自动驾驶基础 惯性测量单元

陀螺仪是用来测量角速率的器件，在加速度功能基础上，可以进一步发展，构建陀螺仪。

微机械陀螺仪（MEMS gyroscope）的工作原理和传统的陀螺仪不一样。传统的陀螺仪主要是利用角动量守恒原理，因此它主要是一个不停转动的物体，它的转轴指向不随承载它的支架的旋转而变化。但是微机械陀螺仪的工作原理不是这样的，因为要用微机械技术在硅片衬底上加工出一个可转动的结构可不是一件容易的事。微机械陀螺仪利用科里奥利力——旋转物体在有径向运动时所受到的切向力。微机械(MEMS)陀螺仪的内部原理是这样的：对固定指施加电压，并交替改变电压，让一个质量块做振荡式来回运动，当旋转时，会产生科里奥利加速度，此时就可以对其进行测量；这有点类似于加速度计，解码方法大致相同，都会用到放大器。

绝大多数微机械陀螺仪依赖于由相互正交的振动和转动引起的交变科里奥利力。振动物体被柔软的弹性结构悬挂在基底之上。整体动力学系统是二维弹性阻尼系统，在这个系统中振动和转动诱导的科里奥利力把正比于角速度的能量转移到传感模式。通过改进设计和静电调试使得驱动和传感的共振频率一致，以实现最大可能的能量转移，从而获得最大灵敏度。大多数微机械陀螺仪驱动和传感模式完全匹配或接近匹配，它对系统的振动参数变化极其敏感。

在空间设立动态坐标系（见下图）。用以下方程计算加速度可以得到三项，分别来自径向加速、科里奥利加速度和切向加速度。

如果物体在圆盘上没有径向运动，科里奥利力就不会产生。因此，在MEMS陀螺仪的设计上，这个物体被驱动，不停地来回做径向运动或者震荡，与此对应的科里奥利力就是不停地在横向来回变化，并有可能使物体在横向作微小震荡，相位正好与驱动力差90度。

角速率由科氏加速度测量结果决定:

·       科氏加速度 = 2 × (w × 质量块速度)

·       w是施加的角速率(w = 2 πf)

通过14 kHz共振结构施加的速度（周期性运动）快速耦合到加速度计框架。科氏加速度与谐振器具有相同的频率和相位，因此可以抵消低速外部振动

•       该机械系统的结构与加速度计相似（微加工多晶硅）

•       信号调理（电压转换偏移）采用与加速度计类似的技术

施加变化的电压来回移动器件，此时器件只有水平运动没有垂直运动。如果施加旋转，可以看到器件会上下移动，外部指将感知该运动，从而就能拾取到与旋转相关的信号。

上面的图例，只是抽象展示了陀螺仪的工作原理，而真实的MEMS陀螺仪内部构造是下面这个样子的：

MEMS陀螺仪通常有两个方向的可移动电容板。径向的电容板加震荡电压迫使物体作径向运动（有点像加速度计中的自测试模式），横向的电容板测量由于横向科里奥利运动带来的电容变化（就像加速度计测量加速度）。因为科里奥利力正比于角速度，所以由电容的变化可以计算出角速度。

陀螺仪可以三个一起设计，分别对应于滚动(Roll)、俯仰(Pitch)和偏航(Yaw)三个轴。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，滚动是指向左或向右翻滚。