如果給手機內部器件做一個投票，陀螺儀感測器很有希望當選“知名度最低的器件”。但是，如果一部手機沒有陀螺儀，那它的功能性和娛樂性將下降數個檔次。舉一個簡單的例子，如果沒有陀螺儀感測器，熱門手機遊戲《絕地求生》將沒有任何體感操作，你的方向轉換隻能透過手動按鍵來操作。

陀螺儀感測器進化史

陀螺儀，又叫角速度感測器，是一個簡單易用的基於自由空間移動和手勢的定位和控制系統，其原理就是，一個旋轉物體的旋轉軸所指的方向在不受外力影響時，是不會改變的。陀螺儀是現代航空，航海，航天和國防工業中廣泛使用的一種慣性導航儀器。

自從 19 世紀中期被髮明之後，陀螺儀經歷了漫長的演進過程，在 1976 年之前都是機械結構的陀螺儀。最早的陀螺儀是將一個高速旋轉的陀螺放到一個萬向支架上，靠陀螺的方向來計算角速度，其結構如下圖所示：

機械結構的陀螺儀在飛機、導彈和航海等場景中被用於導航，透過陀螺儀確定方向和角速度，再結合加速度計測試加速度，就可以計算出飛行路線或者航向。不過，機械結構的陀螺儀對於製造工藝要求很高，結構很複雜，因此精度上受到了很多限制。

航向陀螺儀結構原理圖

1976 年，科學家提出了現代光纖陀螺儀的基本設想，到二十世紀八十年代以後，現代光纖陀螺儀就得到了非常迅速的發展。與此同時，鐳射陀螺儀也取得了積極進展。不過，相較而言光纖陀螺儀沒有閉鎖問題，且不用在石英塊精密加工出光路，成本相對較低，因此光纖陀螺儀速度取代了機械陀螺儀在航空、航海、航天和國防工業中地位。

在陀螺儀技術不斷演進的情況下，一項對感測器至關重要的技術——MEMS 同樣在推進自己的商業化程序，兩者的結合讓陀螺儀開始適用於消費電子領域。MEMS 陀螺儀採用的是依賴於相互正交的震動和轉動引起的交變科里奧利力，其原理是對固定值施加電壓，並交替改變電壓，讓一個質量塊做振盪式來回運動，當旋轉時，會產生科里奧利加速度，此時就可以對其進行測量。

科里奧利效應

由於實現的方式類似於加速度計，很多人也將 MEMS 陀螺儀稱為加速度感測器的升級版。區別在於加速度感測器能檢測和感應某一軸向的線性動作，而陀螺儀能檢測和感應 3D 空間的線性和動作，從而能夠辨認方向、確認姿態、計算角速度。

MEMS 陀螺儀的重要引數

MEMS 感測器只所以能夠在在很小的晶片體積下較為精準的測量角速率，實則是透過音叉機制共振運動的設計，結合科里奧利力原理將角速率轉化成為可以測量的電容量。以下圖做演示，當外部施加角速度之後，就會出現一個科里奧利力，力的方向垂直於質量運動方向，如垂直方向箭頭所示。產生的科氏力使感測質量發生位移，位移大小與所施加的角速率大小成正比。因為感測器感測部分的動電極（轉子）位於固定電極（定子）的側邊，上面的位移將會在定子和轉子之間引起電容變化。最後透過專用電路測量電容值就可以得到相應的角速率了。

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偏置不穩定性

陀螺儀會受偏置不穩定性影響，由於器件固有的不足和噪聲，陀螺儀的初始零點讀數會隨時間漂移。偏置可重複性可以在慣性測量單元（IMU）的已知溫度範圍內進行校準。與提供增強效能的分立器件相比，慣性測量單元（IMU）具有多方面優勢。六自由度 IMU 由多個慣性 MEMS 感測器組成，這些感測器經過溫度補償和校準，對齊在正交軸上。

然而，恆定偏置不穩定性的積分會引起角度誤差。此類誤差會隨著陀螺儀旋轉或角度估計的長期漂移而累積。漂移的不良後果是航向計算的誤差會持續增加而不減退。加速度計則相反，其對振動和其他非重力加速度敏感。

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角度隨機遊走（ARW）

光學陀螺具有速率積分的特性，由角速率隨機白噪聲積分引起的誤差角增量具有隨機遊動的特性，這一誤差被稱為光學陀螺的角度隨機遊走（ARW）。

這一誤差的主要來源是：光子的自發輻射、探測器的散粒噪聲、機械抖動；另外，其它相關時間比取樣時間短得多的高頻噪聲，也引起光學陀螺的角度隨機遊走。

對於採用抖動偏頻的鐳射陀螺來說，由於交變偏頻使鐳射陀螺頻繁透過鎖區，產生較大的角度隨機遊走誤差，該誤差成為鐳射陀螺的主要誤差源。角度隨機遊走噪聲的頻寬一般低於 10Hz，處於大多數姿態控制系統的頻寬之內。因此，若不能精確確定角度隨機遊走，它有可能成為限制姿態控制系統精度的主要誤差源。

校正陀螺儀漂移兩個基準

（1）一開始便在設計中使用偏置不穩定性最小的先進 IMU，可以最直接地降低陀螺儀漂移。九自由度 IMU 通常會提供額外的磁力計感測器——大約三軸。磁力計檢測磁場相對於地磁北極的強度。此類感測器可以與加速度計資料一同使用，作為另一個外部基準，用來降低陀螺儀漂移誤差對偏航軸的影響。然而，設計適當的空間磁力計可能不如加速度計可靠，因為有很多東西會產生與地磁大小差不多的磁場。

（2）另一種更有效的長期漂移消除方法是對陀螺儀實施零角速度更新。只要知道器件處於完全靜止狀態，便可將相應軸的陀螺儀偏移歸零。因具體應用不同，這樣的機會有很大差異。但只要系統處於重複出現的安靜狀態，例如汽車怠速、自主機器人靜止或人跨腳步之間的時間，就可以進行歸零調整。

MEMS 感測器的整合化趨勢

MEMS 陀螺儀是常見的一種感測器，其具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高及測量範圍大等優勢。目前，最為常見的 MEMS 陀螺儀就是應用到無人機、智慧手機、汽車及物聯網等領域。

下面，就以無人機的飛控系統為例，來介紹 MEMS 陀螺儀整合加速度感測器未來的發展趨勢。

MEMS 陀螺儀優勢

（1）降低飛行器成本，促進市場應用蓬勃發展；

（2）減少了無人機的重量，降低了功耗，提升了飛行時間；

（3）透過 MEMS 技術整合更多感測器，有利於實現姿態的精確控制。

可以看到，MEMS 陀螺儀優勢明顯，但也存在一定侷限性。相比光纖陀螺儀、鐳射陀螺儀，MEMS 陀螺儀的零漂和精度較差都是其不足之處。

因此，整合化成為了 MEMS 陀螺儀的發展方向之一。

在飛控系統中，主要採用 MEMS 陀螺儀測量飛行過程中的俯仰角和滾轉角，但一般需要配合 MEMS 加速度計，因為每種感測器都有一定的侷限性。

陀螺儀與加速計最大的不同是，陀螺儀的量測資料比較偏向斜度、偏航等動態資訊，在積分的過程中，由於零漂影響，必然會引進累計誤差，積分時間越長，誤差就越大。反而與重力、線性動作感測資料無關，陀螺儀多在偵測物體水平改變狀態時較能達到效用，無法如加速度計對於物體移動或移動動能具較高的感測能力。那麼，這就需要採用另一種 MEMS 加速度計來校正 MEMS 陀螺儀，由於 MEMS 加速度計沒有積分誤差，所以在相對靜止的條件下可以校正 MEMS 陀螺儀的誤差。兩者整合之後，應用價值將大幅提升。

隨著 MEMS 技術不斷成熟，目前 MEMS 陀螺儀和加速度計已經整合在一起，通常稱為 6 軸組合感測器。在此涉及的關鍵技術包括硬體（6 軸組合感測器）和軟體（濾波演算法、姿態 / 導航演算法等）兩部分。

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