无人机传感器与检测技术课件：陀螺仪认知

无人机飞行控制传感器认知与功能测试陀螺仪认知任务描述民用无人机上的陀螺仪大多是微机械陀螺仪，虽然它精度不如光纤和激光陀螺仪，但其体积小、功耗低、易于数字化和智能化，尤其制造成本低，易于批量生产。与加速度传感器一样，陀螺仪也是集成在飞控中的，无法直接观察其结构，无法购买到单一的微机械陀螺仪。本任务拟通过对六轴IMU传感器模块特性调研来了解陀螺仪的基本功能，通过PixHawk飞控中陀螺仪的功能测试来了解陀螺仪在无人机飞行过程中所起的作用。子任务一六轴自由度IMU传感器模块特性调研任务实施1)查阅资料，小组总结汇报MPU6050传感器模块的引脚及含义，传感器模块的特性参数。2)查阅相关资料，收集六轴自由度IMU传感器模块资料，总结常用六轴IMU传感器模块特性参数，填写表2-4。子任务二PixHawk飞控陀螺仪功能测试任务实施1)实验室准备PixHawk飞控、串口线、地面站MissionPlanner软件、电脑等。2)软、硬件连接。3)检查俯仰，横滚，偏航等姿态数据。4)功能测试。一、传统陀螺仪知识链接1850年，法国物理学家莱昂·傅科在研究地球自传中获得灵感而发明了陀螺仪，就像把一个高速旋转的陀螺放到一个万向支架上，靠陀螺的方向来计算角速度，如图所示。

陀螺仪最先应用在航海上，直到二战时，陀螺仪才应用到航空航天上，这时陀螺仪都是机械陀螺仪，也就是传统陀螺仪。高速旋转物体的旋转轴所指的方向不会随着外力的方向改变而发生改变。陀螺效应理论基础自由度分类二自由度陀螺仪按自由度分类三自由度陀螺仪只有一个框架，使转子自转轴具有一个转动自由度具有内、外两个框架，使转子自转轴具有两个转动自由度。在没有任何力矩装置时，它就是一个自由陀螺仪1.结构组成转轴转子支架2.工作原理物体在高速旋转时，角动量会很大，旋转轴会一直稳定指向一个方向。理论基础特点1.具有抗拒方向改变的趋向2.要达到每分钟几十万转的转速3.当有外力作用时，旋转轴的指向就会发生变化读取旋转轴所指示的方向计算载体受力的方向角度3.特性高速旋转的转子在没有任何外力矩作用下，陀螺仪的自转轴在惯性空间中的指向固定在一个方向；同时不会随着外力作用发生改变。定轴性(1)定轴性

这种稳定性随转子的转动惯量和角速度的增加而增加。高速旋转的转子在外力矩M作用于外环轴Z时，陀螺仪将绕内环轴Y转动；在外力矩作用于内环轴Y时，陀螺仪将绕外环轴Z转动。则转动角速度方向与外力矩M作用方向互相垂直。这种特性，叫做陀螺仪的进动性，进动角速度

的大小取决于转子动量矩H的大小和外力矩M的大小，其计算公式是进动性随着外界作用力F增加及转子的转动惯量和角速度

减小而增加。进动性(2)进动性

二、激光陀螺仪理论基础光程差每当载体发生旋转时，合光棱镜的倾斜角度就发生变化环形激光器三、微机械陀螺仪即MEMS陀螺仪没有旋转部件，不需要轴承，可以利用微机械加工技术大批量生产。MEMS陀螺仪的工作原理科里奥利力质量块发生垂直位移对电容变化的测量和计算陀螺仪的旋转角速度MEMS陀螺仪内部构造(1)体积小、重量轻，其边长都小于1mm，器件核心的重量仅为1