三軸陀螺儀在應(yīng)用中的技術(shù)原理是什么?
MEMS陀螺儀是科里奧利力的最常見應(yīng)用,MEMS陀螺儀利用科里奧利力(旋轉(zhuǎn)物體在徑向運動時所受到的切向力),旋轉(zhuǎn)中的陀螺儀可對各種形式的直線運動產(chǎn)生反映,通過記錄陀螺儀部件受到的科里奧利力可以進行運動的測量與控制。為了產(chǎn)生這種力,MEMS陀螺儀通常安裝有兩個方向的可移動電容板,“徑向的電容板加震蕩電壓迫使物體作徑向運動,橫向的電容板測量由于橫向科里奧利運動帶來的電容變化。”這樣,MEMS陀螺儀內(nèi)的“陀螺物體”在驅(qū)動下就會不停地來回做徑向運動或震蕩,從而模擬出科里奧利力不停地在橫向來回變化的運動,并可在橫向作與驅(qū)動力差90°的微小震蕩。這種科里奧利力好比角速度,所以由電容的變化便可以計算出MEMS陀螺儀的角速度。
以意法半導體的MEMS陀螺儀為例,其核心元件是一個微加工機械單元,在設(shè)計上按照一個音叉機制運轉(zhuǎn)(音叉機制的工作原理是通過安裝在音叉基座上的一對壓電晶體使音叉在一定共振頻率下振動,當音叉開關(guān)的音叉與被測介質(zhì)相接觸時,音叉的頻率和振幅將改變,音叉開關(guān)的這些變化由智能電路來進行檢測,處理并將之轉(zhuǎn)換為一個開關(guān)信號)。電機驅(qū)動部分通過靜電驅(qū)動方法,使機械元件前后振蕩,產(chǎn)生諧振,利用科里奧利力把角速率轉(zhuǎn)換成一個特定感應(yīng)結(jié)構(gòu)的位移,兩個正在運動的質(zhì)點向相反方向做連續(xù)運動。只要從外部施加一個角速率,就會出現(xiàn)一個力,力的方向垂直于質(zhì)點的運動方向。產(chǎn)生的力使感應(yīng)質(zhì)點發(fā)生位移,位移大小與所施加的加速度速率大小成正比,位于旁邊的傳感器就能感應(yīng)出在定子和轉(zhuǎn)子之間引起的電容變化,從而實現(xiàn)操控功能。并且,由于在控制電路內(nèi)部嵌入了先進的電源關(guān)斷功能,可以在不需要傳感器功能的時候關(guān)閉整個傳感器,或讓其進入深度睡眠模式,便可大幅降低陀螺儀的總功耗。從而像手機等便攜式設(shè)備就會由此獲得更長的續(xù)航時間。
現(xiàn)代光纖陀螺儀包括干涉式陀螺儀和諧振式陀螺儀兩種,它們都是根據(jù)塞格尼克的理論發(fā)展起來的。塞格尼克理論的要點是這樣的:當光束在一個環(huán)形的通道中前進時,如果環(huán)形通道本身具有一個轉(zhuǎn)動速度,那么光線沿著通道轉(zhuǎn)動的方向前進所需要的時間要比沿著這個通道轉(zhuǎn)動相反的方向前進所需要的時間要多。也就是說當光學環(huán)路轉(zhuǎn)動時,在不同的前進方向上,光學環(huán)路的光程相對于環(huán)路在靜止時的光程都會產(chǎn)生變化。利用這種光程的變化,如果使不同方向上前進的光之間產(chǎn)生干涉來測量環(huán)路的轉(zhuǎn)動速度,這樣就可以制造出干涉式光纖陀螺儀,如果利用這種環(huán)路光程的變化來實現(xiàn)在環(huán)路中不斷循環(huán)的光之間的干涉,也就是通過調(diào)整光纖環(huán)路的光的諧振頻率進而測量環(huán)路的轉(zhuǎn)動速度,就可以制造出諧振式的光纖陀螺儀。從這個簡單的介紹可以看出,干涉式陀螺儀在實現(xiàn)干涉時的光程差小,所以它所要求的光源可以有較大的頻譜寬度,而諧振式的陀螺儀在實現(xiàn)干涉時,它的光程差較大,所以它所要求的光源必須有很好的單色性。
三軸陀螺儀在許多應(yīng)用中發(fā)揮著重要的作用,其主要功能如下:
1. 姿態(tài)感知和控制:三軸陀螺儀可以檢測物體的旋轉(zhuǎn)速度,提供關(guān)于物體姿態(tài)(如俯仰、橫滾和偏航)的信息。這對于姿態(tài)控制、平衡調(diào)節(jié)和導航非常關(guān)鍵。例如,在飛行器或機器人中使用陀螺儀來穩(wěn)定飛行或保持平衡。
2. 運動檢測和跟蹤:三軸陀螺儀可以檢測物體的加速度變化,從而提供關(guān)于物體的線性運動和姿態(tài)的信息。這對于運動檢測、手勢識別、動作捕捉等應(yīng)用非常有用。它被廣泛應(yīng)用于游戲控制器、運動追蹤設(shè)備和虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中。
3. 導航和定位:三軸陀螺儀結(jié)合其他傳感器(如加速度計、磁力計和GPS)可以提供更準確的導航和定位信息。陀螺儀可以用于測量轉(zhuǎn)動速度,并結(jié)合其他傳感器的數(shù)據(jù)來估計物體的位置、方向和運動軌跡。這在無人機、航空航天、汽車導航和智能手機中的導航應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用。
4. 手持設(shè)備穩(wěn)定性:三軸陀螺儀在手持設(shè)備中用于穩(wěn)定圖像和視頻。通過檢測設(shè)備的旋轉(zhuǎn)和晃動,陀螺儀可以自動調(diào)整圖像穩(wěn)定器和防抖功能,提供更平滑和穩(wěn)定的圖像和視頻質(zhì)量。