陀螺仪与加速度传感器介绍.ppt

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 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 XYZ 6轴 XXYYYZZZX 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 4V 3 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 2000dps 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Vdc2 7 5 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Hz50max 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 25kHz 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 accelerationtransducer 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 kgsin kg 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