陀螺漂移
陀螺仪和加速度计的精度漂移原理
陀螺仪和加速度计的精度漂移原理
陀螺仪和加速度计是惯性传感器，用于测量物体的姿态和加速度。
它们都存在
精度漂移的问题，但原理略有不同。
陀螺仪通过测量物体的角速度来确定其旋转状态。
其精度漂移主要由两个原因
引起：器件内部的噪声和器件本身的不完美特性。
首先，陀螺仪内部存在噪声源，如温度变化、电子元件的不均匀性和机械振动等。
这些噪声会引起输出信号的波动，从而导致精度漂移。
此外，陀螺仪的灵敏度也可能会随时间发生变化，进一步增加了漂移的可能性。
其次，陀螺仪的不完美特性也会导致精度漂移。
例如，陀螺仪的零偏误差（Bias）是指在无旋转状态下输出的非零信号，这会导致姿态测量的误差。
此外，
陀螺仪还可能受到机械结构的非线性影响，进一步增加了精度漂移的可能性。
与陀螺仪不同，加速度计测量的是物体的加速度。
它的精度漂移主要由重力、
振动和温度等因素引起。
首先，重力是一个常量，但在实际应用中，加速度计可能受到非重力加速度的
影响，例如振动或外力干扰。
这些非重力加速度会引起加速度计输出的误差，从而导致精度漂移。
其次，加速度计的灵敏度也可能受到温度的影响。
温度变化会导致加速度计内
部元件的特性发生变化，从而引起输出信号的波动。
综上所述，陀螺仪和加速度计的精度漂移主要受到内部噪声、器件特性、重力、振动和温度等因素的影响。
为了减少精度漂移，常常需要采取校准、滤波、温度补偿等方法来对传感器进行校正和补偿，以提高其测量的准确性和稳定性。
光纤陀螺随机漂移辨识方法研究
．
Ｔ ｅ ｒ ｓ ｉ ｏ Ｓ ｎ ｌｎ ｖ ｒ ｎ ｅ ｈ ｅ ｕ ｔ ｆ Ｄ ａ ｄ Ａｌ ａ ｉ ｃ Ｐ ａ ａ
ａｅ ｓｍｉ ｒｔ ｈ ａａ ｔ ｒ ｆｓ ｅ ｉ ｃ ｔ ｎ ． ｈ ｌ ｎ ｖ ｒ ｎ ｅ ｃ ｕ ｄ ｂ ｓ ｄ ａ ｅｅ ｅ ｃ ｏ ｈ ＯＧ ｒ ｎ ｏ ｒ ｉ ｌ ｔ ｅ ｐ ｒ ｍｅ ｅ ｓｏ ｐ ｃｆ ａｉ ｓ Ｔ ｅ Ａｌ ａ ｉ ｃ ｏ ｌ ｅ ｕ ｅ ｓｒ ｆｒ ｎ ｅ ｆｒｔ ｅ Ｆ ａ ｄ ｍ ａ ｏ ｉ ｏ ａ ａ ｄｉｓ ｒ ． ｔ ｆ
ａ ｇｅ ｒ ｔ ａ ｄ ｍ ｌ ｉ ｇ ｃ ｎ ｏ ｌ ｅ ｒ ｃ ｇ ｉｅ ｓｎ ｌ ｎ ｖ ｒ ｎ ｅ Ｔ ｅ ａ ｇｅ ｒ ｎ ｏ ｗａｋ ｎ ａ ａ ｔｒ ｏ ｎ ｌ ａｅ ｒ ｎ ｏ ｗａｋｎ ａ ｎｙ ｂ ｅ ｏ ｎｚ ｄ ｕ ｉ ｇ Ａ ｌ ａ ｉ ｃ ． ｈ ｎ ｌ ａ ｄ ｍ ｌ ｉｇ ｐ ｒ ｍｅｅ ｆ ａ ａ
５ ０
传感器与微系统 （ ｒｎｄ ｃｒ ｎ ｃｏｙｔ ｅｈ ｏ ｇ ｓ Ｔａｓｕｅ ｄＭｉ ｓｓ ｍ Ｔ ｃｎ ｌ ｉ ） ａ ｒ ｅ ｏｅ
２１ ０ 第 ３ １年 ０卷 第 ９期
张秋 昭 ，张书毕 ， 东阳 侯
（ ． 国矿 业 大 学 国土 环 境 与灾 害监 测 国 家测 绘局 重 点 实验 室 ， 苏 徐 州 ２ １ １ ； １中 江 ２ １６
ｄ ｔ ． ｈ ｅ ｕ ｔｓ ｏ ｓ ｔ ａ ｈ ｎ ｌ ａ ｄ ｍ ａ ｋｎ ｏｓ ａ ｅ ｉ ｅ ｔ ｅ ｙ ａ ｌｔ ｅ ｔｒ ｅ ｍｅ ｈ ｄ ， ｎ ｈ ａａ Ｔ ｅ ｒ ｓ ｌ ｈ ｗ ｈ ｔ ｔ ｅ ａ ｇ ｅ ｒ ｎ ｏ ｗ ｌ ｉ ｇ ｎ ｉｅ ｃ ｎ ｂ ｄ ｎ ｉ ｄ ｂ ｌ ｈ ｈ ｅ ｔ ｏ ｓ ａ ｄ ｔ ｅ ｉ ｆ
稳定平台中陀螺漂移自适应实时估计算法_张智永
９］ 图 ２ 陀螺稳定平台伺服控制系统结构 ［
ｒ ｏ ｌ ａ ｔ ｆ ｏ ｒ ｍ９ Ｆ ｉ ． ２ Ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｏ ｆ ｓ ｅ ｒ ｖ ｏ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｓ ｓ ｔ ｅ ｍ ｏ ｆ ｓ ｔ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｚ ｅ ｄ － － ｇ ｙ ｐ ｇ ｙ
［ ］ ３ ７ －
， 进行了广泛的研究并取得一定的效
果 。 但就稳定平 台 漂 移 补 偿 而 言 ， 还存在如下问 题： 如 低 通 滤 波、 卡尔曼滤 ① 各类信号处理手段， 波、 前向线性预测滤波（ Ｆ ｏ ｒ ｗ ａ ｒ ｄ Ｌ ｉ ｎ ｅ ａ ｒ Ｐ ｒ ｅ ｄ ｉ ｃ － ， 、 小 波 滤 波， 均是抑制陀螺噪声 ｔ ｉ ｏ ｎ Ｆ ｉ ｌ ｔ ｅ ｒ Ｆ Ｌ Ｐ） ， 的中高频信号 对补偿陀螺常值漂移作用不大 ； ② 从短期来看 ， 陀螺常值漂移为固定随机数 ， 但长期
。 陀螺作为稳定平台核心测量元件 ， 其误
差对平台性能有 很 大 影 响 ， 如陀螺常值漂移会造 陀螺相关漂移会 成平台漂移随时 间 呈 线 性 增 长 ， 造成平台漂移的随机游走 。 而平台漂移会带来图 像的 扰 动 ， 进而造成目标搜索、 捕 获、 跟踪和瞄准 因此必须对陀螺误差进行补偿 。 的困难 ， 国内外专家学 者 针 对 陀 螺 误 差 的 分 析 、 建模 和补偿
Ｊ ｕ ｎ ． ２ ５ ２ ０ １ ２Ｖ ｏ ｌ ． ３ ３Ｎ ｏ ． ６ １ ０ ４ ４ １ ０ ５ １ － ／ Ｉ Ｓ Ｓ Ｎ １ ０ ０ ０ ６ ８ ９ ３ Ｎ １ １ １ ９ ２ ９ Ｖ － Ｃ －
稳定平台中陀螺漂移自适应实时估计算法
张智永 ＊ ，周晓尧 ，范大鹏
国防科学技术大学 机电工程与自动化学院 ，湖南 长沙 ４ １ ０ ０ ７ ３
陀螺仪芯片漂移误差-概述说明以及解释
陀螺仪芯片漂移误差-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述陀螺仪芯片是一种常用的传感器，在许多电子设备和导航系统中被广泛应用。
它可以测量物体的角速度，并提供重要的姿态信息。
然而，由于各种因素的干扰和不完美的设计，陀螺仪芯片会存在漂移误差问题。
这种误差会导致陀螺仪芯片输出的姿态信息与实际姿态有一定的偏差，严重影响了其测量精度和可靠性。
本文将对陀螺仪芯片漂移误差进行深入研究，并探讨其对陀螺仪芯片性能的影响。
首先，我们将介绍陀螺仪芯片的工作原理，解释其如何测量角速度和提供姿态信息。
然后，我们将详细定义陀螺仪芯片漂移误差，并分析其产生原因和影响因素。
在正文的第二部分，我们将讨论影响陀螺仪芯片漂移误差的因素。
这些因素包括温度变化、机械振动、电磁干扰等，它们会扰乱陀螺仪芯片的精确测量。
我们将分析每个因素的影响程度和可能的解决方法，以期降低漂移误差并提高陀螺仪芯片的性能。
最后，在结论部分，我们将总结陀螺仪芯片漂移误差的影响和解决方法。
我们将指出陀螺仪芯片漂移误差对导航系统、无人机等应用领域的重要性，并提出一些可能的改进方向，以进一步减少漂移误差，提高其测量精度和可靠性。
通过对陀螺仪芯片漂移误差的深入研究和讨论，本文旨在增加人们对陀螺仪芯片性能的认识，并对相关领域的研究和实践工作提供有益的指导。
我们相信，通过更好地理解和解决陀螺仪芯片漂移误差问题，我们将能够推动相关技术的发展并取得更好的应用效果。
文章结构部分可以简要介绍整篇文章的组织结构和各个章节的主要内容。
具体内容如下：1.2 文章结构本文将主要围绕陀螺仪芯片漂移误差展开讨论，并按以下章节进行组织和阐述：2.1 陀螺仪芯片的工作原理本节将介绍陀螺仪芯片的基本工作原理，包括其内部构造和运作方式等。
通过对陀螺仪芯片工作原理的介绍，读者可以更好地理解漂移误差的产生机制和影响因素。
2.2 陀螺仪芯片漂移误差的定义在本节中，将详细介绍陀螺仪芯片漂移误差的概念和定义。
陀螺仪漂移及测试
KM I Bx /H
ωe cos cosK
2019/12/14
19
§6.4 陀螺测试的力矩反馈法
二 力矩反馈法法中陀螺相对地理坐标系的取向
陀螺相对地理坐标系的位置需借助转台
3．陀螺自转轴沿当地铅垂线方向
z x
ey ecoscosK
ly y
ωd
Mb
mgly H
KM IBx /H
陀螺漂移产生的原因是作用在陀螺上的干扰 力矩根据干扰力矩的性质及其变化规律，干扰力 矩可以分为两类：
• 确定性干扰力矩 有规律、可试验或计算确定，易于 补偿。
• 随机性干扰力矩 无规律性。引起陀螺的随机漂移， 只能用统计方法来估计其概率统计 特性。
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5
§6.2 影响陀螺漂移的主要因素
d ey p
精确定位定向，即陀螺输入轴与转台轴平行，并且要使 转台在地理坐标系中精确定向。 精确地测出转台的转速。
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§6.3 陀螺测试的伺服跟踪法
二 伺服跟踪法的测速方法
首先在一段时间间隔内，观测转台相对地球的转角，然后根 据地球自转角速度沿转台方向的分量通过计算求得在这段时 间内地球相对惯性空间的转角
ie ey T
得到在同一时间间隔内转台相对惯性空间的转角
ip ie p
用时间间隔相除，即得到陀螺的漂移角速度
d ip / T ey p
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§6.3 陀螺测试的伺服跟踪法
三 伺服跟踪法的转台轴的取向
1. 输入轴在水平面内沿东西方向
1. 摩擦力矩及其引起的漂移 2. 不平衡力矩及其引起的漂移 3. 非等弹性力矩及其引起的漂移
mems陀螺失效现象
mems陀螺失效现象摘要：1.介绍MEMS 陀螺2.MEMS 陀螺的失效现象3.失效现象的原因4.解决失效现象的方法5.总结正文：MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 陀螺，即微机电系统陀螺，是一种利用微电子技术制造的微型陀螺仪，具有体积小、质量轻、功耗低、精度高等优点，被广泛应用于航空航天、军事、汽车、医疗等领域。
然而，MEMS 陀螺在使用过程中会出现失效现象。
失效现象主要包括以下两种:第一种是漂移失效。
漂移是指MEMS 陀螺在无外力作用下，由于内部摩擦等因素导致的角速度不稳定现象。
漂移失效会导致MEMS 陀螺的角速度误差不断累积，最终导致测量结果的误差。
第二种是机械失效。
机械失效是指MEMS 陀螺由于内部结构的损坏、磨损等原因导致的失效。
机械失效会导致MEMS 陀螺的结构变形、质量变化等问题，从而影响其测量精度和稳定性。
那么，MEMS 陀螺失效现象的原因是什么呢？MEMS 陀螺的失效现象主要是由于其内部结构的微小尺寸和复杂性导致的。
由于MEMS 陀螺的内部结构非常微小，因此容易受到温度、湿度、振动等因素的影响。
同时，MEMS 陀螺的内部结构非常复杂，由多个微小的部件组成，因此在制造和使用过程中容易产生缺陷和故障。
针对MEMS 陀螺失效现象，有哪些解决方法呢？为了减少漂移失效，可以采用以下方法：减少内部摩擦、提高角速度稳定性、采用温度补偿技术等。
为了减少机械失效，可以采用以下方法：提高材料强度、增加制造工艺的精度、采用可靠性更高的结构设计等。
MEMS 陀螺是一种高精度、高稳定性的微型陀螺仪，被广泛应用于各个领域。
但是，MEMS 陀螺在使用过程中会出现漂移失效和机械失效等失效现象。
陀螺仪漂移及测试课件
陀螺仪测试中的注意事项
在进行陀螺仪测试时，应确保测试环 境干净整洁，避免灰尘、污垢等杂质 对测试结果造成影响。
在进行动态测试时，应遵循安全操作 规程，确保测试过程中的安全。
测试前应对陀螺仪进行充分的预热， 以确保其性能稳定。
对于高精度的陀螺仪，应采用高精度 的测试设备进行测试，以确保测试结 果的准确性。
陀螺仪的种类和用途
机械陀螺仪
微机械陀螺仪
利用旋转轴的定轴性，用于方向测量 和控制系统，如导弹、飞机、船舶等 导航系统。
利用微机械加工技术制造，具有低成 本、小型化、集成化等特点，用于消 费电子产品、智能穿戴设备等。
光学陀螺仪
利用光束的干涉效应，具有高精度、 抗电磁干扰等特点，用于高精度测量 和控制系统，如卫星定位系统、惯性 导航系统等。
CHAPTER
陀螺仪静态测试
01
02
陀螺仪静态测试是指将 陀螺仪置于静止状态下 进行测试，以评估其性能。
测试内容包括检查陀螺 仪的零点稳定性、分辨 率、噪声水平等。
03
静态测试通常在实验室 环境下进行，以确保测 试结果的准确性。
04
静态测试还可以用于评 估陀螺仪在不同温度和 湿度条件下的性能表现。
陀螺仪动态测试
01
02
03
04
陀螺仪动态测试是指在实际运 动状态下对陀螺仪进行测试， 以评估其在动态环境中的性能。
测试内容包括检查陀螺仪的动 态响应速度、抗干扰能力、稳
定性等。
动态测试通常在振动台、离心 机等设备上进行，以模拟实际
使用中的各种运动状态。
动态测试还可以用于评估陀螺 仪在不同运动状态下的性能表 现，如旋转、俯仰、滚动等。
CHAPTER
第6章-陀螺仪漂移及测试
陀螺仪的测试与标定
2018/2/25
1
§6.1 陀螺漂移的基本概念
一 自由陀螺的漂移 由于各种原因，在陀螺上往往作用有人们所不 希望的各种干扰力矩，在这些可能是很小的干扰力 矩的作用下，陀螺将产生进动，从而使角动量向量 慢慢偏离原来的方向，我们把这种现象称为陀螺的 漂移。把在干扰力矩作用下陀螺产生的进动角速度 称为陀螺的 陀螺漂移的数学模型
陀螺漂移的物理模型
ωd D0 D y a y Dz a z D yy a Dzz a
2 y 2 z
ax a ay az
Dxy a x a y D yz a y a z Dxz a x a z
一 伺服跟踪法的基本原理
双自由度陀螺的单轴转台测漂
2018/2/25 13
§6.3 陀螺测试的伺服跟踪法
二 伺服跟踪法的测速方法
d ey p
精确定位定向，即陀螺输入轴与转台轴平行，并且要使 转台在地理坐标系中精确定向。 精确地测出转台的转速。
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§6.3 陀螺测试的伺服跟踪法
2018/2/25
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§6.5 陀螺漂移的数学模型
普遍采用的陀螺误差模型
ax a a y az
2 d D0 Dx a x D y a y Dz a z D yy a y Dzz a z2
Dxy a x a y D yz a y a z D xz a x a z (ip ) y
二 伺服跟踪法的测速方法
首先在一段时间间隔内，观测转台相对地球的转角，然后根 据地球自转角速度沿转台方向的分量通过计算求得在这段时 间内地球相对惯性空间的转角
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Ⅰ
ⅡΩΩ
捷联惯导系统的导航的精度将会随着时问的推移而降低，因为无论采取什么手段，只要惯
导器件误差不为零，那么惯导系统的导航误差就要随时间而积累，这是由惯性导航原
理决定的。
而两种主要的惯性元件陀螺仪和加速度计中，加速度计的精度通常比陀螺
仪高一个数量级以上，一般能够满足导航要求。
因此陀螺漂移的合理补偿就成为了提
高导航精度的关键。
陀螺漂移补偿的方案有很多种，本文曾对几种漂移补偿方案进行了实验比较，并
在此基础上提出了一种在一定条件下行之有效的加速度计辅助补偿法。
下面介绍曾实
验的几种方案并详细介绍加速度计辅助补偿法。
方案一
称为动态校零的漂移补偿方法，这种方法的背景是:基于对压电陀螺的研究，发
现压电陀螺始终存在零位不重复性和零位不稳定性。
零位不重复性是指在静止状态
下，不同时间给陀螺通电，陀螺的输出电压各不相同;零位不稳定性是指在静止状态
下，给陀螺通电，陀螺的输出电压随时间的推移而变化。
动态校零分为针对零位
不重
复性的开机零位校正和针对零位不稳定性的零位漂移抑制过程。
零位信号是一个变化
较缓慢的信号，在短时间内，可以看作直流分量。
因此，开机零位校正可以采用一个
求和过程，对开机时静态陀螺信号进行求和，再将所求之和除以积分的时间得均值，
即可将开机零位分离出来。
本文采用的是开机一分钟的均值。
而零位漂移抑制则需要
通过对大量陀螺数据的分析，总结出其漂移规律，根据规律预置漂移速率，由漂移抑
制算法消除零位的不稳定性。
但是这个方一案存在一些问题，首先零位信号是随时间漂移的，那么开机所求得的
零位信号在之后的导航解算中很可能与实际情况不符合从而影响修正的效果;另外，
预置漂移速率要求陀螺输出有较强的规律性，而经过大量实验数据的采集和分析，证
实本实验采用的陀螺不具有很强的规律性，所以此种动态校零的修正方案在本文并不
适用。
方案二
本文曾提出过一种方案，称之为最小二乘拟合法。
是根据对采集的大量陀螺数据
的分析，建立一个陀螺输出漂移与时间关系的最小二乘的模型，并将陀螺输出分为若
干小的时间段，例如I0s(因为在相邻的短时间段内规律性可视为相同)，由于时间
短，可将每个时间段内的模型近似认为是Y=aX十b, Y为陀螺输出，X为时间变量，
a, b为待辨识参数，利用本时间段采集的数据实时估计的陀螺输出漂移的最小二乘模型来预估下一时间段陀螺输出漂移值，将据此估计值下一时间段中对实际陀螺输出
进行修正。
但是这个方案只适用于不作旋转运动的载体，一旦载体进行旋转，就无法从陀螺
信号中区分出漂移与旋转带来的陀螺信号本身应有的变化了。
但是可以考虑分析载体
运动信号及漂移在陀螺信号中的形式不同而加以区分，从而可以将该方案用于做旋转
运动的载体。
方案三
本文还设计了一种简单易行且精度较高的方案，称为加速度计重调陀螺补偿法。
顾名思义，在这种方案中我们引进了加速度计的信号，利用了加速度计精度较高的特
点。
下面详细介绍该方案。
采用陀螺仪主要是为了获得载体的实时姿态和姿态矩阵，而在一定条件下利用加
速度计的测量值可以直接求得载体的俯仰角和横滚角，但是不能获得载体的航向角，
可以考虑采用磁航向仪，这样就可以得到精度较高的载体的三个姿态角，再通过姿态
角与姿态矩阵的一一对应关系求得实时的姿态矩阵。
从上面的介绍可以看到只要加速度计和磁航向仪似乎就可以完成姿态的解算和
姿态矩阵的实时更新，而完全不需要陀螺了，但是是利用地球重力加速度在载体系三轴的分量信息来反映载体的姿态信息的，因此这个方案理论上只有在载体无加减
速运动的情况下才成立，而在实际系统中，载体并不是保持静止或匀速运动的，一旦
载体有了加减速运动，就不再与重力加速度在载体系三轴分量一一对应，而含有了加速运动的信息，利用它们就不能直接求得载体的姿态信息了可以看出加速度计的值只能作为基准值，在匀速运动或静止的时刻对陀螺进行修正。
具体方案为：当载体静止或匀速运动的时候，利用加速度计的测量值来求取姿态信息和更新姿态矩阵，同时每周期检测系统的运动状态，当系统检测到载体在进行加速或减速运动时，就在上周期加速度计解算值的基础上利用陀螺继续解算，而如果系统恢复匀速运动，就重新利用加速度计解算。
理论上该方案可以允许载体有一定的加速运动，只要由于载体运动引入的加速度计输出值增量a引起的姿态矩阵与真实值的偏差小于直接采用陀螺仪所求得的姿态矩阵与真实值的偏差，该方案仍然是一个有效方案，反之，导航解算的结果就反而不如直接采用陀螺仪解算的结果的精度高，这个方案就
反而会加大导航参数的误差。
但是由于在实际应用中，根本无从知道姿态矩阵的真实
值，也就不便判断到底可以允许多大的运动加速度。
所以采用该方案，一般要求载体的运动过程中要有匀速运动的阶段或点存在。
至于判断载体是否处于匀速运动状态，是利用加速度计三轴分量与重力加速度的关系判定的，在静止或匀速运动的情况下，加速度计三轴测得的值的平方和应当等于重力加速度的平方值但是在实际系统中由于加速度计精度和噪声的问题，在判断时不可能严格满足上式，而需要设置一个门限值，只要加速度计三轴测得的值的平方与重力加速度平方值的差小于该门限值，则可视为满足上式，由于实验条件的限制，该门限值的获取本文采用了试凑法。