MEMS陀螺仪工作原理（MEMS陀螺仪的工作原理详细说明）

陀螺仪是一种用来测量角速度的装置。基于加速功能，可以进一步开发和构建。

陀螺仪的内部原理是这样的：给固定的手指施加电压，交替改变电压，使一个质量以振荡的方式来回运动。当它旋转时，会产生科里奥利加速度，然后可以测量；这有点类似于加速度计，解码方式大致相同，都是使用放大器。

该角度由科里奥利加速度测量值确定。

-科里奥利加速度=2 (w 质量速度)

-w是施加的角速率(w=2 f)

由14 kHz谐振结构施加的速度(周期性运动)快速耦合到加速度计框架。

-科里奥利加速度与谐振器同频同相，可以抵消低速外界振动。

机械系统的结构类似于加速度计(微加工多晶硅)。

信号调理(电压转换失调)采用与加速度计类似的技术。

所施加的电压使器件来回移动。此时，设备只能水平移动，不能垂直移动。如果施加旋转，可以看到设备将上下移动，外部手指将感知该移动，从而可以拾取与旋转相关的信号。

上面的动画只是抽象的展示了陀螺仪的工作原理，但是陀螺仪真实的内部结构如下。不要一不小心误会了~

PS:陀螺仪可以三个一起设计，分别对应所谓的滚转、俯仰和偏航。了解飞机的人都知道，俯仰是指飞机的上下方向，偏航是指左右方向，滚转是指向左或向右滚转。为了正确控制任何类型的飞机或导弹，我们需要知道这三个参数，这将使用陀螺仪。它们也常用于汽车导航。当汽车进入隧道并失去GPS信号时，这些设备会记录下你的行踪。

当无人机飞行时，获取的无人机图像通常携带支持POS数据。从而在处理图像时更加方便。POS数据主要包括GPS数据和IMU数据，即斜摄影测量中的外方位元素：(纬度、经度、高程、航向角()、俯仰角()、滚转角())。

GPS数据一般用X、Y、Z表示，代表飞机在飞行中暴露点的地理位置。

飞行控制系统由主控MCU和惯性测量单元(IMU)组成。IMU向传感器提供飞行器在太空中的姿态的原始数据。通常，陀螺仪传感器/加速度传感器/电子罗盘提供飞机的9自由度数据。

IMU中的传感器是用来感知飞行器在空中的姿态和运动状态的，这有个专有名词叫运动感知跟踪。运动感应技术中有四种基本的运动传感器，下面解释运动感应和跟踪的原理。

微机电系统(MEMS)

IMU用的传感器基本都是MEMS，是半导体行业非常重要的一个分支。

微电子机械系统(MEMS)是一种先进的制造技术平台。微机电系统(MEMS)是在半导体制造技术基础上发展起来的微米级机械系统。

我们四轴飞行器使用的加速度计MPU6050和电子罗盘HMC5883L都是MEMS，属于传感MEMS的分支。传感MEMS技术是指通过微电子和微机械加工，使用电容、压电、压阻、热电偶、谐振、隧道电流等敏感元件的器件和系统。去感受转换后的电信号。

加速器(重力传感器)

加速器可以用来感测线性加速度和倾斜角，单轴或多轴加速器可以感测组合的线性和重力加速度的幅度和方向。带有加速器的产品只能提供有限的运动感应功能。

该加速度计具有良好的低频特性，可以测量低速时的静态加速度。在我们的飞行器中，是重力加速度G(也就是前面说的静态加速度)的测量和分析，其他的瞬时加速度可以忽略。记住这一点对于态度解决和融合理解非常重要。

当我们把加速度计拿在手里，随意旋转时，我们看的是重力加速度在三个轴上的分量值。当加速度计自由落体时，其输出为0。为什么会这样？这就涉及到加速度计的设计原理：加速度计是通过特定的力来测量加速度，而不是通过加速度。

陀螺仪(陀螺仪)

陀螺仪是利用高速旋转体的动量矩来感知壳体相对于惯性空间绕一个或两个与旋转轴正交的轴的角运动的角运动检测装置。用其他原理制成的角运动检测器件也叫陀螺仪，作用相同。

陀螺仪可以感知一个或多个轴的旋转角速度，可以精确感知自由空间中的复杂运动。因此，陀螺仪成为跟踪物体运动位置和旋转的必备运动传感器。与加速器、电子罗盘不同，陀螺仪可以在没有任何重力、磁场等外力的情况下独立发挥作用。因此，理论上，仅通过陀螺仪就可以完成姿态导航的任务。

陀螺仪的特点是具有良好的高频特性，可以测量高速旋转。缺点是有零点漂移，易受温度/加速度等影响。

电子罗盘(电子罗盘)

电子罗盘又称数字罗盘、磁强计，是利用地磁场确定北极的方法。目前一般有磁阻传感器和磁通门制作的电子罗盘。

电子罗盘可以通过地球磁场感知方向。消费电子应用使用电子罗盘，移动电话中包含的地图应用显示正确的方向，或者向导航应用提供前进方向数据。而电子设备或建筑材料的磁场干扰比地球磁场更强，使得电子罗盘传感器的输出值更容易受到各种环境因素的影响，尤其是在室内。因此，电子罗盘需要经常校准，以保持航向数据的准确性。

压力传感器(气压计)

压力传感器也叫气压计，可以通过气压的变化来感知物体的相对和绝对高度。它通常用于与运动、健身、方向估计和其他应用相关的消费产品中。例如，它可以感知用户的移动楼层，并调整地图信息。

IMU数据主要包括航向角(Phi)、俯仰角(Omega)和滚转角(Kappa)三个数据。

1.航向角()

航向角的缩写是Phi。定义为：飞机和航天飞机的纵轴与地球北极的夹角。

示意图如下图所示：

2.螺旋角()

俯仰角的英文缩写是Omega。定义为：平行于机身轴线并指向飞机前方的矢量与地面的夹角。

示意图如下：

3.滚动角(卡帕值)

滚角也叫滚角，缩写为Kappa。定义为：光轴与十个圆的夹角。

示意图如下图所示：