自動(dòng)駕駛基礎(chǔ) 慣性測(cè)量單元

陀螺儀是用來(lái)測(cè)量角速率的器件，在加速度功能基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步發(fā)展，構(gòu)建陀螺儀。

微機(jī)械陀螺儀（MEMS gyroscope）的工作原理和傳統(tǒng)的陀螺儀不一樣。傳統(tǒng)的陀螺儀主要是利用角動(dòng)量守恒原理，因此它主要是一個(gè)不停轉(zhuǎn)動(dòng)的物體，它的轉(zhuǎn)軸指向不隨承載它的支架的旋轉(zhuǎn)而變化。但是微機(jī)械陀螺儀的工作原理不是這樣的，因?yàn)橐梦C(jī)械技術(shù)在硅片襯底上加工出一個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)可不是一件容易的事。微機(jī)械陀螺儀利用科里奧利力——旋轉(zhuǎn)物體在有徑向運(yùn)動(dòng)時(shí)所受到的切向力。微機(jī)械(MEMS)陀螺儀的內(nèi)部原理是這樣的：對(duì)固定指施加電壓，并交替改變電壓，讓一個(gè)質(zhì)量塊做振蕩式來(lái)回運(yùn)動(dòng)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生科里奧利加速度，此時(shí)就可以對(duì)其進(jìn)行測(cè)量；這有點(diǎn)類似于加速度計(jì)，解碼方法大致相同，都會(huì)用到放大器。

絕大多數(shù)微機(jī)械陀螺儀依賴于由相互正交的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)引起的交變科里奧利力。振動(dòng)物體被柔軟的彈性結(jié)構(gòu)懸掛在基底之上。整體動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)是二維彈性阻尼系統(tǒng)，在這個(gè)系統(tǒng)中振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)誘導(dǎo)的科里奧利力把正比于角速度的能量轉(zhuǎn)移到傳感模式。通過(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)和靜電調(diào)試使得驅(qū)動(dòng)和傳感的共振頻率一致，以實(shí)現(xiàn)最大可能的能量轉(zhuǎn)移，從而獲得最大靈敏度。大多數(shù)微機(jī)械陀螺儀驅(qū)動(dòng)和傳感模式完全匹配或接近匹配，它對(duì)系統(tǒng)的振動(dòng)參數(shù)變化極其敏感。

在空間設(shè)立動(dòng)態(tài)坐標(biāo)系（見下圖）。用以下方程計(jì)算加速度可以得到三項(xiàng)，分別來(lái)自徑向加速、科里奧利加速度和切向加速度。

如果物體在圓盤上沒有徑向運(yùn)動(dòng)，科里奧利力就不會(huì)產(chǎn)生。因此，在MEMS陀螺儀的設(shè)計(jì)上，這個(gè)物體被驅(qū)動(dòng)，不停地來(lái)回做徑向運(yùn)動(dòng)或者震蕩，與此對(duì)應(yīng)的科里奧利力就是不停地在橫向來(lái)回變化，并有可能使物體在橫向作微小震蕩，相位正好與驅(qū)動(dòng)力差90度。

角速率由科氏加速度測(cè)量結(jié)果決定:

·科氏加速度 = 2 × (w × 質(zhì)量塊速度)

·w是施加的角速率(w = 2 πf)

通過(guò)14 kHz共振結(jié)構(gòu)施加的速度（周期性運(yùn)動(dòng)）快速耦合到加速度計(jì)框架?？剖霞铀俣扰c諧振器具有相同的頻率和相位，因此可以抵消低速外部振動(dòng)

?該機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與加速度計(jì)相似（微加工多晶硅）

?信號(hào)調(diào)理（電壓轉(zhuǎn)換偏移）采用與加速度計(jì)類似的技術(shù)

施加變化的電壓來(lái)回移動(dòng)器件，此時(shí)器件只有水平運(yùn)動(dòng)沒有垂直運(yùn)動(dòng)。如果施加旋轉(zhuǎn)，可以看到器件會(huì)上下移動(dòng)，外部指將感知該運(yùn)動(dòng)，從而就能拾取到與旋轉(zhuǎn)相關(guān)的信號(hào)。

上面的圖例，只是抽象展示了陀螺儀的工作原理，而真實(shí)的MEMS陀螺儀內(nèi)部構(gòu)造是下面這個(gè)樣子的：

MEMS陀螺儀通常有兩個(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)（有點(diǎn)像加速度計(jì)中的自測(cè)試模式），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（就像加速度計(jì)測(cè)量加速度）。因?yàn)榭评飱W利力正比于角速度，所以由電容的變化可以計(jì)算出角速度。

陀螺儀可以三個(gè)一起設(shè)計(jì)，分別對(duì)應(yīng)于滾動(dòng)(Roll)、俯仰(Pitch)和偏航(Yaw)三個(gè)軸。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，滾動(dòng)是指向左或向右翻滾。