随时间推移而变化的。

1.5 抗振性

对于陀螺仪的性能参数，大部分设计师第一个要关注的就是零偏稳定性，长久以来它被视为陀螺仪规格的绝对标准，毕竟它是描述陀螺仪分辨率的下限理所应当的是反应陀螺仪性能的最佳指标！然而实际中陀螺仪会因为各种原因出现误差导致用户无法获得与实验手册上宣称的指标参数。实际上很多性能参数都是可以在后续的校准算法中得到改善的如零偏，刻度因子，正交轴误差，温度漂移

选择陀螺仪时，需要考虑将最大误差源最小化。在大多数 应用中，振动敏感度是最大的误差源。其它参数可以轻松 地通过校准或求取多个传感器的平均值来改善。零偏稳定 性是误差预算较小的分量之一。

在理想状态下陀螺仪仅仅只需要测量旋转速率，但在实际的应用中所有的陀螺都有仪都有一定的加速度敏感度，加速度敏感度有多种外在表现，最显著的通常是对线加速度（g敏感度）或对振动的敏感度（g2 敏感度），由于多数陀螺仪应用所处的设备是绕地球的1g重力场运动和/或在其中旋转，因此对加速度的敏感度常常是最大的误差源。

成本极低的陀螺仪一般采用极其简单紧凑的机械系统设 计，抗振性能未经优化(它优化的是成本)，因而振动可能 会造成严重影响。1000°/h/g(或0.3°/s/g)以上的g敏感度也不 足为奇，比高性能陀螺仪差10倍以上! 对于这种陀螺仪， 零偏稳定性的好坏并无多大意义，陀螺仪在地球的重力场 中稍有旋转，就会因为g和g2敏感度而产生巨大的误差。一 般而言，此类陀螺仪不规定振动敏感度——默认为非常大。
可以看一组ADI公司某款陀螺仪对振动的响应

当然在实际的一些应用中很多人会在器件中增加一个机械抗振件，抗振件的设计也不是一件简单的事，因为它在宽频率范围内的响应并不是平坦的，在低频时尤其差，并且其减震特性会随着温度和使用时间变化。

所以在大部分应用中陀螺仪的选取过程中抗振性是其中非常关键的指标了

加速度计的选取
加速度计能测量加速度，倾斜，振动或冲击，因此适用于从可穿戴健身装置到工业平台稳定系统的广泛应用，市场上有成百上千的加速度计可供选择，其成本和性能各不相同。加速度计目前行业内还没有给出具体的行业界定标准，下图为ADI公司给出的加速度计一般分类及相应的应用

下图为ADI公司给出的加速度计应用版图

在加速度计的选取中要关注的几个参数是：量程，噪声密度，随机游走，运动中的偏置稳定度，带宽这几个参数和陀螺仪的都差不多，注意下这个运动中的偏置稳定性，这个有些厂家文档里面并没有给出，可以使用allan方差来求的，具体方法可参考

在选取传感器的时候我们经常会看到消费级，工业级这样的字眼，ADI公司也给出了消费级加速度计和IMU中集成的中档工业级加速度计的主要区别

工业级MEMS器件对所有已知潜在误差源进行了全面的测定，精度比消费级高出一个数量级以上。

参考：

加速传感器 陀螺仪：加速度传感器和陀螺仪传感器重点

加速度传感器和陀螺仪的区别
?
加速度计用于测量加速度。借助一个三轴加速
?
度计
可以测得一个固定平台相对地球表面的运动方向，但是一旦平台运动起来，情
?
况就会变
得复杂的多。如果平台做自由落体，加速度计测得的加速度值为零。如果
?
平台朝某个方
向做加速度运动，各个轴向加速度值会含有重力产生的加速度值，使
?
得无法获得真正的
加速度值。
?
例如，安装在
60
度横滚角飞机上的三轴加速度计会
?
测得
2G
的垂直加速度值，而事实上飞机相对地区表面是
?
60
度的倾角。因此，单
?
独使用加速度计无法使飞机保持一个固定的航向。飞机的横滚角陀螺仪测量机体
?
围绕某
个轴向的旋转角速率值。使用陀螺仪测量飞机机体轴向的旋转角速率时，如
?
果飞机在旋
转，测得的值为非零值，飞机不旋转时，测量的值为零。因此，在
?
60
?
度横滚角的飞机上的陀螺仪测得的横滚角速率值为零，同样在飞机做水平直线飞行
?
时，
角速率值为零。可以通过角速率值的时间积分来估计当前的横滚角度，前提是
?
没有误差
的累积。陀螺仪测量的值会随时间漂移，经过几分钟甚至几秒钟定会累积
?
出额外的误差
来，而最终会导致对飞机当前相对水平
?
面横滚角度完全错误的认
?
知。因此，单独使用陀
螺仪也无法保持飞机的特定航向。
?
飞机的俯仰角
?
飞机横滚
?
角飞机偏航角一言以蔽之，加速度计在较长时间的测量值（确定飞机航向）是正
?
确的，
而在较短时间内由于信号噪声的存在，而有误差。陀螺仪在较短时间内则比
?
较准确而较
长时间则会有与漂移而存有误差。因此，需要两者（相互调整）来确保
?
航向的正确。即
使使用了两者，也只可以用于测得飞机的俯仰和横滚角度。对于
?
偏航角度，由于偏航角
和重力方向正交，无法用加速度计测量得到，因此还需要采
?
用其他设备来校准测量偏航
角度的陀螺仪的漂移值。校准的设备可以使用磁罗盘计
?
（电子磁罗盘，对磁场变化和惯
性力敏感）或者
?
GPS
。
GPS
数据更新较慢（
1Hz?
到
10Hz
）
,
并且短时间内存在误差。可以
只用
?
GPS
就可在地磁平稳的时间内，在
?
地面跟踪较为稳定和慢速的飞行
?
器。惯性导航
单元（
IMU?
）组合（融合）来自两
?
个或以上的传感器（例如陀螺仪、加速度计、磁场计
和
?
/
或
?
GPS
）信息用于飞机相
?
对地球的航向矢量和
?
速度矢量。这种融合算法相当复杂，
同时还需要对这些电子
?
器件固有的测量噪声进行特殊滤波，因此市场上具有还算过得去
的参数，
?
廉价”的
?
IMU
的价格也要
1000
至
5000
美元。红外水平感应辅助导航仪价格便宜，只要有
?
水平清
晰的视觉，它工作良好。不幸的是，山峰、云层、烟雾和建筑等会影响其水
?

加速传感器 陀螺仪：陀螺仪传感器和加速度传感器有什么区别？

对于不熟悉这类产品的人来说，陀螺仪传感器是一个简单易用的基于自由空间移动和手势的定位和控制系统。在假想的平面上挥动鼠标，屏幕上的光标就会跟着移动，并可以绕着链接画圈和点击按键。当你正在演讲或离开桌子时，这些操作都能够很方便地实现。  陀螺仪传感器原本是运用到直升机模型上的，已经被广泛运用于手机这类移动便携设备上（IPHONE的三轴陀螺仪技术）。
陀螺仪传感器工作原理：
陀螺仪的原理就是，一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时，是不会改变的。人们根据这个道理，用它来保持方向。然后用多种方法读取轴所指  示的方向，并自动将数据信号传给控制系统。我们骑自行车其实也是利用了这个原理。轮子转得越快越不容易倒，因为车轴有一股保持水平的力量。现代陀螺仪可以  精确地确定运动物体的方位的仪器，它在现代航空，航海，航天和国防工业中广泛使用的一种惯性导航仪器。传统的惯性陀螺仪主要部分有机械式的陀螺仪，而机械  式的陀螺仪对工艺结构的要求很高。70年代提出了现代光纤陀螺仪的基本设想，到八十年代以后，光纤陀螺仪就得到了非常迅速的发展，激光谐振陀螺仪也有了很  大的发展。光纤陀螺仪具有结构紧凑，灵敏度高，工作可靠。光纤陀螺仪在很多的领域已经完全取代了机械式的传统的陀螺仪，成为现代导航仪器中的关键部件。光纤陀螺仪同时发展的除了环式激光陀螺仪外。
陀螺仪传感器应用：
1、国防工业
陀螺仪传感器原本是运用到直升机模型上的，而它现在已经被广泛运用于手机这类移动便携设备上，不仅仅如此现代陀螺仪是一种能够精确地确定运动物体的方位的仪器，所以陀螺仪传感器是现代航空，航海，航天和国防工业应用中的必不可少的控制装置。陀螺仪传感器是法国的物理学家莱昂·傅科在研究地球自转时命名的，到如今一直是航空和航海上航行姿态及速率等最方便实用的参考仪表。
2、开门报警器
陀螺仪传感器新的应用：测量开门的角度，当门被打开一个角度后，发出报警声，或者结合GPRS模块发送短信以提醒门被打开了。另外，陀螺仪传感器集  成了加速度传感器的功能，当门被打开的瞬间，将产生一定的加速度值，陀螺仪传感器将会测量到这个加速度值，达到预设的门槛值后，将发出报警声，或者结合  GPRS模块发送短信以提醒门被打开了。报警器内还可以集成雷达感应测量功能，主要有人进入房间内移动时就会被雷达测量到。双重保险提醒防盗，可靠性高，  误报率低，非常适合重要场合的防盗报警。
加速度传感器
加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备。加速力就是当物体在加速过程中作用在物体上的力，就好比地球引力，也就是重力。加速力可以是个常量，比如g，也可以是变量。加速度计有两种：一种是角加速度计，是由陀螺仪（角速度传感器）的改进的。另一种就是线加速度计。
加速度传感器工作原理：
线加速度计的原理是惯性原理，也就是力的平衡，A(加速度)=F(惯性力)/M(质量)  我们只需要测量F就可以了。怎么测量F？用电磁力去平衡这个力就可以了。就可以得到  F对应于电流的关系。只需要用实验去标定这个比例系数就行了。当然中间的信号传输、放大、滤波就是电路的事了。
多数加速度传感器是根据压电效应的原理来工作的。
加速度传感器应用：
通过测量由于重力引起的加速度，你可以计算出设备相对于水平面的倾斜角度。通过分析动态加速度，你可以分析出设备移动的方式。但是刚开始的时候，你会发现光测量倾角和加速度好像不是很有用。但是，工程师们已经想出了很多方法获得更多的有用的信息。
陀螺仪传感器和加速度传感器的区别：
陀螺仪测角速度的，加速度是测线性加速度的。前者是惯性原理，后者是利用的力平衡原理。
加速度计在较长时间的测量值是正确的，而在较短时间内由于信号噪声的存在，而有误差。陀螺仪在较短时间内则比较准确而较长时间则会有与漂移而存有误差。因此，需要两者（相互调整）来确保航向的正确。

加速传感器 陀螺仪：陀螺仪传感器工作原理深度解析

原标题：陀螺仪传感器工作原理深度解析

前言：

看过盗梦空间的同志们一定对电影中的跟上图的小物件很熟悉——陀螺仪，那么它的工作原理是什么呢?在手机等移动设备中是怎么应用的呢?现如今的技术又是怎么样的呢?本文将带你深入了解!

一、陀螺仪的历史

最早的陀螺仪

陀螺仪最早是法国科学家在1850年在研究地球自转中获得灵感而发明的，如上图所示，将一个高速旋转的陀螺放到一个万向支架上，靠陀螺的方向来计算角速度，其简易图如下所示。

中间金色的转子即为陀螺，它因为惯性作用是不会受到影响的，周边的三个“钢圈”则会因为设备的改变姿态而跟着改变，通过这样来检测设备当前的状态，而这三个“钢圈”所在的轴，也就是三轴陀螺仪里面的“三轴”，即X轴、y轴、Z轴，三个轴围成的立体空间联合检测手机的各种动作，陀螺仪的最主要的作用在于可以测量角速度。

陀螺仪发明之后，首先应用在飞机上，后来有被德国用在导弹中，德国人设计出惯性指导系统，惯性制导系统可以采用陀螺仪确定方向和角速度，用加速度计测试加速度，就可以计算出导弹的路线，从而进行飞行姿态的控制。

传统的惯性陀螺仪主要是机械式的陀螺仪，机械式的陀螺仪对工艺结构等要求很高，结构复杂，它的精度受到了很多方面的制约。随着技术的逐渐发展，渐渐的发展处了光纤、激光陀螺仪等等各种较为先进的陀螺仪，目前手机中使用的为MEMS原理的陀螺仪，即硅微机电陀螺仪。(MEMS：是指集中机械元素、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的完整微型机电系统。

二、MEMS陀螺仪的工作原理

MEMS陀螺仪采用的是依赖于相互正交的震动和转动引起的交变科里奥利力。

MEMS陀螺仪利用coriolis，将旋转物体的角速度转换成与角速度成正比直流电压信号，其核心部件通过掺杂技术、光刻技术、腐蚀技术、LIGA技术、封装技术等批量生产的。

陀螺仪的内部原理是这样的：对固定指施加电压，并交替改变电压，让一个质量块做振荡式来回运动，当旋转时，会产生科里奥利加速度，此时就可以对其进行测量;这有点类似于加速度计，解码方法大致相同，都会用到放大器。

角速率由科氏加速度测量结果决定
科氏加速度=2 × (w × 质量块速度)
w是施加的角速率(w=2 πf)
通过14 kHz共振结构施加的速度(周期性运动)快速耦合到加速度计框架
科氏加速度与谐振器具有相同的频率和相位，因此可以抵消低速外部振动
该机械系统的结构与加速度计相似(微加工多晶硅)
信号调理(电压转换偏移)采用与加速度计类似的技术

施加变化的电压来回移动器件，此时器件只有水平运动没有垂直运动。如果施加旋转，可以看到器件会上下移动，外部指将感知该运动，从而就能拾取到与旋转相关的信号。

上面的动画，只是抽象展示了陀螺仪的工作原理，而真实的陀螺仪内部构造是下面这个样子，别不小心误会了哦~

三、陀螺仪的应用

“陀螺仪”是加速度传感器的升级版，加速度传感器能检测和感应某一轴向的线性动作，而陀螺仪能检测和感应3D空间的线性和动作，从而能够辨认方向、确认姿态、计算角速度。

自乔布斯发布第一款带陀螺仪的手机时，让手机玩极品飞车类的游戏就成为了可能。

首先就是能够对驾驶类游戏做出更真实的模拟。通过陀螺仪，能够对手机的偏转角度、速度、时间等进行测量，从而实现对游戏视野的变化和车辆方向速度的改变，让游戏的体验有了质的提升!

其次是能够帮助摄像头进行防抖(OIS)，通俗来说就是当你按下快门的那一刻，陀螺仪检测手机抖动的角度，然后根据角度来算出镜头模组需要补偿的距离，让镜头通过反向运动来抵消手机的抖动，从而实现镜头在拍摄的那一刻的绝对静止，提高成片率。

再次就是辅助GPS导航，在某些gps信号弱或者无信号的地方，比如隧道等，手机就可以根据之前定位的地点和陀螺仪检测的运动速度和时间和方向，推算出当前的位置，来达到暂时定位的目的。

在手机的具体应用中，通常会采用A+G方案，即将加速度传感器和陀螺仪做在一起，从而节省一路I2C。

文章来源：IOT开发社区 手机技术资讯

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