三轴陀螺仪是惯性导航系统的核心敏感器件,其测量精度直接影响惯导系统的姿态解算的准确性。

1.三轴陀螺仪是什么

正如简介中所说的,关于三轴陀螺仪,如何减小三轴陀螺仪的测量误差,提高其测量精度,就成为了一个至关重要的问题 。对于单轴陀螺仪来说,影响其静态测量精度的主要因素是该传感器的零偏误差、刻度系数误差和随机漂移误差; 但对于三轴陀螺仪来说,其测量结果的精度与构成三轴陀螺仪的各单轴陀螺仪的零偏误差、刻度系数误差、随机漂移误差以及各单轴陀螺仪敏感轴之间的不正交安装误差相关。相比于单轴传感器,三轴传感器的校准参数更多,校准过程更为复杂。目前,陀螺仪的标定通常采用位置标定和速率标定方法,这2 种方法具有原理简单、易于实现、精度较高等优点,但随着标定参数的增加,数据量剧增,耗时,且测试条件比较苛刻,需要高精度的测试设备,标定结果取决于测试设备的精度;

 

此外,有采用系统级的标定方法,利用惯性仪表的输出直接进行导航解算,利用导航解算误差作为量测量来估算陀螺误差参数,这种方法不需要精密的测试设备,通常采用滤波算法对误差进行参数估计,但计算量大,可观测性分析复杂,标定时间较长。因此,本文提出了一种基于椭球拟合的三轴陀螺仪的快速校准方法。首先对三轴陀螺仪的制造误差进行全面的理论分析,建立相应的数学模型,然后根据椭球拟合算法,对包含制造误差的三轴测量数据进行椭球拟合,并对陀螺仪的制造误差进行参数标定与补偿。

 

是什么

(图片来源于互联网)

 

2.三轴陀螺仪工作原理

三轴陀螺仪:同时测定6个方向的位置,移动轨迹,加速。 单轴的只能测量两个方向的量,也就是一个系统需要三个陀螺仪,而3轴的一个就能替代三个单轴的。3轴的体积小、重量轻、结构简单、可靠性好,是激光陀螺的发展的基础元件。

 

3.三轴陀螺仪作用和用途

三轴陀螺仪最大的作用就是“测量角速度,以判别物体的运动状态,所以也称为运动传感器“,换句话说,这东西可以让我们的设备知道自己“在哪儿和去哪儿”。

 

角速传感器还有加速度传感器不一定是陀螺仪,也许是单纯的加速度计呢。飞机、轮船或导弹中的指示仪,其核心部分就是定向指示仪,它是一个装在能自由转向的小框架上的小飞轮(陀螺)。在这个装置中,轴承的摩擦力矩很小,可以忽略不计。另一方面,刚体结构高度对称,其质心集中在连杆中心处。这样,当飞轮绕自身对称轴高速转动时,无论如何改变框架的方位,其中心轴的空间取向都始终保持不变。(专业说法是:定向指示仪所受到的合外力矩为零,其角动量守恒)这是定向指示仪的重要特性。


如果在飞机上装上三个定向指示仪,并使三个小飞轮的自转轴相互垂直,飞行员就可以通过飞轮轴相对于机身的指向来确定飞机的空间取向。船舶上装上定向指示仪,海员可用它来确定海轮的航向。鱼雷,火箭中也装有定向指示仪,起到自动导航的作用。在鱼雷前进的过程中,定向指示仪的轴线方向保持不变。当鱼雷因风浪等影响,前进方向改变时,鱼雷的纵轴与定向指示仪之间就出现了偏差,这时可启动有关器械改变舵的角度,使鱼雷回复到原来的前进方向。火箭中,则采用改变喷气方向的方法来校正飞行方向。


汽车级陀螺仪能提供精确的测量结果,可大幅提升汽车导航仪和远端资讯处理系统的航位推算(Dead-ReckoNIng)和/或地图对照(Map-Matching)功能。在全球卫星定位系统(GPS)卫星讯号很差的室内和高楼林立的区域,航位推算系统可弥补讯号消失的影响,代替卫星检测物体的动作和高度。陀螺仪的精确测量资料还能提高地图对照准确度;地图对照是在数位地图的道路网路上描述卫星或感测器观测的用户位置的动作轨迹的过程,地图对照被用于各种导航定位系统,包括交通流量分析和车辆行驶方向。


在工程上,陀螺仪是一种能够精确地确定运动物体的方位的仪器,它是现代航空,航海,航天和国防工业中广泛使用的一种惯性导航仪器,它的发展对一个国家的工业,国防和其它高科技的发展具有十分重要的战略意义。传统的惯性陀螺仪主要是指机械式的陀螺仪,机械式的陀螺仪对工艺结构的要求很高,结构复杂,它的精度受到了很多方面的制约。自从上个世纪七十年代以来,现代陀螺仪的发展已经进入了一个全新的阶段。1976年美国Utah大学的Vali和Shorthill提出了现代光纤陀螺仪的基本设想,到八十年代以后,现代光纤陀螺仪就得到了非常迅速的发展,与此同时激光谐振陀螺仪也有了很大的发展。由于光纤陀螺仪具有结构紧凑,灵敏度高,工作可靠等等优点,所以光纤陀螺仪在很多的领域已经完全取代了机械式的传统的陀螺仪,成为现代导航仪器中的关键部件。和光纤陀螺仪同时发展的除了环式激光陀螺仪外,还有现代集成式的振动陀螺仪,集成式的振动陀螺仪具有更高的集成度,体积更小,也是现代陀螺仪的一个重要的发展方向。


现代光纤陀螺仪包括干涉式陀螺仪和谐振式陀螺仪两种,它们都是根据塞格尼克的理论发展起来的。塞格尼克理论的要点是这样的:当光束在一个环形的通道中前进时,如果环形通道本身具有一个转动速度,那么光线沿着通道转动的方向前进所需要的时间要比沿着这个通道转动相反的方向前进所需要的时间要多。也就是说当光学环路转动时,在不同的前进方向上,光学环路的光程相对于环路在静止时的光程都会产生变化。利用这种光程的变化,如果使不同方向上前进的光之间产生干涉来测量环路的转动速度,这样就可以制造出干涉式光纤陀螺仪,如果利用这种环路光程的变化来实现在环路中不断循环的光之间的干涉,也就是通过调整光纤环路的光的谐振频率进而测量环路的转动速度,就可以制造出谐振式的光纤陀螺仪。从这个简单的介绍可以看出,干涉式陀螺仪在实现干涉时的光程差小,所以它所要求的光源可以有较大的频谱宽度,而谐振式的陀螺仪在实现干涉时,它的光程差较大,所以它所要求的光源必须有很好的单色性。


2010年,苹果公司创新性地在新产品iPhone 4 中置入“三轴陀螺仪”,让iPhone的方向感应变得更加智能,从此手机也有了像飞机一样的“感应”,能够知道自己“处在什么样的位置”。