【導讀】陀螺儀是用來測量角速率的器件，在加速度功能基礎上，可以進一步發(fā)展，構建陀螺儀。
陀螺儀是用來測量角速率的器件，在加速度功能基礎上，可以進一步發(fā)展，構建陀螺儀。
陀螺儀的內(nèi)部原理是這樣的：對固定指施加電壓，并交替改變電壓，讓一個質(zhì)量塊做振蕩式來回運動，當旋轉(zhuǎn)時，會產(chǎn)生科里奧利加速度，此時就可以對其進行測量；這有點類似于加速度計，解碼方法大致相同，都會用到放大器。
角速率由科氏加速度測量結果決定
- 科氏加速度 = 2 × (w × 質(zhì)量塊速度)
- w 是施加的角速率(w = 2 πf)
通過 14 kHz 共振結構施加的速度（周期性運動）快速耦合到加速度計框架
- 科氏加速度與諧振器具有相同的頻率和相位，因此可以抵消低速外部振動
該機械系統(tǒng)的結構與加速度計相似（微加工多晶硅）
信號調(diào)理（電壓轉(zhuǎn)換偏移）采用與加速度計類似的技術
施加變化的電壓來回移動器件，此時器件只有水平運動沒有垂直運動。如果施加旋轉(zhuǎn)，可以看到器件會上下移動，外部指將感知該運動，從而就能拾取到與旋轉(zhuǎn)相關的信號。
上面的動畫，只是抽象展示了陀螺儀的工作原理，而真實的陀螺儀內(nèi)部構造是下面這個樣子，別不小心誤會了哦~
PS：陀螺儀可以三個一起設計，分別對應于所謂滾動、俯仰和偏航。任何了解航空器的人都知道，俯仰是指航空器的上下方向，偏航是指左右方向，滾動是指向左或向右翻滾。要正確控制任何類型的航空器或?qū)?，都需要知道這三個參數(shù)，這就會用到陀螺儀。它們還常常用于汽車導航，當汽車進入隧道而失去 GPS 信號時，這些器件會記錄您的行蹤。
無人機在飛行作業(yè)時，獲取的無人機影像通常會攜帶配套的 POS 數(shù)據(jù)。從而在處理中可以更加方便的處理影像。而 POS 數(shù)據(jù)主要包括 GPS 數(shù)據(jù)和 IMU 數(shù)據(jù)，即傾斜攝影測量中的外方位元素：（緯度、經(jīng)度、高程、航向角（Phi）、俯仰角（Omega）及翻滾角（Kappa））。
GPS 數(shù)據(jù)一般用 X、Y、Z 表示，代表了飛機在飛行中曝光點時刻的地理位置。
飛控是由主控 MCU 和慣性測量模塊（IMU，Inertial Measurement Unit）組成。IMU 提供飛行器在空間姿態(tài)的傳感器原始數(shù)據(jù)，一般由陀螺儀傳感器 / 加速度傳感器 / 電子羅盤提供飛行器 9DOF 數(shù)據(jù)。
IMU 中的傳感器用來感知飛行器在空中的姿態(tài)和運動狀態(tài)，這有個專有名詞叫做運動感測追蹤，英文 Motion Tracking。運動感測技術主要有四種基礎運動傳感器，下面分別說明其進行運動感測追蹤的原理。
微機電系統(tǒng)（MEMS）
IMU 中使用的傳感器基本上都是微機電系統(tǒng)（MEMS），是半導體工業(yè)中非常重要的一個分支。
微機電系統(tǒng)（MEMS, Micro-Electro-Mechanical System）是一種先進的制造技術平臺。微機電系統(tǒng)是微米大小的機械系統(tǒng)，是以半導體制造技術為基礎發(fā)展起來的。
我們的四軸飛行器上用到的加速度陀螺儀 MPU6050，電子羅盤 HMC5883L 都是微機電系統(tǒng)，屬于傳感 MEMS 分支。傳感 MEMS 技術是指用微電子微機械加工出來的、用敏感元件如電容、壓電、壓阻、熱電耦、諧振、隧道電流等來感受轉(zhuǎn)換電信號的器件和系統(tǒng)。
加速器（G-sensors）
加速器可用來感測線性加速度與傾斜角度，單一或多軸加速器可感應結合線性與重力加速度的幅度與方向。含加速器的產(chǎn)品，可提供有限的運動感測功能。
加速度計的低頻特性好，可以測量低速的靜態(tài)加速度。在我們的飛行器上，就是對重力加速度 g（也就是前面說的靜態(tài)加速度）的測量和分析，其它瞬間加速度可以忽略。記住這一點對姿態(tài)解算融合理解非常重要。
當我們把加速度計拿在手上隨意轉(zhuǎn)動時，我們看的是重力加速度在三個軸上的分量值。加速度計在自由落體時，其輸出為 0。為什么會這樣呢？這里涉及到加速度計的設計原理：加速度計測量加速度是通過比力來測量，而不是通過加速度。
陀螺儀（Gyros）
陀螺儀是利用高速回轉(zhuǎn)體的動量矩敏感殼體相對慣性空間繞正交于自轉(zhuǎn)軸的一個或二個軸的角運動檢測裝置。利用其他原理制成的角運動檢測裝置起同樣功能的也稱陀螺儀。
陀螺儀可感測一軸或多軸的旋轉(zhuǎn)角速度，可精準感測自由空間中的復雜移動動作，因此，陀螺儀成為追蹤物體移動方位與旋轉(zhuǎn)動作的必要運動傳感器。不像加速器與電子羅盤，陀螺儀不須借助任何如重力或磁場等的外在力量，能夠自主性的發(fā)揮其功能。所以，從理論上講只用陀螺儀是可以完成姿態(tài)導航的任務的。
陀螺儀的特性就是高頻特性好，可以測量高速的旋轉(zhuǎn)運動。缺點是存在零點漂移，容易受溫度 / 加速度等的影響。
電子羅盤（E-Compasses）
電子羅盤也叫數(shù)字指南針，磁力計，是利用地磁場來定北極的一種方法?，F(xiàn)在一般有用磁阻傳感器和磁通門加工而成的電子羅盤。
電子羅盤可由地球的磁場來感測方向。運用電子羅盤的消費性電子產(chǎn)品應用，包含在手機的地圖應用程序顯示正確方向，或為導航應用程序提供前進方向數(shù)據(jù)。然而，電子設備或建筑材料的磁場干擾，比地球磁場來得強，導致電子羅盤傳感器的輸出值，較容易受到各種環(huán)境因素的影響，尤其在室內(nèi)更是如此，因此，電子羅盤須要透過頻繁的校正，才能維持前進方向數(shù)據(jù)的準確度。
壓力傳感器（Barometers）
壓力傳感器又叫做氣壓計，會藉由氣壓的變化來感測物體的相對與絕對高度，常被運用于與運動、健身、方位推測等應用有關的消費性產(chǎn)品中，例如，可感測使用者的移動層樓，調(diào)整地圖信息。
IMU 數(shù)據(jù)主要包含了：航向角（Phi）、俯仰角（Omega）及翻滾角（Kappa）三個數(shù)據(jù)。
1、航向角（Phi）
航向角英文縮寫是：Phi。定義為：飛機和航天飛機的縱軸與地球北極之間的夾角。
示意圖如下圖所示：
2、俯仰角（Omega）
俯仰角英文縮寫是：Omega。定義為：平行于機身軸線并指向飛行器前方的向量與地面的夾角。
示意圖如下：
3、翻滾角（Kappa）
翻滾角又叫側(cè)滾角，英文縮寫是 Kappa。定義為：光軸與十周之間的夾角。
示意圖如下圖所示：
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