九軸傳感器之陀螺儀

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接上一篇“九軸傳感器之加速度計”，本篇主要講述九軸姿態(tài)傳感器中的陀螺儀部分。陀螺儀傳感器可以讓物體在運動過程中感知其水平、垂直、俯仰、航向和角速度等信息。關(guān)于三軸陀螺儀的工作原理見圖1，旋轉(zhuǎn)軸和轉(zhuǎn)子在不受外力影響的情況下并不受物體的外部變化而變化，利用這個特性，我們可以在物體三維運動中提煉出相關(guān)的角度和角速度。

圖1

角速度，即單位時間內(nèi)所轉(zhuǎn)過的弧度，其單位是弧度每秒（簡稱 度/秒）；如圖2所示，物體從X0/Y0/ZO轉(zhuǎn)到X1/Y1/Z1可以分解為三個方向軸上的角度變化，而每一個軸的角度變化又可以通過旋轉(zhuǎn)另外兩個軸得到。以Z軸為例，Z0到Z1的轉(zhuǎn)角Az01分別在XZ平面和YZ平面上投影了Ay和Ax，也就是說Z軸在Z0的方向上繞著Y軸旋轉(zhuǎn)Ay度，再繞著X軸旋轉(zhuǎn)Ax度，就得到了Z1的方向；到此就完成了X/Y二軸的旋轉(zhuǎn)檢測，最后加上繞著Z軸的旋轉(zhuǎn)角度Az即可完成三軸陀螺儀的環(huán)繞角度變化的檢測。

圖2

陀螺儀最終輸出的是角度的變化率，也就是說，陀螺儀輸出不是Ax/Ay/Az的角度值，而是單位時間內(nèi)角度的變化，假設(shè)物體t0秒測出的三軸的旋轉(zhuǎn)弧度分別為Ax0/Ay0/Az0，t1秒測出的三軸旋轉(zhuǎn)弧度為Ax1/Ay1/Az1，則三軸角速度ωX/ωY/ωZ的值為

ωX = (Ax1-Ax0) / (t1 – t0)

ωY = (Ay1-Ay0) / (t1 – t0)

ωZ = (Az1-Az0) / (t1 – t0)

如圖3所示，跟加速度計一樣，陀螺儀的輸出有通過I2C/SPI等接口直接輸出數(shù)字的，也有需要經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)換的模擬信號輸出，類似的我們以12bit ADC為例，其輸出值最大為2^12-1=4095，我們定義Acx/Acy/Acz為X/Y/Z三軸角速度的ADC輸入值，則可以用以下公式得出三軸角速度ωX/ωY/ωZ的值

ωX = ((Acx/4095) * Vref – V0ω) / Sens

ωY = ((Acy/4095) * Vref – V0ω) / Sens

ωZ = ((Acz/4095) * Vref – V0ω) / Sens

等式中Vref為參考電壓，V0ω為零角速度電壓值，也就是說物體在沒有任何轉(zhuǎn)動影響時候的輸出電壓（可以測量得到），Sens為陀螺儀的靈敏度（即單位角速度變化引起的電壓變化值）。

圖3