陀螺仪漂移的测试原理及方法
干货｜详解陀螺仪工作原理
干货｜详解陀螺仪工作原理MEMS陀螺仪并不是最早应用在消费电子上的运动传感器，加速度传感器、电子罗盘早先一步进入了消费电子市场。
虽然以重力为参照的加速度传感器和以地磁为参照的电子罗盘可以在地球表面形成垂直和水平面的三维空间覆盖，但因为二者均以地球而并非物体本身为参照物，因此不能很好地模拟物体的整个运动过程。
此外，由于加速度传感器容易受到线性运动时产生的力的干扰、电子罗盘容易受到诸如金属及手机等其他磁场的干扰，其应用受到了很大的局限。
陀螺仪这个测量角速度的传感器不仅以物体本身作为参照物，而且具有很高的精度，因此可以对其他运动传感器做有益的补充，从而使得运动检测更加完备。
任天堂的Wii最初采用了三轴(X、Y、Z)加速度传感器，后来又增加了陀螺仪。
任天堂早就知道光有三轴加速度传感器是不够的。
只是当时市面上还没有消费电子级别的陀螺仪可以使用，直到Invensense 推出了第一款用于消费电子的MEMS陀螺仪。
这一情况也发生在了苹果CEO乔布斯的身上。
在2010年6月iPhone 4的发布会上，乔布斯亲自演示了陀螺仪带来的侦测出物体水平方向旋转的创新应用—这一应用是单独基于其他运动传感器无法实现的。
因此，通过了解陀螺仪的工作原理，我们可以切身体会到任天堂和苹果对陀螺仪曾经的企盼，而且也可以帮助国内的消费电子终端厂商巧妙地应用该器件以实现多样化的创新应用。
陀螺仪可以对加速度传感器和电子罗盘进行有益的补充。
当三轴陀螺仪加上三轴加速度传感器形成六轴的运动传感器之后，基本上可以检测到所有形式的运动，包括速度、方向、位移等参数。
物体的运动无外乎六种，X、Y、Z三个方向的位移和X、Y、Z三个方向的转动。
这六种运动方式组成了物体完整的运动轨迹。
如果在六轴运动传感器上加上电子罗盘，则在检测运动轨迹的同时还可以修正绝对位置，实现完美的物体运动轨迹跟踪。
因此，未来陀螺仪的进一步发展应用，是和加速度传感器及电子罗盘紧密联系的。
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。
陀螺仪原理
陀螺仪原理
陀螺仪是一种利用陀螺效应来测量和维持方向的仪器。
它的原理基于物体的角
动量守恒定律，通过旋转的陀螺来感知方向的变化。
陀螺仪的原理在航空航天、导航系统、惯性导航等领域有着广泛的应用。
首先，我们来了解一下陀螺效应。
当一个陀螺体在外力作用下发生偏转时，它
会产生一个与偏转方向垂直的陀螺力，这就是陀螺效应。
这个效应是由于陀螺体旋转时角动量守恒的结果，使得陀螺体在偏转时保持一定的方向，这就是陀螺仪原理的基础。
其次，陀螺仪的工作原理是通过测量陀螺体的角速度来确定方向。
当外部力使
得陀螺体发生偏转时，陀螺仪会感知到这个偏转，并通过测量陀螺体的角速度来确定偏转的方向和大小。
这样就可以实现对方向的测量和维持，使得陀螺仪可以在航空航天、导航系统等领域发挥重要作用。
陀螺仪的原理还可以通过惯性导航系统来加以应用。
惯性导航系统是一种利用
陀螺仪和加速度计来测量和维持方向的导航系统。
通过测量陀螺仪和加速度计的数据，可以确定物体的位置和方向，从而实现导航和定位的功能。
总的来说，陀螺仪的原理是基于陀螺效应和角动量守恒定律，通过测量陀螺体
的角速度来确定方向。
它在航空航天、导航系统、惯性导航等领域有着广泛的应用，可以实现对方向的测量和维持，是一种非常重要的仪器和技术。
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
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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
陀螺仪工作原理
陀螺仪工作原理陀螺仪是一种能够测量和感知物体的角速度的设备。
它的工作原理基于角动量守恒定律和陀螺效应。
角动量守恒定律是指在没有外力作用的情况下，物体的角动量保持不变。
角动量是物体的转动惯量乘以角速度，通常用符号L表示。
当物体发生转动时，其角动量也随之变化。
陀螺仪利用了这一原理来测量物体的转动角速度。
陀螺效应是指一个旋转体的转轴在空间中的变化现象。
当一个旋转体的转轴发生变化时，由于角动量守恒定律的作用，转轴变化的结果会导致旋转体的转动方向发生改变。
陀螺仪利用陀螺效应来感知物体的角速度。
陀螺仪通常由一个或多个陀螺装置组成。
陀螺装置由一个旋转的陀螺和一个支撑陀螺的结构组成。
当陀螺装置受到外力或角速度的作用时，陀螺会发生偏离，此时陀螺的转轴方向就会发生变化。
陀螺仪通过检测这一转轴变化来测量物体的角速度。
陀螺仪的工作原理可以通过以下步骤来解释：1. 初始状态下，陀螺的转轴与某一确定的轴向保持一致，此时陀螺仪处于正常工作状态。
2. 当陀螺仪受到外部力矩或角速度的作用时，陀螺就会由于角动量守恒定律的作用发生偏离，转轴的方向发生改变。
3. 陀螺仪通过传感器来检测转轴的变化，并将这一信息转化为电信号。
4. 电信号经过放大和滤波等处理后，被发送到控制系统或其他设备进行进一步的处理和分析。
陀螺仪广泛应用于导航、航空、航天、自动化控制等领域。
在导航方面，陀螺仪常用于惯性导航系统，用来测量飞行器的角速度和角度，从而实现精确的导航和姿态控制。
在航空和航天领域，陀螺仪则被用于飞行器的姿态稳定和导航系统的精确控制。
在自动化控制领域，陀螺仪可以用来测量物体的转动角速度，从而实现精确的运动控制。
总结起来，陀螺仪的工作原理基于角动量守恒定律和陀螺效应。
通过测量转轴的变化，陀螺仪可以准确地测量物体的角速度和角度，从而在导航、航空、航天、自动化控制等领域中发挥重要作用。
现代导航技术第八章(陀螺仪的测试、标定与补偿)
§8.1 陀螺仪误差测试的基本方法
2、陀螺仪误差测试的种类和方法 （2）速率传递试验 测试方法
在典型的测试中，速率转台的转动速率从零开始，逐级分成 一系列角速率值，同时记录每一级的数据。 旋转速度对于每一级设定的周期上保持常量，使得敏感器的 输出在记录前已处于稳定状态。 施加的角速率在最大和最小的期望值之间递增变化。
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§8.1 陀螺仪误差测试的基本方法
2、陀螺仪误差测试的种类和方法 （3）温度试验
如：全温范围 下的某型号光 纤陀螺标度因 数漂移特性
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§8.1 陀螺仪误差测试的基本方法
2、陀螺仪误差测试的种类和方法 （4）摇摆速率转台试验
此类试验的目的是确定陀螺仪及其相关电子控制电路对施加 于敏感器输入轴的振荡旋转的频率响应特性 测试设备与速率变换测试中所述的速率转台非常类似。 在该情况下，转台同样安装在合适的基座上以提供稳定性， 并施加各种预先设定频率的角运动。
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§8.1 陀螺仪误差测试的基本方法
2、陀螺仪误差测试的种类和方法 （7）冲击试验
试验的目的是测量陀螺仪对于施加的冲击 的响应，并确定该敏感器对于施加的极短 周期(一般为毫秒级)的加速度的恢复能力。 敏感器要安装到金属台上，并将该台从给 定的距离上落到一合适形状的铅块上。 在施加冲击过程中且同样在冲击后的一定 时间内记录输出信号。陀螺仪在冲击前后 漂移均值的对比能够表明该陀螺仪特性的 瞬态或永久性变化。
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§8.1 陀螺仪误差测试的基本方法
2、陀螺仪误差测试的种类和方法 （2）速率传递试验
输出角速率偏差（deg/s）
数据分析
与实际相比的输出偏差曲线
IFOG标度因数测试情况（10℃）
微机电陀螺仪原理
微机电陀螺仪原理引言：微机电陀螺仪是一种基于微机电系统（MEMS）技术的传感器，用于测量和检测物体的角速度和角度变化。
它广泛应用于导航系统、无人机、稳定平台等领域。
本文将介绍微机电陀螺仪的原理，以及其在实际应用中的一些特点和挑战。
一、微机电陀螺仪的原理微机电陀螺仪的原理基于陀螺效应，即当物体自转时，会产生一个与自转轴垂直的力矩，使得物体保持平衡。
具体而言，微机电陀螺仪利用微小的谐振器件来检测物体的角速度和角度变化。
当物体发生旋转时，谐振器件会受到力矩作用而发生微小的位移，通过测量这种位移，可以得到物体的角速度和角度信息。
二、微机电陀螺仪的工作原理微机电陀螺仪通常由两个主要部分组成：驱动部分和感应部分。
驱动部分负责提供激励信号，以使陀螺仪开始振动；感应部分则用于检测陀螺仪的振动情况并将其转换为电信号。
1. 驱动部分驱动部分通常采用压电材料或电磁驱动器来激励陀螺仪振动。
压电材料在施加电场时会产生机械应变，从而使得陀螺仪振动。
电磁驱动器则通过电流产生磁场，与陀螺仪中的磁场相互作用，从而实现驱动。
2. 感应部分感应部分是微机电陀螺仪的核心组成部分，它通过测量陀螺仪振动引起的位移来获取角速度和角度信息。
常见的感应部分包括电容传感器和压阻传感器。
电容传感器通过测量电容的变化来检测位移，而压阻传感器则通过测量阻值的变化来获得位移信息。
三、微机电陀螺仪的特点与挑战微机电陀螺仪具有许多优点，例如体积小、重量轻、功耗低等。
然而，它也面临着一些挑战。
1. 噪声和漂移微机电陀螺仪在实际应用中容易受到噪声和漂移的影响，这会导致测量结果的不准确性。
为了解决这个问题，可以采用信号处理技术和校准方法来降低噪声和漂移对测量结果的影响。
2. 温度影响温度对微机电陀螺仪的性能有很大影响，尤其是对其精度和稳定性。
为了解决这个问题，可以采用温度补偿技术来消除温度引起的误差。
3. 复杂环境下的应用微机电陀螺仪在复杂环境下的应用可能会受到振动、冲击和磁场等干扰。
第6章-陀螺仪漂移及测试
陀螺仪的测试与标定
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§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
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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
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
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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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系统级标定法
系统级标定拟合方法一般采用”静止-转动-静止”的运 动激励方式，惯性导航系统利用转动前的静止时间 对准。对准结束转入导航状态后系统开始转动，转 动停止时，记录导航结果。利用导航计算结果将转 动前后的比力测量转换到导航坐标系，作为比力观 测量。
确定四个位置与初始位置之间的坐标变换矩阵 令转台转动，输出四个位置上陀螺仪的脉冲累积 将以上四式相加，干扰量对消，即可得到零偏
分立标定法
角速度标定
利用转台给惯性系统输入一系列标称的角速度，并 于惯性系统的输出进行比较，根据惯性系统的误差 模型，即可确定出系统的标度因数和安装误差两类 误差系数。
一般有四\八\十二\二十四位置法等
分立标定法
零偏标定的实现
采用静态多位置法来实现惯性器件零偏的标定，该 方法利用转台提供精确的位置基准，使加速度计或 陀螺仪敏感不同的重力加速度或角速度分量，然后 利用每个位置上的静止采样结果计算惯性器件的参 数。
分立标定法
静态多位置标定
以陀螺仪的标定为例
标定测试
标定测试：对器件的性能参数诸如标度因数、零偏、 噪声与带宽、失准角、惯性导航系统单位时间的定 位误差、温度敏感性和模型非线性等都需要在生产 场所进行的测试，对要在导航任务中使用的模型参 数进行标定。
标定方法分类
器件标定
标定方法，可分为
分立标定法
系统级标定法
静态标定 动态标定
分立标定法
基本思想：在不同的激励信号作用下，各误 差源对观测量的影响不同，通过激励信号的 变化以改变各个误差参数的可观测性，使惯 性系统的误差参数得到分离。
一般包括静态多位置标定试验和角速率标定
分立标定法
静态多位置标定
原理：利用转台提供的方位基准和水平基准，将地 球自转角速度和重力加速度作为输入惯性系统的标 称量，与系统中陀螺仪和加速度计进行比较，根据 陀螺仪和加速度计的误差模型年，建立惯性系统的 误差模型，然后将精密转台按标定路径转动到多个 不同位置，当位置数与误差模型中的位置数即误差 系数的个数相等时，即可通过联立的方程组求解出 各项误差系数。
系统级标定法
系统级标定滤波法 1.建立导航误差方程 2.设计 Kalman 滤波器状态 3。把陀螺和加速度计的测量噪声做为滤波器的输入 4.估计误差系数
其他标定法
现场标定 是在惯性导航系统处于载体原位安装状态时进行的 不需要复杂的实验室标定设备 环境更接近于惯性导航系统的工作环境，针对性强 依靠重力场、地球自转角速度及载体上其他辅助导
用于陀螺仪标度因数及安装系数的标定
分立标定法
根据激光陀螺仪的输入输出关系，建立误差模型 转台以一定角速度绕转台外向正向转动，输出激光
陀螺仪的脉冲累积 转台以一定角速度绕转台外向反向转动，再输出激
光陀螺仪的脉冲累积 对上面得到的式子进行处理，即可得到标定参数
系统级标定法
起源于20世纪80年代 利用低精度转台就可以达到较高的标定精度 系统级标定的关键是建立一个较为完善的导航输出
陀螺仪漂移的测试原理及方 法
内容提要
测试原则 标定测试 分立标定法 系统标定法
测试原则
测试前要解决的问题 采用何种测试设备 测试环境的控制与保证 测试程序、方法、采样长度与采样间隔的选取 数据处理方法及奇异点的剔除 最大限度地降低测试成本
测试原则
保证惯性测试精度，考虑以下测量误差： 测试设备误差 输入条件误差 信息读取误差 模型误差
误差与惯性期间误差系数之间的关系，并充分考虑 惯性器件误差系数的可辨识性，合理设计实验编排， 有效激励误差相关项，进而辨识出惯性期间的各项 误差系数。
系统级标定法
系统标定法
拟合方法 滤波方法
拟合方法：建立关系，观测误差，拟合参数 滤波方法：设计Kalman滤波器来估计各误差参数
系统级标定法
系统级标定拟合法 基本原理：在静基座条件下，惯性导航系统的比力
航设备