大学精品课件：陀螺仪与加速度传感器介绍.ppt

1、陀螺仪与加速度传感器,1,陀螺仪,重力加速度计,一、陀螺仪 1.英文名称：gyroscope,2,机械陀螺仪-3轴,电子陀螺仪,2.陀螺仪的工作原理,陀螺仪是由陀螺旋转的原理制成的，用于测量物体的角速度 陀螺是围绕着某个固定的支点而快速转动起来的刚体，它的质量是均匀分布的，形状是以轴为对称的，自转轴就是它的对称轴。在一定力矩的作用下，陀螺会一直在自转，而且还会围绕着一个不变的轴一直在旋转，称作陀螺的旋进或者是回转效应。例如很多孩子小时候玩的陀螺。,3,陀螺仪是测量运动角速度的器件 通过积分角速度可获得陀螺仪偏转角度值 陀螺仪的定向性使它能测量360度范围内的角度变化，可以测量得到物体的角速度，

2、通过信号积分处理，可以获物体的姿态（倾角）信息。 目前有3轴（X Y Z ）, 6轴（X XY Y YZ Z ZX）等,4,3轴陀螺仪,5,3、陀螺仪的特性,（1）定轴性 当陀螺转子以高速旋转时，在没有任何外力矩作用在陀螺仪上时，陀螺仪的自转轴在惯性空间中的指向保持稳定不变，即指向一个固定的方向;同时反抗任何改变转子轴向的力量。这种物理现象称为陀螺仪的定轴性或稳定性。 稳定性改变： 1.转子的转动惯量愈大，稳定性愈好; 2.转子角速度愈大，稳定性愈好。,6,（2）进动性 当转子高速旋转时，若外力矩作用于外环轴，陀螺仪将绕内环轴转动;若外力矩作用于内环轴，陀螺仪将绕外环轴转动。其转动角速度方向与

3、外力矩作用方向互相垂直。 进动角速度的方向取决于动量矩H的方向(与转子自转角速度矢量的方向一致)和外力矩M的方向，而且是自转角速度矢量以最短的路径追赶外力矩。,MEMS微机电系统陀螺仪,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 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 科里奥利力(科氏加速度)正比于角速度 厂家 ST 三轴 Freescale 工业用 Senodia（国内） InvenSense 加速度和陀螺仪一体化 Panasonic 车用 EPSON 单轴,8,4、陀螺仪的分类,按用途,传感陀螺仪,指示陀螺仪,用于飞行体运动的自动控制系统中，作为水平、垂

4、直、俯仰、航向和角速度传感器,指示陀螺仪主要用于飞行状态的指示，作为驾驶和领航仪表使用。,按发展,机械式陀螺仪：陀螺方向仪 陀螺罗盘,电子陀螺仪：激光陀螺仪、光纤陀螺仪等,5、陀螺仪的功能,陀螺仪器最早是用于航海导航， 陀螺仪器：指示仪表，可作为自动控制系统中信号传感器。 能提供准确水平、位置、速度和加速度等信号，可以实现检测平衡，自动导航仪来控制飞机、舰船或航天飞机等航行。 陀螺仪器同时能提供准确的方位，在导弹、卫星运载器或空间探测火箭等航行体的制导中，则直接利用这些信号完成航行体的姿态控制（位置信号）和轨道控制（方向信号）。,10,6、陀螺仪举例,（1）用于手机上关于平衡类的游戏,陀螺仪检

5、测运动的角速度，通过测定翻转手机的速度来控制小球移动速度,11,（2）三轴数字输出电子陀螺仪L3g4200d,输入电压：2.4V3.6V 数字输出：16位数字量 通信方式： I2C（串行）/SPI（串口） 方式 量程范围：250/500/2000 dps（度每秒） ,ENC-03 模拟量输出陀螺仪 输出一个和角速度成正比的模拟电压信号 供电电压Vdc 2.75.25 最大角速度 deg./sec. +/-300 输出（当角速度=0） Vdc1.35 比例系数 mV/deg./sec. 0.67 响应频率Hz 50 max. 一个传感器测量一个轴的旋转； 低通滤波器拟制噪音（大约 22-25kH

6、z）,13,通过利用3轴陀螺仪，可以实现对运动物体平衡的控制，如航模直升机上采用的便是该陀螺仪传感器，如自平衡云台（视频）等；,二、加速度传感器,14,1、英文名称：acceleration transducer,加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备。加速力就是当物体在加速过程中作用在物体上的力，加速力可以是个常量，比如g，也可以是变量。 加速度计有两种：一种是角加速度计，用于常用于测量倾角，另一种就是线加速度计，用于测量运动物体的加速度。,15,角加速度计,线加速度计,2、工作原理,16,当倾角传感器静止时也就是侧面和垂直方向没有加速度作用，那么作用在它上面的只有重力加速度。重力垂直轴与加速度传感器灵敏轴之间的夹角就是倾斜角了。,如图所示，为输出模拟量加速度传感器原理 u=kgsinkg 式中，g为重力加速度；为车模倾角；k为加速度传感器灵敏度系数系数。 当倾角比较小的时候，输出电压的变化可以近似与倾角成正比。,17,3、加速度计的应用,（1）游戏控制 加速度传感器可以检测上下左右的倾角的变化，通过前后倾斜手持设备来实现对游戏中物体的前后左右的方向控制。 （2）图像自动翻转 用加速度传感器检测手持设备的旋转动作及方向，实现手机所要显示图像的转正。,18,两轮自平衡车,4、加速度计与陀螺仪组合应用,