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別的尺度上集成電機(jī)和電子設(shè)備的裝置，能夠測量或保持方向。這是通過對旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的角速度進(jìn)行檢測和測量實(shí)現(xiàn)的。MEMS陀螺儀的工作原理基于科里奧利(Coriolis)效應(yīng)。這是一個物理現(xiàn)象，在旋轉(zhuǎn)參考系中，運(yùn)動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)會沿著一個軸(驅(qū)動軸)振動。當(dāng)設(shè)備旋轉(zhuǎn)時(shí)，科里奧利力將導(dǎo)致垂直于原始振動軸的一個軸(感應(yīng)軸)上的微小位移。這個位移可以通過電容或壓阻效應(yīng)檢測到，并轉(zhuǎn)化為電信號，最終用于計(jì)算角速度。

假如質(zhì)點(diǎn)以非?？斓乃俣妊剞D(zhuǎn)盤徑向做簡諧振動，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諧振動方向和轉(zhuǎn)盤角速度兩方向垂直的第三方向振動，利用這一原理就可制作出MEMS陀螺儀。

如果物體在圓盤上沒有徑向運(yùn)動，科里奧利力就不會產(chǎn)生。因此，在 MEMS 陀螺儀的設(shè)計(jì)上，這個物體被驅(qū)動，不停地來回做徑向運(yùn)動或者震蕩，與此對應(yīng)的科里奧利力就是不停地在橫向來回變化，并有可能使物體在橫向作微小震蕩，相位正好與驅(qū)動力差90 度。MEMS 陀螺儀通常有兩個方向的可移動電容板。徑向的電容板加震蕩電壓迫使物體作徑向運(yùn)動，橫向的電容板測量由于橫向科里奧利運(yùn)動帶來的電容變化。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)常會淹沒在各種噪聲中，測試電路測試精度還會受到各種寄生電容的影響，所以說設(shè)計(jì)高精度的微弱電容讀出電路是個巨大的挑戰(zhàn)。

陀螺儀的內(nèi)部原理是這樣的：對固定指施加電壓，并交替改變電壓，讓一個質(zhì)量塊做振蕩式來回運(yùn)動，當(dāng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，會產(chǎn)生科里奧利加速度，此時(shí)就可以對其進(jìn)行測量;這有點(diǎn)類似于加速度計(jì)，解碼方法大致相同，都會用到放大器。

角速率由科氏加速度測量結(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14 kHz共振結(jié)構(gòu)施加的速度(周期性運(yùn)動)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

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)

施加變化的電壓來回移動器件，此時(shí)器件只有水平運(yùn)動沒有垂直運(yùn)動。如果施加旋轉(zhuǎn)，可以看到器件會上下移動，外部指將感知該運(yùn)動，從而就能拾取到與旋轉(zhuǎn)相關(guān)的信號。

陀螺儀可以三個一起設(shè)計(jì)，分別對應(yīng)于所謂滾動、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)?，都需要知道這三個參數(shù)，這就會用到陀螺儀。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信號時(shí)，這些器件會記錄您的行蹤。

無人機(jī)在飛行作業(yè)時(shí)，獲取的無人機(jī)影像通常會攜帶配套的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)。