三軸陀螺儀在應(yīng)用中的技術(shù)原理是什么？

MEMS陀螺儀是科里奧利力的最常見(jiàn)應(yīng)用，MEMS陀螺儀利用科里奧利力(旋轉(zhuǎn)物體在徑向運(yùn)動(dòng)時(shí)所受到的切向力)，旋轉(zhuǎn)中的陀螺儀可對(duì)各種形式的直線運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生反映，通過(guò)記錄陀螺儀部件受到的科里奧利力可以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的測(cè)量與控制。為了產(chǎn)生這種力，MEMS陀螺儀通常安裝有兩個(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?！边@樣，MEMS陀螺儀內(nèi)的“陀螺物體”在驅(qū)動(dòng)下就會(huì)不停地來(lái)回做徑向運(yùn)動(dòng)或震蕩，從而模擬出科里奧利力不停地在橫向來(lái)回變化的運(yùn)動(dòng)，并可在橫向作與驅(qū)動(dòng)力差90°的微小震蕩。這種科里奧利力好比角速度，所以由電容的變化便可以計(jì)算出MEMS陀螺儀的角速度。

以意法半導(dǎo)體的MEMS陀螺儀為例，其核心元件是一個(gè)微加工機(jī)械單元，在設(shè)計(jì)上按照一個(gè)音叉機(jī)制運(yùn)轉(zhuǎn)(音叉機(jī)制的工作原理是通過(guò)安裝在音叉基座上的一對(duì)壓電晶體使音叉在一定共振頻率下振動(dòng)，當(dāng)音叉開(kāi)關(guān)的音叉與被測(cè)介質(zhì)相接觸時(shí)，音叉的頻率和振幅將改變，音叉開(kāi)關(guān)的這些變化由智能電路來(lái)進(jìn)行檢測(cè)，處理并將之轉(zhuǎn)換為一個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào))。電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分通過(guò)靜電驅(qū)動(dòng)方法，使機(jī)械元件前后振蕩，產(chǎn)生諧振，利用科里奧利力把角速率轉(zhuǎn)換成一個(gè)特定感應(yīng)結(jié)構(gòu)的位移，兩個(gè)正在運(yùn)動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)向相反方向做連續(xù)運(yùn)動(dòng)。只要從外部施加一個(gè)角速率，就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)力，力的方向垂直于質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向。產(chǎn)生的力使感應(yīng)質(zhì)點(diǎn)發(fā)生位移，位移大小與所施加的加速度速率大小成正比，位于旁邊的傳感器就能感應(yīng)出在定子和轉(zhuǎn)子之間引起的電容變化，從而實(shí)現(xiàn)操控功能。并且，由于在控制電路內(nèi)部嵌入了先進(jìn)的電源關(guān)斷功能，可以在不需要傳感器功能的時(shí)候關(guān)閉整個(gè)傳感器，或讓其進(jìn)入深度睡眠模式，便可大幅降低陀螺儀的總功耗。從而像手機(jī)等便攜式設(shè)備就會(huì)由此獲得更長(zhǎng)的續(xù)航時(shí)間。

現(xiàn)代光纖陀螺儀包括干涉式陀螺儀和諧振式陀螺儀兩種，它們都是根據(jù)塞格尼克的理論發(fā)展起來(lái)的。塞格尼克理論的要點(diǎn)是這樣的：當(dāng)光束在一個(gè)環(huán)形的通道中前進(jìn)時(shí)，如果環(huán)形通道本身具有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)速度，那么光線沿著通道轉(zhuǎn)動(dòng)的方向前進(jìn)所需要的時(shí)間要比沿著這個(gè)通道轉(zhuǎn)動(dòng)相反的方向前進(jìn)所需要的時(shí)間要多。也就是說(shuō)當(dāng)光學(xué)環(huán)路轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在不同的前進(jìn)方向上，光學(xué)環(huán)路的光程相對(duì)于環(huán)路在靜止時(shí)的光程都會(huì)產(chǎn)生變化。利用這種光程的變化，如果使不同方向上前進(jìn)的光之間產(chǎn)生干涉來(lái)測(cè)量環(huán)路的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，這樣就可以制造出干涉式光纖陀螺儀，如果利用這種環(huán)路光程的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)在環(huán)路中不斷循環(huán)的光之間的干涉，也就是通過(guò)調(diào)整光纖環(huán)路的光的諧振頻率進(jìn)而測(cè)量環(huán)路的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，就可以制造出諧振式的光纖陀螺儀。從這個(gè)簡(jiǎn)單的介紹可以看出，干涉式陀螺儀在實(shí)現(xiàn)干涉時(shí)的光程差小，所以它所要求的光源可以有較大的頻譜寬度，而諧振式的陀螺儀在實(shí)現(xiàn)干涉時(shí)，它的光程差較大，所以它所要求的光源必須有很好的單色性。

三軸陀螺儀在許多應(yīng)用中發(fā)揮著重要的作用，其主要功能如下：

1. 姿態(tài)感知和控制：三軸陀螺儀可以檢測(cè)物體的旋轉(zhuǎn)速度，提供關(guān)于物體姿態(tài)(如俯仰、橫滾和偏航)的信息。這對(duì)于姿態(tài)控制、平衡調(diào)節(jié)和導(dǎo)航非常關(guān)鍵。例如，在飛行器或機(jī)器人中使用陀螺儀來(lái)穩(wěn)定飛行或保持平衡。

2. 運(yùn)動(dòng)檢測(cè)和跟蹤：三軸陀螺儀可以檢測(cè)物體的加速度變化，從而提供關(guān)于物體的線性運(yùn)動(dòng)和姿態(tài)的信息。這對(duì)于運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、手勢(shì)識(shí)別、動(dòng)作捕捉等應(yīng)用非常有用。它被廣泛應(yīng)用于游戲控制器、運(yùn)動(dòng)追蹤設(shè)備和虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中。

3. 導(dǎo)航和定位：三軸陀螺儀結(jié)合其他傳感器(如加速度計(jì)、磁力計(jì)和GPS)可以提供更準(zhǔn)確的導(dǎo)航和定位信息。陀螺儀可以用于測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)速度，并結(jié)合其他傳感器的數(shù)據(jù)來(lái)估計(jì)物體的位置、方向和運(yùn)動(dòng)軌跡。這在無(wú)人機(jī)、航空航天、汽車導(dǎo)航和智能手機(jī)中的導(dǎo)航應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用。

4. 手持設(shè)備穩(wěn)定性：三軸陀螺儀在手持設(shè)備中用于穩(wěn)定圖像和視頻。通過(guò)檢測(cè)設(shè)備的旋轉(zhuǎn)和晃動(dòng)，陀螺儀可以自動(dòng)調(diào)整圖像穩(wěn)定器和防抖功能，提供更平滑和穩(wěn)定的圖像和視頻質(zhì)量。