陀螺仪技术及其应用一般性介绍.ppt

1、陀螺仪技术及其应用概述，作者： She郭俊，日期：2011年3月29日，基本机械术语综述，刚体：受力时不会改变其形状和体积的物体。自由度：建立一个物体需要多少维度的坐标。直线是一维的，平面是二维的，空间是三维的。刚体的平移：当刚体运动时，如果刚体上的任何给定直线始终保持平衡，这种运动称为刚体的平移。平移时，刚体上每个点的运动都是完全相同的，所以刚体的运动可以用一个质点来表示。平移刚体的自由度为3。刚体定轴转动：所有的元素在与直线垂直的平面上做圆周运动，圆心在直线上，这叫刚体定轴转动。这条线叫做旋转轴。在固定轴上旋转的刚体只有一个自由度，通常由角位置(角位移)决定。刚体进动：当刚体绕其对称轴旋转

2、时，其对称轴也将绕另一个垂直轴旋转(也称为进动)。基本公式对照表，平移位移S速度V匀速直线运动V=ds/dt匀速直线运动V=V0 at，V=V0t 0.5at2，S=(V22- V12)/2a动量P=mv力F冲量F*dt牛顿定律F=ma动量定理I=p2-p1动量守恒定律结合外力冲量等于0动量守恒平移动能Ek=0.5mv2力功F*ds动能定理结合外力功等于动能变化、坐标系问题，当描述一个人的运动时例如，一个在地球附近运动的物体，一方面相对于地球有运动，同时地球也相对于惯性空间有运动，所以至少需要三套坐标系，即惯性坐标系(固定坐标系)、固定在地球上的坐标系和固定在物体上的坐标系。 只有这样才能完整

3、地描述物体相对于惯性坐标系的运动。围绕固定点旋转的运动坐标系的合成定理和更一般的结论，所谓围绕固定点旋转的运动坐标系意味着与运动坐标系固定连接的物体围绕空间中的固定点旋转。见右图。在图中，OXZ是一个固定坐标系，OXZ是一个移动坐标系，移动坐标系可以围绕一个固定点任意旋转.让移动点M在OXZ中有一个运动轨迹AB。r代表运动坐标OXZ中运动点m的位置向量，r代表固定坐标系中运动点m的位置向量，R0代表固定坐标系中运动坐标系中固定点o的位置向量。经过一系列的数学运算，如求导和混合积变换对称性，可以得到如下结论：运动坐标系绕固定点旋转的合成定理：运动点M到固定坐标系的绝对速度等于相对速度和牵连速度的

4、矢量和。相对速度指的是移动点M相对于OXZ移动坐标系的速度，牵引速度指的是移动点M相对于固定坐标系OXZ的速度，由移动坐标系相对于固定坐标系的运动引起，即Vabsolute=V相速度。更一般地说，我们可以得到任何随时间变化的运动矢量的绝对运动定理，即：科里奥利旋转坐标定理：绝对运动=相对运动包含运动。陀螺仪介绍。一般来说，陀螺仪是指绕支点高速旋转的对称刚体，它的几何对称轴就是它的旋转轴。陀螺仪基本上是一种定向仪器，它是利用物体高速旋转时，角动量大，旋转轴始终稳定指向一个方向的特性制造的。陀螺仪的基本功能是定位(或定向)。例如，高速飞行的导弹由于各种干扰必然会偏离目标，但如果导弹中装有陀螺仪，它

5、可以自动调整自己的运动，并始终瞄准要击中的目标。再举一个例子，当一辆坦克在不平的道路上行驶时，车身会上下颠簸，但枪管会以h陀螺仪的方位角和进动：当陀螺仪转子高速旋转且没有外部力矩作用在陀螺仪上时，陀螺仪旋转轴在惯性空间中的方向保持不变，即它指向一个固定的方向，并抵抗任何改变轴的轴向方向的力。这种现象称为陀螺仪的同轴度或稳定性。转子的转动惯量越大，稳定性越好。转子的角速度越大，稳定性越好。进动：当转子高速旋转时，如果外部扭矩作用在外环轴上，陀螺仪将绕内环轴旋转；如果外力矩作用在内环轴上，陀螺仪将绕外环轴旋转，其旋转角速度方向与外力矩作用方向垂直，这称为陀螺仪的进动。外力越大，进动角速度越大；转子

6、的惯性矩越大，进动角速度越小。转子角速度越大，进动角速度越小。在工程问题中，为了使刚体绕一个固定点转动，通常采用球铰和框架体系。框架系统是陀螺仪的支撑方式。看图，分析时注意几个问题；陀螺仪是一个刚体，也称为转子。刚体的旋转轴通过一对轴承安装在内框架上。内框架通过一对轴承安装在外框架上。外框通过一对轴承安装在底座上。基地是静止的，其他一切都在移动。研究系统共有四套坐标系，即基础坐标系OXYZ、外框架坐标系Ox1y2z3、内框架坐标系Oxyz和旋转轴坐标系Oxyz。其中，基准坐标系OYZ是固定的，其他三个坐标系可以绕支点O自由旋转，从图中可以看出陀螺系统可以分别绕旋转轴、内框轴和外框轴旋转。托罗吉

7、的原理及应用。第6页至第7页详细分析了当外框架、内框架和转子本身旋转时，每个坐标与固定坐标系之间的旋转角度。通过三次旋转，可以获得三个方向上的共旋转角，并且可以通过三个角度完全确定转子相对于固定坐标系OXZ的位置。单自由度陀螺仪：仅围绕旋转轴的轴线旋转；围绕旋转轴和内框架同时旋转三自由度陀螺仪；围绕旋转轴和内外框架同时旋转；效果图如下：陀螺仪产品类型及性能分析，传统机械陀螺仪，光纤陀螺仪微机电陀螺仪(目前最常用)。微机电陀螺是由微机电技术和工艺制成的角速度传感器。它利用科里奥利定理将旋转物体的角速度或角范围转换成与角速度成正比的DC电压信号。微机电陀螺仪可应用于消费电子、汽车安全、车载全球定位

8、系统辅助导航、航空航天、生物医学等领域。分辨率：在指定的输入角速度或角位移下，陀螺仪能够感知的最小增量。阈值：陀螺仪能够感知的最小角速度或角位移变化。是阈值。测量范围：陀螺仪在正向和反向输入的角速度或角范围的最大值。非线性：在输入角速度或角位移范围内，陀螺仪输出与最小二乘拟合线的最大偏差与最大输出之比。这些参数是判断微机电陀螺仪性能的重要标志，也决定了陀螺仪的应用环境。陀螺仪和加速度计的区别在于，陀螺仪是一种测量空间物体角速度或角范围的装置，不受地球球体重力的影响，具有良好的信噪比。加速度计是一种测量线性变化和地球重力的装置。当物体倾斜时，信号受到很大影响。事实上，为了正确描述线性和旋转运动，

9、设计人员需要同时使用陀螺仪和加速度计。s的方案但是当同时处理线性运动和旋转运动时，有必要使用陀螺仪和加速度计。当跟踪倾斜和旋转时，加速度计在设备不移动时提供更精确的加速度测量，而微机电系统陀螺仪在设备移动时具有更高的测量精度。如下图所示，传感器融合算法通常用于组合加速度计和陀螺仪的数据，从而实现宽频带的正确旋转测量。2010年6月7日，苹果发布了iPhone4，这是世界上第一款支持微机电陀螺仪的智能手机。微机电加速度计已被其他智能手机制造商广泛使用。然而，苹果率先在其微机电加速度计中增加了一个3轴微机电陀螺仪，这将使其领先于其他竞争对手。地磁仪器的定义，用于测量地磁场强度和方向的仪器的通称，一

10、些主要制造商，神迪半导体：提供单自由度和三自由度的微机电陀螺仪。上海总部地址：上海浦东新区张江科技园陈晖路88号金蝶软件园1号楼307室，邮箱：电话：86(0)21-50276900传真：86 (0) 21-5027666电话5111传真站：200241地址：4号楼55551 拥有业内最丰富的微机电陀螺仪系列。这种惯性检测技术可以检测和测量物体的角速度(即物体的旋转速度)，有助于在工业、医疗、通信、消费电子和汽车市场实现各种不同的应用。 与市场上的其他陀螺仪相比，当性能在恶劣条件下极其重要时，iMEMS陀螺仪更可靠、更节能、更易于使用、更紧凑且更具成本效益。ISensor智能传感器陀螺仪可以提供更高的集成度和增强的性能，包括：应用目标功能；全面的工厂校准有利于降低成本，缩短生产测试时间；同时，提供了一个简单的可编程接口，以确保轻松