什么是陀螺仪呢(陀螺仪的基本知识)
介绍了惯性测量单元(IMU)在自动驾驶和导航中的重要作用,陀螺仪是IMU的重要组成部分。那么什么是陀螺仪呢?接下来,让让我们从头开始学习陀螺仪的基本知识。
陀螺仪的另一个名字也叫角速度传感器。从定义上看,陀螺仪是一种测量载体角运动或角速度的传感器。从应用来看,陀螺仪多用于导航定位系统的常见例子,如手机GPS定位导航、卫星三轴陀螺仪定位等。陀螺仪的精度在整个过程中起着至关重要的作用,即高精度陀螺仪直接决定了惯性导航系统的精度和制导与自动控制系统的性能质量。
早在17世纪,在牛顿的一生中,对高速旋转刚体的力学进行了深入的研究,为机械框架陀螺仪奠定了理论基础。1852年,法国物理学家福柯为了验证地球的自转,制作了最早的福柯陀螺仪,并正式提出了陀螺。但由于当时制造技术水平较低,陀螺仪误差较大,无法观测和验证地球自转。到19世纪末20世纪初,电机和滚珠轴承的发明为制造高性能陀螺仪提供了强大的物质条件。同时,导航技术的发展将陀螺仪推向了实用阶段。20世纪初,航海业蓬勃发展,德国探险家安海斯(Anheuser)想乘潜艇探索北极。1904年,他创造了世界他发明了第一个导航陀螺罗盘,为陀螺仪器在运动物体上指示方向开辟了道路。与此同时,德国科学家舒勒创造了舒勒调谐理论,这成为陀螺罗盘和导航仪器的理论基础。
中国是世界上文明发展最早的国家之一,陀螺技术在中国有很多发明。例如,在传统杂技艺术中表演的快速旋转圆盘程序利用了快速旋转刚体的稳定性。至于支撑高速旋转刚体的万向节的应用,在西汉末年,有人创造了卧香炉其原理与目前的万向节相同。这种香炉可以绕一圈,炉体始终是平的,所以可以放在床上。其实香炉是放在一个空心球里,由两个圆环竖立起来的。利用相互垂直的转轴和香炉本身的质量,使香炉在小球任意滚动时始终保持稳定,不会溢出。
随着航空工业的发展,20世纪30年代,出现了气动陀螺地平仪、定向仪和转向仪。第二次世界大战结束时,陀螺仪被用作导弹制导系统中的敏感元件。特别是20世纪60年代以来,随着科学技术的发展,为了满足现代航空、航海特别是航天导航的新要求,各种新型陀螺仪相继出现。目前,陀螺仪正朝着超高精度、长寿命、小尺寸、低成本的方向发展。
那么,陀螺仪到底是什么?陀螺仪的传统定义是:一个对称、平衡的高速旋转刚体(在外力作用下不发生变形的物体),由特殊的悬挂装置支撑,使旋转刚体绕另一个(或两个)与旋转轴不重合(或不平行)的轴旋转。其中,陀螺仪的对称轴,即旋转轴,称为陀螺主轴。研究这类陀螺运动特性的理论是动力学中刚体绕定点运动的动力学理论。
陀螺仪的传统定义包括一大类陀螺仪,称为机械转子陀螺仪,如框架陀螺仪、浮动陀螺仪、柔性陀螺仪、静电陀螺仪等。所有这些都依赖于转子的高速旋转来测量角速度信息。
随着相关技术的发展,各种具有新原理的陀螺仪被开发出来,并具有全新的特性,陀螺仪家族的阵营不断扩大
自从斯佩里发明了世界第一个实用的陀螺仪,陀螺仪技术经历了近百年的发展。下图是陀螺技术百年发展史的简要回顾。
回顾近百年来陀螺技术的发展,大致可以分为以下三个阶段:
第一阶段:机械转子陀螺阶段
它始于20世纪40年代,当时代表性的应用是在二战末期德国研制的V-2导弹上。无论哪种机械转子陀螺,其基本工作原理都是基于牛顿第二定律(F=ma)。传统机械转子陀螺的发展过程可以说是与框架支撑的干扰力矩作斗争的过程。时间长了,提高陀螺性能的主要问题是如何克服作用在陀螺框架轴上的各种外界干扰力矩,从而保持其旋转轴在空间的精确方向。根据这一思想,人们已经成功地研制出了液浮陀螺、静压气浮陀螺、动压气浮陀螺、三重浮陀螺和静电陀螺。如下图,列出了各种机械转子陀螺仪的外观照片。
第二阶段:光学陀螺阶段
60年代末70年代初,微型计算机技术被引入惯性导航系统,出现了陀螺仪直接固定在运动载体上的捷联式惯性导航系统。捷联惯导系统用数学平台代替了原来的物理平台。早期捷联惯导系统中使用的陀螺仪的典型代表是动力调谐陀螺仪。
光学陀螺作为一种全新的全固态陀螺,是根据爱因斯坦相对论(E=mc2)。70年代中期,环形激光陀螺问世,这是陀螺史上最大的技术进步。80年代中期,干涉型光纤陀螺研制成功。激光陀螺和光纤陀螺的研制成功,开辟了光学陀螺导航的新时代。光学陀螺的称号继承自机械转子陀螺,实际上是一种角速率传感器。光学陀螺作为一种性能优异的惯性传感器美国地位的提升应归功于捷联惯性导航系统的出现。相反,正是因为它的研制成功,捷联惯导系统才变得实用。
目前光学陀螺主要有环形激光陀螺和干涉型光纤陀螺(见下图)。它们是捷联惯性导航系统的理想元件,已经应用于几乎所有类型的惯性导航系统。
第三阶段:MEMS陀螺阶段
20世纪80年代初,在微/纳米技术(分别为10-6/10-9米)这一引人注目的前沿技术的背景下,微机电系统(MEMS)吸引了人们受到广泛关注。MEMS是指设计、加工、制造、测量和控制微米/纳米材料的技术。它可以将机械部件、光学系统、驱动部件和电气控制系统集成为一个完整的微系统单元。这种微机电系统不仅可以收集、处理和发送信息或指令,还可以根据获取的信息独立或根据外部指令采取行动。它采用微电子技术与微机械加工技术(包括硅微机械加工、硅表面微机械加工、LIGA和晶圆键合技术)相结合的制造工艺,制造出性能优异、价格低廉、小型化的各种传感器、执行器、驱动器和微系统。MEMS是近年来发展起来的一门新兴的交叉学科技术,它将对未来人类生活产生革命性的影响。涉及力学、电子学、化学、物理、光学、生物、材料等多个学科。
在此基础上,80年代中期,出现了微机械陀螺仪,即MEMS陀螺仪,又称硅微陀螺仪。它是通过微/纳米技术在不到1毫米见方的硅片上制造的,使用了类似于半导体加工技术的微电子技术。它的制作是采用半导体生产中成熟的沉积、刻蚀和掺杂工艺,将机械器件和电子电路集成在微小的硅片上完成的。最终形成集成电路芯片大小的微型陀螺仪。多年以后努力,1989年第一个采用MEMS技术的微机械陀螺仪问世,漂移率达到了每小时10度。它的出现是MEMS技术的一个代表性成果,也带来了惯性技术领域的一场新革命。由于采用了成熟的半导体加工工艺,这种陀螺从概念提出到批量投产,只用了五六年的时间。
微陀螺仪(MEMS陀螺仪)和其他振动陀螺仪一样,工作原理是科里奥利效应。所有的微机械陀螺都是非旋转器件,通过获得振动机械元件上的科里奥利加速度效应来实现角速度检测。也就是说,检测质量在平面内正弦振动。如果平面以角速度旋转,科里奥利力会使质量在垂直于平面的方向上作正弦振动,其振幅与成正比。通过测量科里奥利力引起的运动,可以得到信号,这是微机械陀螺仪的基本工作原理。
低成本微机械陀螺仪的研制成功,极大地拓展了惯性导航系统的应用领域,许多以前无法实现的应用成为现实,特别是加速了军事上战术武器制导的进程。目前,MEMS陀螺仪在车辆导航中应用最为广泛。
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