MEMS陀螺儀的應(yīng)用原理是什么？詳細(xì)介紹

微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)陀螺儀是一種在微米級(jí)別的尺度上集成電機(jī)和電子設(shè)備的裝置，能夠測(cè)量或保持方向。這是通過(guò)對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的角速度進(jìn)行檢測(cè)和測(cè)量實(shí)現(xiàn)的。MEMS陀螺儀的工作原理基于科里奧利(Coriolis)效應(yīng)。這是一個(gè)物理現(xiàn)象，在旋轉(zhuǎn)參考系中，運(yùn)動(dòng)物體受到一種橫向的力，稱為科里奧利力。在MEMS陀螺儀中，微型結(jié)構(gòu)會(huì)沿著一個(gè)軸(驅(qū)動(dòng)軸)振動(dòng)。當(dāng)設(shè)備旋轉(zhuǎn)時(shí)，科里奧利力將導(dǎo)致垂直于原始振動(dòng)軸的一個(gè)軸(感應(yīng)軸)上的微小位移。這個(gè)位移可以通過(guò)電容或壓阻效應(yīng)檢測(cè)到，并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，最終用于計(jì)算角速度。

假如質(zhì)點(diǎn)以非常快的速度沿轉(zhuǎn)盤徑向做簡(jiǎn)諧振動(dòng)，利用右手旋進(jìn)準(zhǔn)則可判斷出，質(zhì)點(diǎn)將在轉(zhuǎn)盤上不停地沿垂直于簡(jiǎn)諧振動(dòng)方向和轉(zhuǎn)盤角速度兩方向垂直的第三方向振動(dòng)，利用這一原理就可制作出MEMS陀螺儀。

如果物體在圓盤上沒(méi)有徑向運(yùn)動(dòng)，科里奧利力就不會(huì)產(chǎn)生。因此，在 MEMS 陀螺儀的設(shè)計(jì)上，這個(gè)物體被驅(qū)動(dòng)，不停地來(lái)回做徑向運(yùn)動(dòng)或者震蕩，與此對(duì)應(yīng)的科里奧利力就是不停地在橫向來(lái)回變化，并有可能使物體在橫向作微小震蕩，相位正好與驅(qū)動(dòng)力差90 度。MEMS 陀螺儀通常有兩個(gè)方向的可移動(dòng)電容板。徑向的電容板加震蕩電壓迫使物體作徑向運(yùn)動(dòng)，橫向的電容板測(cè)量由于橫向科里奧利運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的電容變化。因?yàn)榭评飱W利力正比于角速度，所以由電容的變化可以計(jì)算出角速度。

MEMS 傳感器的傳感電容變化量極其微小，比如典型的表面微加工的加速度計(jì)，傳感電容原始值僅為50 fF~1 pF，傳感電容極板間初始距離為1μm 左右，相應(yīng)所產(chǎn)生的傳感電容變化量只有0.38×10-18 F。如此小的電容變化量經(jīng)常會(huì)淹沒(méi)在各種噪聲中，測(cè)試電路測(cè)試精度還會(huì)受到各種寄生電容的影響，所以說(shuō)設(shè)計(jì)高精度的微弱電容讀出電路是個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

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)。

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)。