陀螺仪的 “多样人生”
如果给手机内部器件做一个投票，陀螺仪传感器很有希望当选“知名度最低的器件”。但是，如果一部手机没有陀螺仪，那它的功能性和娱乐性将下降数个档次。举一个简单的例子，如果没有陀螺仪传感器，热门手机游戏《绝地求生》将没有任何体感操作，你的方向转换只能通过手动按键来操作。
陀螺仪传感器进化史
陀螺仪，又叫角速度传感器，是一个简单易用的基于自由空间移动和手势的定位和控制系统，其原理就是，一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时，是不会改变的。陀螺仪是现代航空，航海，航天和国防工业中广泛使用的一种惯性导航仪器。
自从19世纪中期被发明之后，陀螺仪经历了漫长的演进过程，在1976年之前都是机械结构的陀螺仪。最早的陀螺仪是将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，其结构如下图所示：
机械结构的陀螺仪在飞机、导弹和航海等场景中被用于导航，通过陀螺仪确定方向和角速度，再结合加速度计测试加速度，就可以计算出飞行路线或者航向。不过，机械结构的陀螺仪对于制造工艺要求很高，结构很复杂，因此精度上受到了很多限制。
航向陀螺仪结构原理图
1976年，科学家提出了现代光纤陀螺仪的基本设想，到二十世纪八十年代以后，现代光纤陀螺仪就得到了非常迅速的发展。与此同时，激光陀螺仪也取得了积极进展。不过，相较而言光纤陀螺仪没有闭锁问题，且不用在石英块精密加工出光路，成本相对较低，因此光纤陀螺仪速度取代了机械陀螺仪在航空、航海、航天和国防工业中地位。
在陀螺仪技术不断演进的情况下，一项对传感器至关重要的技术——MEMS同样在推进自己的商业化进程，两者的结合让陀螺仪开始适用于消费电子领域。MEMS陀螺仪采用的是依赖于相互正交的震动和转动引起的交变科里奥利力，其原理是对固定值施加电压，并交替改变电压，让一个质量块做振荡式来回运动，当旋转时，会产生科里奥利加速度，此时就可以对其进行测量。
由于实现的方式类似于加速度计，很多人也将MEMS陀螺仪称为加速度传感器的升级版。区别在于加速度传感器能检测和感应某一轴向的线性动作，而陀螺仪能检测和感应3D空间的线性和动作，从而能够辨认方向、确认姿态、计算角速度。
MEMS陀螺仪的重要参数
MEMS传感器只所以能够在在很小的芯片体积下较为精准的测量角速率，实则是通过音叉机制共振运动的设计，结合科里奥利力原理将角速率转化成为可以测量的电容量。以下图做演示，当外部施加角速度之后，就会出现一个科里奥利力，力的方向垂直于质量运动方向，如垂直方向箭头所示。产生的科氏力使感测质量发生位移，位移大小与所施加的角速率大小成正比。因为感测器感测部分的动电极（转子）位于固定电极（定子）的侧边，上面的位移将会在定子和转子之间引起电容变化。最后通过专用电路测量电容值就可以得到相应的角速率了。
接下来我们挑选一款艾睿电子官网-Arrow.cn在售的ADXRS624BBGZ为例来分析一款MEMS陀螺仪。
ADXRS624BBGZ规格参数如下表所示：
可以看到，一款陀螺仪有很多参数指标，首先要学会理解MEMS陀螺仪的主要参数：
·电源（V）：这个参数规定了陀螺仪正常工作所需的直流电源电压范围。
电源电流 (mA)：这个参数规定了陀螺仪正常工作所消耗的电流大小。
睡眠模式电源电流 (mA)：这个参数规定了陀螺仪在睡眠模式下所消耗的电流大小。
关机模式下的电源电流(μA)：这个参数规定了当陀螺仪电源关闭时所消耗的电流大小。
全量程 (dps)：这个参数规定了陀螺仪的量程范围。
零速率输出值(电压或最低效位)：这个参数规定了当陀螺仪没有被施加角速率时的零速率输出信号的数值。
灵敏度 (mV/dps或dps/LSB)：这个参数规定了在零速率输出值时1 dps与模拟陀螺仪输出电压变化的关系，用mV/dps表示；数字陀螺仪的灵敏度(dps/LSB)表示1个最低有效位与dps的关系。
灵敏度变化与温度关系(%/°C)：这个参数规定了当温度偏离25℃室温时，以℃为单位的灵敏度百分比变化。
零速率输出值变化与温度关系(dps/℃)：这个参数规定了当温度偏离25℃室温时，以℃为单位的零速率输出值的变化。
非线性 (% FS)：这个参数规定了陀螺仪输出与最佳匹配直线之间的最大误差占全量程(FS) 的百分比。
系统带宽(Hz):这个参数规定了角速率信号频率范围：从直流到模拟陀螺仪可测量的内部带宽（BW）。
速率噪声密度 (dps/√Hz):这个参数规定了能够从陀螺仪输出以及BW参数获得的模拟陀螺仪和数字陀螺仪的标准分辨率。
自测 (mV or dps)：这个功能可用于测试陀螺仪工作是否正常。这个功能的好处是在陀螺仪安装到印刷电路板后无需旋转印刷电路板即可测试陀螺仪。
其中，误差是影响MEMS陀螺仪性能的关键因素，在MEMS陀螺仪的多个可能会引起误差的因素中，偏置不稳定性与较高频率的噪声变量（角度随机游走“ARW”）成为引起陀螺仪漂移的两个主要原因。
- 偏置不稳定性
陀螺仪会受偏置不稳定性影响，由于器件固有的不足和噪声，陀螺仪的初始零点读数会随时间漂移。偏置可重复性可以在惯性测量单元(IMU)的已知温度范围内进行校准。与提供增强性能的分立器件相比，惯性测量单元(IMU)具有多方面优势。六自由度IMU由多个惯性MEMS传感器组成，这些传感器经过温度补偿和校准，对齐在正交轴上。
然而，恒定偏置不稳定性的积分会引起角度误差。此类误差会随着陀螺仪旋转或角度估计的长期漂移而累积。漂移的不良后果是航向计算的误差会持续增加而不减退。加速度计则相反，其对振动和其他非重力加速度敏感。
- 角度随机游走（ARW）
光学陀螺具有速率积分的特性，由角速率随机白噪声积分引起的误差角增量具有随机游动的特性，这一误差被称为光学陀螺的角度随机游走(ARW)。
这一误差的主要来源是：光子的自发辐射、探测器的散粒噪声、机械抖动；另外，其它相关时间比采样时间短得多的高频噪声，也引起光学陀螺的角度随机游走。
对于采用抖动偏频的激光陀螺来说，由于交变偏频使激光陀螺频繁通过锁区，产生较大的角度随机游走误差，该误差成为激光陀螺的主要误差源。角度随机游走噪声的带宽一般低于10Hz，处于大多数姿态控制系统的带宽之内。因此，若不能精确确定角度随机游走，它有可能成为限制姿态控制系统精度的主要误差源。
总之，在理想情况下，校正陀螺仪漂移需要两个基准。
（1）一开始便在设计中使用偏置不稳定性最小的先进IMU，可以最直接地降低陀螺仪漂移。
九自由度IMU通常会提供额外的磁力计传感器——大约三轴。磁力计检测磁场相对于地磁北极的强度。此类传感器可以与加速度计数据一同使用，作为另一个外部基准，用来降低陀螺仪漂移误差对偏航轴的影响。然而，设计适当的空间磁力计可能不如加速度计可靠，因为有很多东西会产生与地磁大小差不多的磁场。
（2）另一种更有效的长期漂移消除方法是对陀螺仪实施零角速度更新。只要知道器件处于完全静止状态，便可将相应轴的陀螺仪偏移归零。因具体应用不同，这样的机会有很大差异。但只要系统处于重复出现的安静状态，例如汽车怠速、自主机器人静止或人跨脚步之间的时间，就可以进行归零调整。
MEMS传感器的集成化趋势
MEMS陀螺仪是常见的一种传感器，其具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高及测量范围大等优势。目前，最为常见的MEMS陀螺仪就是应用到无人机、智能手机、汽车及物联网等领域。
下面，就以无人机的飞控系统为例，来介绍MEMS陀螺仪集成加速度传感器未来的发展趋势。
MEMS陀螺仪优势在于：(1)降低飞行器成本，促进市场应用蓬勃发展;(2)减少了无人机的重量，降低了功耗，提升了飞行时间;(3)通过MEMS技术集成更多传感器，有利于实现姿态的精确控制。
可以看到，MEMS陀螺仪优势明显，但也存在一定局限性。相比光纤陀螺仪、激光陀螺仪，MEMS陀螺仪的零漂和精度较差都是其不足之处。
因此，集成化成为了MEMS陀螺仪的发展方向之一。
在飞控系统中，主要采用MEMS陀螺仪测量飞行过程中的俯仰角和滚转角，但一般需要配合MEMS加速度计，因为每种传感器都有一定的局限性。
陀螺仪与加速计最大的不同是，陀螺仪的量测数据比较偏向斜度、偏航等动态信息，在积分的过程中，由于零漂影响，必然会引进累计误差，积分时间越长，误差就越大。反而与重力、线性动作感测数据无关，陀螺仪多在侦测物体水平改变状态时较能达到效用，无法如加速度计对于物体移动或移动动能具较高的感测能力。那么，这就需要采用另一种MEMS加速度计来校正MEMS陀螺仪，由于MEMS加速度计没有积分误差，所以在相对静止的条件下可以校正MEMS 陀螺仪的误差。两者整合之后，应用价值将大幅提升。
随着MEMS技术不断成熟，目前MEMS陀螺仪和加速度计已经集成在一起，通常称为6轴组合传感器。在此涉及的关键技术包括硬件(6轴组合传感器)和软件(滤波算法、姿态/导航算法等)两部分。
艾睿电子官网-Arrow.cn在售的ADXC1501就是陀螺仪和三轴加速度计的组合，为电子产品设计的稳定控制和其他高性能的应用要求同时提供偏航率和加速度信号。
产品原理框图如下：
