微惯性技术(第三讲)微陀螺仪
惯性测量仪器及原理简介(1)
2.陀螺仪和加速度计种类介绍
（1）陀螺仪 1）机电转子陀螺技术 利用悬浮支撑技术的转子陀螺、动力调谐陀螺、静电陀螺——转子 不存在接触摩擦，是目前公认的精度最高的转子陀螺。 2）光学陀螺技术 激光陀螺技术、光纤陀螺技术 3）微机陀螺技术（MEMS） 4）新型陀螺技术 量子陀螺、核磁共振陀螺等
（韩松，彭文娟，钱兰华.现代陀螺技术的发展及应用分析[J].民营科技.2015（07））
1.手机陀螺仪与加速度计分析
• 计算过程中，主要解决的问题是手机设备坐标系b和手机外部空间导航定 位采用的导航坐标系n之间的坐标转换。
1.手机陀螺仪与加速度计分析
４ 结论 １ ）手机内的加速度计和陀螺仪传感器的输出都存在误差， 在静止情况下， 传感器的输出误差随时间累积越来越大。 ２）手机传感器的误差变化具有不确定性，多次实验传感器的偏移情况不同。 ３）手机传感器各个轴向的偏移情况不同，实验中Ｘ、Ｙ 轴偏移严重，Ｚ 轴 输出则比较稳定，偏移较小。实验中， 静止条件下手机传感器输出数据变化 波动较大， 表明手机内部的传感器精度较低， 稳定性差， 在利用陀螺仪和加 速度计进行导航计算时， 应当利用卡尔曼滤波等方法进行处理， 这需要后续 进行改进。同时， 捷联式惯性导航本身存在着误差累积的不足， 在后面工作 中可以尝试与ＷｉＦｉ、ＲＦＩＤ 等技术进行联合提高定位精度。[1]
[5]钱鸣镝，微电子机械MEMS陀螺仪的原理和测试方法研究[J].集成电路应 用,2017(05)
[6]闫子波等.微机械陀螺仪的工作原理及其应用[J].电子设计技术.2009.09 [7]赵翔等.基于MEMS加速度计和陀螺仪姿态检测系统[J].铁路计算机应用.2012.3
3.MEMS陀螺仪原理
（1）MEMS MEMS 是英文 Micro Electro Mechanical systems的缩写， 即微电子 机械系统。微电子机械系统（MEMS）技术是建立在微米/纳米技术 （micro/nanotechnology）基础上的技术，是指对微米/纳米材料进 行设计，加工，制造，测量和控制的技术。完整的 MEMS 是由微 传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通讯接口和电源等部件 组成的一体化的微型器件系统。[5]
陀螺定位原理
陀螺定位原理陀螺定位是一种利用陀螺仪测量角速度来确定位置和方向的技术。
它是一种基于惯性测量单元（IMU）的定位方法，通过测量物体的角速度和加速度，来计算物体的位置和方向。
陀螺仪是一种测量角速度的装置，它利用陀螺效应来测量物体的旋转。
陀螺仪内部有一个旋转的转子，当物体旋转时，转子会受到力的作用而发生位移，通过测量位移可以得到物体的角速度。
陀螺定位的原理是基于惯性导航的思想，即通过测量物体的加速度和角速度来推测物体的位置和方向。
在陀螺定位中，陀螺仪用于测量物体的角速度，加速度计用于测量物体的加速度。
通过对这两个参数的测量，可以得到物体的位置和方向。
具体来说，陀螺定位通过积分计算物体的速度和位移。
首先，通过加速度计测量物体的加速度，并将其积分得到速度。
然后，通过陀螺仪测量物体的角速度，并将其积分得到位移。
通过不断地对加速度和角速度进行积分计算，可以得到物体的位置和方向。
然而，陀螺定位存在一定的误差累积问题。
由于陀螺仪和加速度计都存在一定的噪声，而且积分过程会放大噪声的影响，导致位置和方向的估计误差会随着时间的增加而积累。
为了解决这个问题，通常会采用其他定位技术来辅助陀螺定位，比如全球定位系统（GPS）或视觉定位。
陀螺定位在航空、航天、导航和无人驾驶等领域有着广泛的应用。
它可以提供高精度的位置和方向信息，适用于各种复杂的环境和场景。
例如，在航空领域，陀螺定位可以用于飞机的导航和姿态控制；在无人驾驶领域，陀螺定位可以用于自动驾驶车辆的定位和导航。
陀螺定位是一种基于角速度测量的定位方法，通过测量物体的加速度和角速度，来计算物体的位置和方向。
虽然存在误差累积的问题，但它在航空、航天、导航和无人驾驶等领域有着广泛的应用前景。
通过不断地研究和改进，相信陀螺定位技术会越来越精确和可靠，为人类带来更多的便利和发展机遇。
第二章微惯性技术
六、动量矩、动量矩定理及欧拉动力学方程
1、绕定点转动刚体的动量矩 对于绕定点转动的刚体，刚体内所有质点的动量对某点之 矩的总和，称为刚体对该点的动量矩。计算公式：
H rimivi
r iH为为点刚到体该对点点的的矢动径量；矩；为v i 该m为i点刚的体速内度任。意质点的质量；
vi ri
H rim i(ri)
1、地心惯性坐标系(i系)— 地球坐标系(e系)
地球坐标系(e)相对于地心惯性坐标系（i)的旋转角速度 向量为地球自转角速度。
2、地球坐标系(e系)— 地理坐标系（L系）
由地理坐标系(L)相对于地固坐标系(e)的旋转角速度向量， 可以分别推导出其在e系及L系中的分量表示式为：
sin
e eL
坐标原点设在地球质量中心，Z轴沿地轴方向，x、y 轴在地球赤道平面内，指向某个恒星，构成右手坐标 系。地心惯性坐标系不参与地球的旋转运动。
2、确定载体相对地球表面位置的坐标系
（1） 地球坐标系（e系）
地球坐标系的z轴沿地轴方向，x轴在赤道平面与格林威 治子午面的交线上，y轴也在赤道平面内，x与y、z轴构 成右手坐标系。坐标系与地球固联，随地球转动。
cr o cs o y s sr is niys nipn siyc no pc so yss r i n siys nip c nr o
C b L cr o ss iy n sr ic no yss ipnco ycso psiys nr i n co yss ip c nr o
co p ss r in
三、地球的自转及角速度
在惯性空间，地球绕自身的地轴自转，绕太阳公转动。 地球公转一周为一年（365天)。 太阳在惯性空间不是恒定不动的，但它的旋转影响可以忽
光纤陀螺仪简介
• 关键是找到一个频率稳定度很高的标准激光光源
•
激光陀螺仪频率稳定度测量系统如图 1 所示。待测陀螺仪的输出光先经过全反 镜 M1,然后射到半 透半反镜 M2 上,碘稳定激光器的输出光直接射到半透半反镜 M2 上,调节 M1 和 M2 让两束激光位于 同一条直线,这样待测陀螺仪的输出光和碘稳定 激光器的输出光在 M2 重合,形成拍频。拍频光经过透 镜 M3 汇聚到光电接收器的光 敏面上形成电信号 微弱的拍频信号经过放大器放大,并由波形转换器 将正弦波转换 为方波以驱动频率计,频率计测得的 拍频频率由 GP-IB 接口直接送到计算机进行相 关的 数据处理
• MEMS惯性器件与系统、 微型惯性测量 组合等 这些提法各有侧重 但其本质基 本相同 是指采用微电子和微机械加工技术制造出来的、 特征 尺寸至微米级、 具有 将惯性参量及其辅助参量转换成电信号 并进行必要的信号反馈控制、 补偿、 量化、 编码压缩以及数据实时存储的器件和系统 所敏感的信号主要包括 加速度、 角加 速度、 位移、 角速度 等
光纤陀螺仪基本原理
微型惯性测量系统
• MEMS惯性器件与系统、 微型惯性测量 组合等 这些提法各有侧重 但其本质基本相 同 是指采用微电子和微机械加工技术制造出来的、 特征 尺寸至微米级、 具有将惯 性参量及其辅助参量转换成电信号 并进行必要的信号反馈控制、 补偿、 量化、 编 码压缩以及数据实时存储的器件和系统 所敏感的信号主要包括 加速度、 角加速度、 位移、 角速度 等
MEMS技术
• 微电子机械系统 , 它属于多学科交叉的新领域 , 是融合 微电子与精密机械加工的 技术 , 指毫米级下的可控制 、 可移动微型机电装置 。 是集微型机构 、传感器信号 处 理 、控制等功能于一体的 、具有信息获取 、处理和执行 等多功能的系统
陀螺仪芯片原理
陀螺仪芯片原理
陀螺仪芯片是一种以角速度计算运动方向的传感器。
它通过测量物体绕三个轴（x、y、z轴）旋转的角速度来确定物体的方向和旋转状态。
陀螺仪芯片的原理是基于角动量守恒定律。
根据该定律，当一个物体受到外力作用时，它会发生旋转，而它的角动量将保持不变。
陀螺仪芯片利用这一原理，通过检测物体绕各轴的旋转速率，来计算物体的角速度和角位移。
陀螺仪芯片通常由微机电系统（MEMS）技术制造而成。
它包含一个微小的振动器，通常为微机械结构，如微型谐振器或微型振动器。
当物体旋转时，惯性力会作用在微机械结构上，使其发生微小的位移。
陀螺仪芯片通过测量这种位移来计算物体的角速度。
陀螺仪芯片的工作原理基于压电效应或电容效应。
在压电陀螺仪中，微机械结构上附着有压电材料，当物体绕轴旋转时，压电材料会产生电荷或电压变化，这些变化与角速度成正比。
在电容陀螺仪中，微机械结构上布置有电极，在旋转时，电极之间的电容会随之变化，这个变化与角速度成正比。
陀螺仪芯片的输出通常为模拟电信号或数字信号。
模拟陀螺仪输出的是连续变化的电压或电流，需要进行模数转换才能得到数字结果。
而数字陀螺仪输出的则是离散的数字信号，可以直接用于计算机或其他数字设备。
陀螺仪芯片广泛应用于飞行器导航、惯性导航系统、运动控制、虚拟现实等领域。
由于其小巧、低功耗和高精度的特点，陀螺仪芯片已成为现代电子产品中不可或缺的重要部件之一。
微惯性技术第四章
3DMC系列三轴电动飞行模拟转台
3DMC系列三轴飞行模拟转 台是多功能的运动模拟设备。 具有模拟、速率和位臵工作 方式。
TAS系列三轴姿态模拟转台
ＸＪＴ系列线加速度模拟转台(可变加速度离心机)
TXT系列天线测试飞行仿真转台
TAS系列三轴姿态模拟转台
3、W881C自动分度头
W881C自动分度头一台高精度惯导测试设备，具有自动 定位功能，主要用于测试和标定±1g内的惯导及加速度 计静态特性。它由一台具有水平方向主轴的台体及电控柜 组成。 主要技术指标:
e. 零偏加速度灵敏度
陀螺仪零偏随加速度引起的变化量，以单位重力加速 度引起的零偏变化量表示，(º /s)/g。
二、微陀螺仪性能测试的主要参数
——2、与标度因数相关的性能参数
a.标度因数
陀螺仪输出量与输入角速率的比值，用某一特定直线的 斜率表示，该直线是根据整个角速率范围内测得的输入 输出数据，用最小二乘法拟合求得，mV/(º /s)。计算公 式如下：
a. b. c. d. e.
标度因数 标度因数非线性 标度因数对称性 标度因数重复性 标度因数温度灵敏度
二、微陀螺仪性能测试的主要参数
3、其它性能参数:
a. b. c. d. e. f. g. h. i. j.
输入轴 输入基准轴 输入失准角 交叉耦合系数 启动时间 阈值 分辨率 测量范围 带宽 输出噪声
二、微陀螺仪性能测试的主要参数
——2、与标度因数相关的性能参数
d. 标度因数重复性
在相同条件下及规定时间内，重复测量陀螺仪标度因数 之间的一致程度，以各次测量所得标度因数的标准偏差 与其平均值的比值来表示，单位ppm。计算公式如下：
微机械陀螺仪的国内外发展概述
微机械陀螺仪的国内外发展概述学号：07060441x28 姓名：摘要：陀螺仪是一种用于测量旋转速度或旋转角的仪器。
它在运输系统，例如：导航、刹车调节控制和加速度测量等方面有很多的应用。
微机械陀螺仪主要有振动式微机械陀螺仪、转子式微机械陀螺仪、微机械加速度计陀螺仪三种，现在工业控制、航空航天、军用技术都不可能离开惯性传感器：汽车、消费品和娱乐市场也开始依赖这些设备。
许多市场调查一致认为微机械传感器市场将以每年15%-25%的年增长率增长。
微机械陀螺仪的性能指标在很短的十几年内得到了迅速提高，目前正由速率级向战术级精度迈进。
根据随机游走系数定义陀螺仪的性能指标，体微机械和表面微机械陀螺仪的性能在每2年便以10倍的速度得到提高，表面微机械陀螺仪和体微机械陀螺仪的性能的差距也越来越小。
也正是由于微机械陀螺仪的广泛应用，使得世界各国都致力于对陀螺仪的研究和发展。
正文：一、微机械陀螺仪的分类简介及用途。
陀螺是首先在火箭上得到应用的，开始于二战期间德国的V2火箭。
从此，陀螺仪和加速度计成为一门惯性技术而快速发展起来，冷战时期精度上快速提高，功能上有很大扩展。
不仅在海、陆、空、天的军事领域普遍应用，而且在大地测量、空中摄影、隧道开凿和石油钻井等等许多民用部门也用它起到定向和稳定作用。
在军事应用的牵引下，惯性仪表精度大幅提高的同时，相关的制造工艺越来越复杂，生产周期长，成本很高，价格昂贵，令民用部门望而却步。
即使在军用方面，由于陀螺仪转子的高速旋转和惯性测量系统的复杂性，在可靠性、安全性、兼容性、寿命以及体积重量等方面也暴露出某些固有的弱点。
凡此种种，促使科技人员去思考和探索新的测量工具和测量方式，以替代传统的机械转子式的陀螺仪。
因而，各种各样的新型陀螺仪和加速度计相继研制出来并成功地获得应用。
微机械陀螺仪主要有振动式微机械陀螺仪、转子式微机械陀螺仪、微机械加速度计陀螺仪三种：（1）振动式微机械陀螺仪。
振动式微机械陀螺仪利用单晶硅或多晶硅制成的振动质量，在被基座带动旋转时的哥氏效应感测角速度。
(2024年)陀螺课件(61)(共63张PPT)pptx
机械陀螺仪
光学陀螺仪
结构简单、成本低廉，但精度和稳定性较 差，易受环境因素影响。
基于光学原理工作，具有高精度、高稳定 性等优点，但成本较高。
微机械陀螺仪
激光陀螺仪
采用微机械加工技术制造，具有体积小、 重量轻、成本低等优点，但精度和稳定性 相对较低。
利用激光干涉原理测量角速度，具有高精 度、高稳定性、无机械磨损等优点，但成 本较高且对环境要求较高。
多传感器融合与校准
03
在实际应用中，单一陀螺仪往往难以满足需求，多传感器融合
与校准技术成为提高系统性能的关键。
25
探讨未来发展趋势和前景
2024/3/26
新型陀螺仪技术
随着科技进步，新型陀螺仪技术（如量子陀螺仪、生物陀螺仪等）有望在未来取得突破， 为高精度测量和导航领域带来革命性变革。
多源信息融合与智能算法
通过融合多种传感器信息和采用智能算法，可以提高陀螺仪系统的整体性能，实现更高精 度的姿态测量和导航定位。
拓展应用领域
随着陀螺仪性能的不断提升和成本的降低，其应用领域将进一步拓展，如智能交通、智能 家居、虚拟现实等。
26
感谢您的观看
THANKS
2024/3/26
27
组合导航算法
将惯性导航系统与卫星导航系统、里程计等其他导航手段进行组合， 实现优势互补，提高整体导航性能。
14
04
陀螺仪在姿态控制中应用
2024/3/26
15
姿态控制概述及分类
2024/3/26
姿态控制定义
通过对物体姿态的调整，实现其在空间中的稳定定位和定向 。
姿态控制分类
根据控制对象的不同，可分为刚体姿态控制和柔性体姿态控 制；根据控制方法的不同，可分为开环控制和闭环控制。
《惯性导航原理》课件
课程目标
01
掌握惯性导航的基本原理和技术 特点。
02
了解惯性导航在各个领域的应用 情况。
探讨惯性导航的未来发展趋势和 挑战。
03
提高学生对导航技术的兴趣和认 知水平，为未来的学习和职业发
展打下基础。
在深空探测任务中，惯性导航系统为 航天器提供连续、高精度的位置和速 度信息，确保航天器在深空中的精确 导航和科学数据采集。
地球物理学研究
在地球物理学研究中，利用惯性导航 系统进行地震数据采集和地壳运动监 测，推动地质灾害预警和地球科学研 究。
05
惯性导航技术发展
技术现状
惯性导航技术已广泛应用于军事、航 空、航海等领域。
与其他导航手段融合
研究如何更好地将惯性导航与其他导 航手段（如GPS、北斗等）进行融合 ，实现优势互补。
人工智能与大数据的应用
讨论如何利用人工智能和大数据技术 对惯性导航数据进行处理和分析，提 高导航性能。
THANKS
感谢观看
潜艇导航
在潜艇导航中，惯性导航系统用于长时间隐蔽航行，提供连续的定 位信息，保障潜艇作战和战略威慑能力。
无人机导航
无人机依靠惯性导航系统进行长航程、长时间飞行，实现复杂环境 下的精确导航和任务执行。
民用应用
航空交通管制
在航空交通管制中，惯性导航系统为飞机提供精确的位置和速度 信息，确保空中交通安全有序。
的组合方法。
陀螺仪与加速度计
深入探讨了陀螺仪和加速度计的工作 原理、分类及优缺点。
误差分析与校正
讨论了惯性导航中常见的误差来源及 其校正方法。
地下管道探测定位中惯性陀螺仪运用分析
地下管道探测定位中惯性陀螺仪运用分析摘要：本文将从当前地下管道探测定位的概况出发，阐述惯性陀螺仪工作的基本原理，对ABM-30微型惯性陀螺仪在地下管道探测定位中的主要运用进行分析与探究，希望为相关人员提供一些帮助和建议，更好地开展地下管道探测定位工作。
关键词：惯性陀螺仪；探测定位；地下管道引言：伴随国内科技水平和管道探测定位需求的不断提高，惯性陀螺仪探测定位法应运而生。
惯性陀螺仪探测定位法的出现，弥补了传统管道探测定位法的缺陷和不足之处，提高了探测定位精准度和效率，有必要对其进行推广与应用。
因此，研究地下管道探测定位中惯性陀螺仪运用具有一定现实意义。
一、当前地下管道探测定位的概况现阶段，城市地下管线系统通常难以将管道深度、管道位置等信息数据准确提供出来，这对国内日益复杂的地下管道网络维护与管理产生了一定负面影响。
城市中的排水系统、排污系统、燃气管路、供暖系统、供水系统、电力管线等地下管道和线路错综复杂，加上历史遗留问题和科技水平限制，地下管道埋藏深度及位置的探测定位成为了人们面临的重要问题。
地下管道传统的探测定位工作主要采用电磁场感应法、物理探测法等，这些探测定位方法各具优势，但会在不同程度上受到附近干扰、地下管道埋深、地下管道材质所影响，降低定位的准确度，不利于工程施工。
另外，国内电力管道一般为定向非开挖穿越，这样一来，埋入深度便会远超现有仪器检测范围，导致以上探测定位方法难以得到有效运用。
近些年，惯性陀螺仪探测定位技术出现并投入使用，适用于地下管道的相关探测定位工作。
惯性陀螺仪先向待探测的地下管道中拖入定位装置，再借助陀螺仪进行定位，对计算机技术、惯性导航技术加以整合，自动记录和跟踪定位装置整体运动轨迹，装置三维坐标能够显示于计算机屏幕上，并将地下管道中心、标记位置图纸等数据信息显示出来。
具体管道探测的过程中，惯性陀螺仪几乎不会受到地质条件、附近环境、地下管道深度、地下管道材料等因素的影响，只需要在地下管道中放入惯性陀螺仪并使其移动即可，从而对地下管道进行高精度探测定位。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
典型的陀螺仪
可用于军事、民用航空、汽车、导弹等领域的高性能长寿命 的微型陀螺仪，其大小比衬衫的纽扣还小，重量不足1克。
典型的陀螺仪
日本的CRS-03 陀螺,中间是一个磁铁
典型的陀螺仪
AD公司生产的陀螺内部结构
典型的陀螺仪
AD 公司 双轴陀螺
美国BEI公司生产的QR14
陀螺仪的分类
非机械式
压阻效应 压电效应 热效应 电容效应 电感效应外研究情况（一）
国外研究情况（二）
国外研究情况（三）
国外研究情况（四）
微惯性器件之二 微陀螺仪
陀螺仪简介
陀螺是一种用于测量旋转速度或旋转角 的仪器。 它在运输系统，例如导航、刹车调节控 制和加速度测量等方面有很多应用。 宏观的陀螺可分成两个主要种类：非机 械（光学的）式的或机械式的。
非机械陀螺利用光环使光束在相反方向 旋转。当陀螺结构旋转时，检测光束的 多普勒移位。 而宏观的机械式的陀螺通常是用一个旋 转的圆盘产生一个惯性的参照体，由于 微机械方法加工带有足够质量的旋转部 分很难，所以典型的微机械陀螺使用振 动结构。
激光陀螺和光纤陀螺
机械式（主要介绍微机械式）
1）振动式微机械陀螺仪
2）转子式微机械陀螺仪
3）微机械加速度计陀螺仪
1）振动式微机械陀螺仪
利用单晶硅或多晶硅制成的振动质量，在被 基座带动旋转时的哥氏效应感测角速度。
多采用平面电极或梳状电极静电驱动，并采 用平板电容器进行检测。
可分为：
梳状驱动平板式振动陀螺仪
梳状驱动音叉式振动陀螺仪
电磁驱动音叉式陀螺仪
振环式陀螺仪
压电棒式振动陀螺仪
声表面波振动陀螺仪
2）转子式微机械陀螺仪
其转子由多晶硅制成，采用静电悬浮，
并通过力矩再平衡回路测出角速度。
从功能看，属于双轴速率陀螺仪或双轴
角速率传感器。
如静电悬浮转子陀螺仪。
3）微机械加速度计陀螺仪
这是由参数匹配的两个微机械加速度计
陀螺仪简介
音叉式陀螺仪原理介绍
音叉式振动陀螺仪的典型结构如上图所示。其简 化示意图如上所示，设音叉两臂的质量都分别集 中于其端点，且为m0，设在某一瞬时，两集中质 量相向速度分别为v1及v2，且有关系式v1=v2=v， 载体绕轴的转动角速度为ωx，由于哥氏效应，两 集中质量的哥氏加速度绝对值为ac=2 ωx v，方向 如图所示，哥氏力Fc=2m ωx v，哥氏力矩 M=4mR ωx v。我们就通过检测哥氏力或哥氏力 矩的大小来得到载体的角速度ωx。
作反向高频抖动而构成的多功能惯性传
感器，兼有测量加速度和角速度的双重
功能。
角速率传感器——基本工作原 理
旋转刚体
定轴性 进动性
振动刚体
傅科摆
FC mV
角速率传感器——基本工作原理
敏感方向 驱动方向 放大 解调放大
Vo
驱动
角速率传感器——读出技术
读出技术