1、关于四轴飞行器关于四轴飞行器 -陀螺仪陀螺仪 一、引言 陀螺：绕自身对称轴高速旋转的刚体 陀螺仪：陀螺+支撑及辅组装置，实现某种测量功能引言 陀螺仪作为一种惯性测量器件，是惯性导航、惯性制导和惯性测量系统的核心部件，广泛应用于军事和民用领域。传统的陀螺仪体积大、功耗高、易受干扰，稳定性较差。二、陀螺仪的原理和构造 ADXRS系列陀螺仪利用科里奥利(Coriolis)加速度来测量角速度。由径向速度引起的切向速度的速率增加，这就是科里奥利加速度。陀螺仪通过使用一种类似于人在一个旋转平台移出或移入的谐振质量元件，利用科里奥利效应来测量角速度。图2示出了ADXRS系列陀螺仪完整的微机械结构，陀螺仪通过
2、附着在谐振体上的电容检测元件测量谐振质量元件及其框架由于科里奥利效应产生的位移。三.ADXRS系列陀螺仪 ADXRS系列陀螺仪是由美国模拟器件公司制造，采用集成微电子机械系统(iMEMS)专利工艺和BIMOS工艺的角速度传感器，内部同时集成有角速率传感器和信号处理电路。iMEMS陀螺仪目前有ADXRS和 ADIS两个系列产品。本次四轴项目采用的是ADXRS610。与任何同类功能的陀螺仪相比，ADXRS系列陀螺仪具有尺寸小、功耗低、抗冲击和振动性好的优点。ADXRS610的工作原理的工作原理ADXRS610的工作原理的工作原理 ADXRS610采用BGA32型金属壳表贴式封装，其引脚排列的底视图
3、如图figure3。需要说明几点：第一，图中的“”字交叉点代表转动轴（Z轴），箭头方向表示转动方向，因为所画的是底视图，所以从正面看应为顺时针方向旋转（下同）；第二，32个引脚按照7行（17）、7列（AG）的矩阵形式对称分布，每个引脚的坐标位置用所在行、列的序号来表示，并且每两个引脚划分成一组，互相连接后作为一个引出端，以CP4引出端为例，它所对应的两个引脚坐标分别是第6行第A列和第7行第B列，记做6A，7B，余者类推。采用这种结构能使引脚与外围电路的接触更加可靠；第三，金属外壳在内部与GND端连通。各引脚的功能如下 VCC为正模拟电源端；AGND为模拟地；PGND为泵电源的地；VDD为泵电源
4、的输入端，接VCC；在CP5与AGND端之间接泵电源的高压滤波电容；在CP3CP4、CP1CP2之间分别接0.022F的泵电容；RATEOUT为角速度的电压信号输出端（零点电压为2.50V）；SUMJ为输出放大器的求和点（即输出电压的调零端）；2.5V端为2.5V精密基准电压输出端；TEMP为温度信号电压放大器的输出端；ST1和ST2分别为角速度传感器1、2的自检端。ADXRS610的性能特点的性能特点 1、ADXR610是基于“音叉陀螺仪”（tuning fork gyro）的原理，采用表面微机械加工工艺和BiCMOS半导体工艺而制成的功能完善、价格低廉的角速度传感器。其内部包含两个角速度传
5、感器、共鸣环、信号调理器等元件及电路，真正实现了角速度陀螺仪的单片集成化。其输出电压与偏航角速度成正比，电压的极性则代表转动方向（顺时针转动或逆时针转动）。2、测量偏航角速度（以下简称为角速度）的范围是300rad/s，灵敏度为5mV/rad/s，零位输出电压为2.50V，非线性误差为0.1%F.S.，稳定度为0.03 rad/s，3dB带宽为40Hz，固有频率为14kHz，角速度噪声密度为0.2 rad/s/。通过外部电阻和电容还可分别设定测量角速度的范围、带宽及零位输出电压。3、内部包含电压输出式温度传感器、2.5V基准电压源和电荷泵式DCDC电源变换器，并具有自检功能。芯片内部的温度传感
6、器不仅能测量环境温度，还可用来对角速度传感器的输出电压进行温度补偿，以便构成精密角速度检测系统。4、抗振动、抗冲击能力强、超小型、超轻薄化。其外形尺寸仅为7mm7mm3mm，质量小于1g，很容易固定在转动物体上。5、采用5V电源供电，电源电压允许范围4.75V5.25V，电源电流的典型值为5mA，工作温度范围4085。角速度的电压输出值 当陀螺仪静止，即旋转脚为0度时RATEOUT引脚电压输出值：Vo=2.5v。当飞行器发生偏转时，RATEOUT引脚电压输出值Vout 角速度：w=(Vout-Vo)/5mV/s。控制算法 德国人的控制算法的核心是对角速度做PI计算，P的作用是使四轴能够产生对于
7、外界干扰的抵抗力矩，I的作用是让四轴产生一个与角度成正比的抵抗力。如果只有P的作用，将四轴拿在手上就会发现，四轴能够抵抗外界的干扰力矩的作用，而且这个抵抗力非常快速，只要手妄图改变四轴的转速，四轴就会产生一个抵抗力矩，但是，如果用手将四轴扳过一个角度，则四轴无法自己回到水平的角度位置，这就需要I的调节作用。控制算法 对角速度做I（积分）预算实际得到的就是角度，德国人四轴里面用的也是角度值，如果四轴有一个倾斜角度，那么四轴就会自己进行调整，直到四轴的倾角为零，它所产生的抵抗力是与角度成正比的，但是，如果只有I的作用，会使四轴迅速产生振荡，因此，必须将P和I结合起来一起使用，这时候基本上就会得到德国四轴的效果了。
