陀螺仪漂移及测试

测试用题，请勿“题字”。

用后收回。

谢谢！一、（20分）以下每题各有四个答案，选择正确的答案，每题5分。

(1) 设自由陀螺的角动量为H ，已知进动角速度ω，陀螺力矩为M，下列表示三者之间关系的表达式正确的是（ ） （A ）HM ω=⨯ ；（B ）M H ω=⨯； （C ）H M ω=⨯ ；（D ）M H ω=⨯(2) 采用伺服跟踪法进行单自由度陀螺测漂，转台轴沿当地垂线方向，地球自转角速度15/ie h ω=︒，当地纬度为30︒，测得转台转速为43.0210-⨯转/分，则陀螺漂移速度约为（传动比是1∶1）（ ） （A ）0.067/h ；（B ）0.55/h ；（C ）1.57/h ；（D ）（A ）、(B)、(C)均错； (3) 干涉式光纤陀螺光纤长1500m ，成环半径4cm ，光纤环法向角速度1.5/h Ω=︒，光波长为1580nm 。

则由Sagnac 效应引起的相位差近似为（ ）（A ）47.9510-⨯（） ；（B ）0.114（）；（C ）43.1410-⨯（）；（D ）(A)、(B)、(C)均错；(4) 动量矩定理的向量表达式为（ ） （A ）n b nb d R d RR dt dtω=+⨯ ；（B ）bib d HM H dtω=⨯+ ；（C ）b n nb d R d R R dt dt ω=+⨯；（D ）i oo d H M dt= 二、（10分）说明运动地理坐标系相对惯性空间旋转的原因，给出该旋转角速度在地理坐标系上的分量。

三、（20分）已知坐标系b b b ox y z （b 系）与n n n ox y z （n 系）初始时重合，b 系是n 系以转动顺序x y z →→，转角分别为α、β、γ得到的。

试：（1）求方向余弦矩阵nI C ，bn C 和nb C ；（2）写出b 系相对n 系的瞬时角速度在b 系上的投影表达式；（3）若向量ω在b 系中的表示为Tbx y z ωωωω⎡⎤=⎣⎦，求该向量在I I I ox y z 中的表示Iω和n n n ox y z 中的表示nω。

university of science and technology of china 96 jinzhai road, hefei anhui 230026,the people’s republic of china陀螺仪实验实验报告李方勇 pb05210284 sist-05010 周五下午第29组2号2006.10.22 实验题目陀螺仪实验（演示实验）实验目的1、通过测量角加速度确定陀螺仪的转动惯量；2、通过测量陀螺仪的回转频率和进动频率确定陀螺仪的转动惯量；3、观察和研究陀螺仪的进动频率与回转频率与外力矩的关系。

实验仪器①三轴回转仪；②计数光电门；③光电门用直流稳压电源（5伏）；④陀螺仪平衡物；⑤数字秒表（1/100秒）；⑥底座（2个）；⑦支杆（2个）；⑧砝码50克+10克（4个）；⑨卷尺或直尺。

实验原理1、如图2用重物（砝码）落下的方法来使陀螺仪盘转动，这时陀螺仪盘的角加速度?为：?=d?r/dt=m/ip (1) 式中?r为陀螺仪盘的角速度，ip为陀螺仪盘的转动惯量。

m=f.r为使陀螺仪盘转动的力矩。

由作用和反作用定律，作用力为：f=m(g-a) (2) 式中g为重力加速度，a为轨道加速度（或线加速度）轨道加速度与角加速度的关系为：a=2h/tf2； ?=a/r (3) 式中h为砝码下降的高度，r如图1所示为转轴的半径，tf为下落的时间。

将(2)(3)代入(1)2ip?2mr2t?h2mgr可得： (4)2f测量多组tf和h的值用作图法或最小二乘法拟合数据求出陀螺仪盘的转动惯量。

2、如图3所示安装好陀螺仪，移动平衡物w使陀螺仪ab轴（x轴）在水平位置平衡，用拉线的方法使陀螺仪盘绕x轴转动（尽可能提高转速），此时陀螺仪具有常数的角动量l：l=ip.?r (5) 当在陀螺仪的另一端挂上砝码m（50g）时就会产生一个附加的力矩m*，这将使原来的角动量发生改变：dl/dt=m*=m*gr* (6) 由于附加的力矩m*的方向垂直于原来的角动量的方向，将使角动量l变化dl，由图1可见： dl=ld?这时陀螺仪不会倾倒，在附加的力矩m*的作用下将会发生进动。

光纤陀螺仪测试方法1 范围本标准规定了作为姿态控制系统、角位移测量系统和角速度测量系统中敏感器使用的单轴干涉性光纤陀螺仪（以下简称光纤陀螺仪）的性能测试方法。

2 规范性引用文件下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。

凡是注目期的引用文件，其随后所有的修改单（不包含勘误的内容）或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。

凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本标准。

GB 321-1980 优先数和优先系数CB 998 低压电器基本实验方法GJB 585A-1998 惯性技术术语GJB 151 军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求3 术语、定义和符号GJB 585A-1998确立的以及下列术语、定义和符号适用于本标准。

3.1 术语和定义3.1.1 干涉型光纤陀螺仪 interferometric fiber optic gyroscope仪萨格奈克（Sagnac）效应为基础，由光纤环圈构成的干涉仪型角速度测量装置。

当绕其光纤环圈等效平面的垂线旋转时，在环圈中以相反方向传输出的两束相干光间产生相位差，其大小正比于该装置相对于惯性空间的旋转角速度，通过检测输出光干涉强度即反映出角速度的变化。

3.1.2 陀螺输入轴 input axis of gyro垂直于光纤环圈等效平面的轴。

当光纤陀螺仪绕该轴有旋转角速度输入时，产生光纤环圈相对于惯性空间输入角速度的输出信号。

3.1.3 标度因数非线性度 scale factor nonlinearity在输入角速度范围内，光纤陀螺仪输出量相对于最小二乘法拟合直线的最大偏差值与最大输出量之比。

3.1.4 零偏稳定性 bias stability当输入角速度为零时，衡量光纤陀螺仪输出量围绕其均值的离散程度。

以规定时间内输出量的标准偏差相应的等效输入角速度表示，也可称为零漂。

3.1.5 零偏重复性 bias repeatability在同样条件下及规定间隔时间内，多次通电过程中，光纤陀螺仪零偏相对其均值的离散程度。

陀螺仪漂移和高频扰动对两轮平衡车姿态角度测量分
析
 微机电系统（MicroElectroMechanical Systems，MEMS）陀螺仪和MEMS 加速度计在两轮平衡车姿态测量中存在扰动和噪声，引起姿态角度测量误差。

通过对陀螺仪和加速度计输入信号进行滑动扣除均值方法来抑制直流分量，利用滑动滤波算法抑制加速度计高频噪声，引入互补滤波算法将预处理后的陀螺仪和加速度计信号进行融合，得到更加准确稳定的角度测量值，分析了融合算法中加权因子与滤波频率特征之间的关系。

该方法应用到两轮平衡车的运行姿态角度控制中，提高了对姿态角度测量的精度。

 两轮平衡车具有广阔的应用前景，使其成为了当前研究的热点。

其中，两轮平衡车的姿态角度测量是研究的关键问题之一。

姿态角度测量是两轮平衡车运行和控制实现的前提。

姿态角度测量的精度和速度，将直接影响两轮平衡车控制算法的稳定性和可靠性。

随着惯性测量元件的微型化与微处理器运算能力的提高，两轮平衡车姿态测量普遍采用低成本的惯性测量组合元件（Inertal Measurement Uint，IMU），结合微处理器数据处理算法实现高精度的姿态测量。

IMU主要由低成本的MEMS陀螺仪和三轴加速度计组成。

MEMS陀螺仪有自主性好、功耗低、机电性能好易集成等优点。

但是，MEMS陀螺仪具有温度漂移特性，其测量误差会随着时间的累加而不断的累积，从而影响测量精度。

加速度计会受到平衡车振动的影响，混叠额外的振动量干扰。

所以单一的传感器测量难以得到精确的姿态角度。

需采用多传感。

ⅠⅡΩΩ捷联惯导系统的导航的精度将会随着时问的推移而降低，因为无论采取什么手段，只要惯导器件误差不为零，那么惯导系统的导航误差就要随时间而积累，这是由惯性导航原理决定的。

而两种主要的惯性元件陀螺仪和加速度计中，加速度计的精度通常比陀螺仪高一个数量级以上，一般能够满足导航要求。

因此陀螺漂移的合理补偿就成为了提高导航精度的关键。

陀螺漂移补偿的方案有很多种，本文曾对几种漂移补偿方案进行了实验比较，并在此基础上提出了一种在一定条件下行之有效的加速度计辅助补偿法。

下面介绍曾实验的几种方案并详细介绍加速度计辅助补偿法。

方案一称为动态校零的漂移补偿方法，这种方法的背景是:基于对压电陀螺的研究，发现压电陀螺始终存在零位不重复性和零位不稳定性。

零位不重复性是指在静止状态下，不同时间给陀螺通电，陀螺的输出电压各不相同;零位不稳定性是指在静止状态下，给陀螺通电，陀螺的输出电压随时间的推移而变化。

动态校零分为针对零位不重复性的开机零位校正和针对零位不稳定性的零位漂移抑制过程。

零位信号是一个变化较缓慢的信号，在短时间内，可以看作直流分量。

因此，开机零位校正可以采用一个求和过程，对开机时静态陀螺信号进行求和，再将所求之和除以积分的时间得均值，即可将开机零位分离出来。

本文采用的是开机一分钟的均值。

而零位漂移抑制则需要通过对大量陀螺数据的分析，总结出其漂移规律，根据规律预置漂移速率，由漂移抑制算法消除零位的不稳定性。

但是这个方一案存在一些问题，首先零位信号是随时间漂移的，那么开机所求得的零位信号在之后的导航解算中很可能与实际情况不符合从而影响修正的效果;另外，预置漂移速率要求陀螺输出有较强的规律性，而经过大量实验数据的采集和分析，证实本实验采用的陀螺不具有很强的规律性，所以此种动态校零的修正方案在本文并不适用。

方案二本文曾提出过一种方案，称之为最小二乘拟合法。

是根据对采集的大量陀螺数据的分析，建立一个陀螺输出漂移与时间关系的最小二乘的模型，并将陀螺输出分为若干小的时间段，例如I0s(因为在相邻的短时间段内规律性可视为相同)，由于时间短，可将每个时间段内的模型近似认为是Y=aX十b, Y为陀螺输出，X为时间变量，a, b为待辨识参数，利用本时间段采集的数据实时估计的陀螺输出漂移的最小二乘模型来预估下一时间段陀螺输出漂移值，将据此估计值下一时间段中对实际陀螺输出进行修正。

陀螺仪指标陀螺仪是一种测量角速度的仪器，通常用于导航、导弹控制、飞行器稳定等领域。

以下是一些常见的陀螺仪指标：1.灵敏度（Sensitivity）：•陀螺仪的灵敏度是指单位角速度变化对应的输出电压变化。

通常以每秒度（degree per second）或每小时度（degree per hour）为单位。

2.零点漂移（Zero-rate Drift）：•陀螺仪在没有受到角速度刺激时，输出的平均电压值。

零点漂移越小，表示陀螺仪的性能越好。

3.测量范围（Measurement Range）：•陀螺仪能够稳定测量的角速度范围。

超过这个范围，陀螺仪可能无法准确测量。

4.线性度（Linearity）：•陀螺仪输出与输入之间的线性关系。

线性度越高，表示陀螺仪在不同角速度下的输出更为准确。

5.温度稳定性（Temperature Stability）：•陀螺仪在不同温度下的性能变化情况。

稳定性越好，表示陀螺仪在不同温度环境下能够保持较为一致的性能。

6.响应时间（Response Time）：•陀螺仪从接收到角速度输入到产生相应输出的时间。

响应时间越短，表示陀螺仪对输入变化的反应越快。

7.动态范围（Dynamic Range）：•陀螺仪能够处理的动态范围，即从最小到最大角速度的范围。

8.分辨率（Resolution）：•陀螺仪输出的最小可检测变化。

分辨率越高，陀螺仪能够检测到更小的角速度变化。

9.稳定性（Stability）：•陀螺仪输出的稳定性，即在一段时间内输出是否保持稳定。

这些指标可以帮助评估陀螺仪的性能，选择适合特定应用的陀螺仪型号。

在实际应用中，选择陀螺仪时需根据具体需求考虑这些性能指标。

陀螺仪芯片漂移误差-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述陀螺仪芯片是一种常用的传感器，在许多电子设备和导航系统中被广泛应用。

它可以测量物体的角速度，并提供重要的姿态信息。

然而，由于各种因素的干扰和不完美的设计，陀螺仪芯片会存在漂移误差问题。

这种误差会导致陀螺仪芯片输出的姿态信息与实际姿态有一定的偏差，严重影响了其测量精度和可靠性。

本文将对陀螺仪芯片漂移误差进行深入研究，并探讨其对陀螺仪芯片性能的影响。

首先，我们将介绍陀螺仪芯片的工作原理，解释其如何测量角速度和提供姿态信息。

然后，我们将详细定义陀螺仪芯片漂移误差，并分析其产生原因和影响因素。

在正文的第二部分，我们将讨论影响陀螺仪芯片漂移误差的因素。

这些因素包括温度变化、机械振动、电磁干扰等，它们会扰乱陀螺仪芯片的精确测量。

我们将分析每个因素的影响程度和可能的解决方法，以期降低漂移误差并提高陀螺仪芯片的性能。

最后，在结论部分，我们将总结陀螺仪芯片漂移误差的影响和解决方法。

我们将指出陀螺仪芯片漂移误差对导航系统、无人机等应用领域的重要性，并提出一些可能的改进方向，以进一步减少漂移误差，提高其测量精度和可靠性。

通过对陀螺仪芯片漂移误差的深入研究和讨论，本文旨在增加人们对陀螺仪芯片性能的认识，并对相关领域的研究和实践工作提供有益的指导。

我们相信，通过更好地理解和解决陀螺仪芯片漂移误差问题，我们将能够推动相关技术的发展并取得更好的应用效果。

文章结构部分可以简要介绍整篇文章的组织结构和各个章节的主要内容。

具体内容如下：1.2 文章结构本文将主要围绕陀螺仪芯片漂移误差展开讨论，并按以下章节进行组织和阐述：2.1 陀螺仪芯片的工作原理本节将介绍陀螺仪芯片的基本工作原理，包括其内部构造和运作方式等。

通过对陀螺仪芯片工作原理的介绍，读者可以更好地理解漂移误差的产生机制和影响因素。

2.2 陀螺仪芯片漂移误差的定义在本节中，将详细介绍陀螺仪芯片漂移误差的概念和定义。