3陀螺稳定平台

MPU6050在小型稳定平台中的应用作者：邵添羿来源：《中国科技博览》2017年第19期中图分类号：TH74 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）19-0070-011 绪论陀螺稳定平台能够隔离载体的运动干扰，调整姿态和位置变化，精确保持动态姿态基准，在现代武器系统中得到了广泛应用。

小型惯性稳定平台用于在载车的行驶过程中提供稳定的惯性平台，以放置光电、跟踪等对于姿态稳定有要求的各种设备。

由于车载平台安装在运动的车辆上，车辆在行驶中的晃动、颠簸、转向等机动动作均会引起平台的运动，对于特定的车载设备，要求在车辆行驶中设备的姿态始终保持稳定，因此对平台的稳定控制提出了相应的要求。

2 平台的稳定控制原理平台的稳定控制系统能隔离载体运动，当车辆行进时，可以隔离载体运动对平台的干扰，使平台及其搭载的设备相对惯性空间保持恒定的姿态。

常见的双轴稳定平台如图1所示。

图1中，方位环和基座用轴承相联，俯仰环安装在方位环内，俯仰环上安装有单自由度陀螺Gx和Gz，Gx陀螺控制俯仰环轴，Gz陀螺控制方位环轴，Ma和Mf分别为方位轴电机和俯仰轴电机。

平台的稳定控制策略采用间接控制，惯性姿态传感器安装在载车上，平台的稳定控制使用车载INS/GPS输出的载体姿态角信息，载体的姿态角为UAV相对大地坐标系的姿态角。

3 惯性敏感器惯性敏感器即陀螺仪和加速度计，采用InvenSense公司MPU-6050，是全球首款整合型6轴运动处理组件，相较于多组件姿态测量方案，免除了组合陀螺仪与加速度计之间轴向安装误差的问题，减少了系统体积。

MPU-6050整合了3轴陀螺仪、3轴加速度计，以I2C总线接口向外输出完整的能够输出方向余弦、四元数、欧拉角的融合数据。

利用内置的运动处理资料库，可处理运动感测的复杂数据，降低了运动处理运算对操作系统的负荷，并为应用开发提供架构花的API。

MPU-6050的角速度测量范围最大可达±2000°/s，可准确追踪快速与慢速动作。

§3.3 陀螺稳定平台1、问题的提出如果能测量出沿直角坐标系三个轴的线运动和绕三个坐标轴的角运动，就可以确定出物体的运动状态。

飞机、舰船以及各种战略战术武器都用惯性导航、惯性制导系统测量出运载体的位置、速度及姿态等运动情况。

如测量线运动用加速度计，测量角运动用陀螺仪。

下图就是由三个二自由度陀螺和三个单轴加速度计组成的全姿态惯性测量组合(IMU)。

三个二自由度陀螺仪分别检测或稳定三个轴的角运动，三个单轴加速度计检测沿三个轴的加速度（线运动）。

一个二自由度陀螺相当于两个单自由度的陀螺，所以也有用两个二自由度陀螺仪代替三个单自由度陀螺仪的，多余的一根陀螺仪测量轴，可以用锁定回路进行锁定。

图 全姿态惯性测量组合示意图根据IMU选择的坐标系，就构成了各种不同方案的惯性导航系统。

平台式惯性导航系统把IMU稳定在导航坐标系里，与运动的载体相隔离，而捷联式方案是把IMU固定在载体上。

平台式惯导系统的做法：为了把IMU与载体相隔离，所以用一套框架系统把IMU支承起来（跟付科模型类似）。

使IMU成为在载体上不受载体运动与载体相隔离，所以用一套框架系统把IMU支承起来。

使IMU成为在载体上不受载体运动影响的—个物理平台。

图 三轴稳定平台的结构示意图在上图中A即是由陀螺和加速度计组成的测量部件IMU，是平台台体，平台用垂直的一个内环B支承起来，平台与内环间可以作360度的相对转动。

内环支承在水平的外环C中，内环连同平台可绕水平的X轴相对外环转动。

外环水平地支承在载体上，内外环及平台一起p可以绕水平的Y轴相对于载体转动。

在惯性平台稳定工作时，实际的p平台与载体的相对运动情况正好相反，载体无论绕方位轴转动还是横滚、俯仰，平台始终稳定跟踪某一导航坐标系。

平台三个支承轴的转角就可测量出载体的航向和水平姿态角。

把平台的外框轴沿载体的纵向轴安装，如图在船上的安装，则垂直的Z轴测航向，p X轴测纵摇，pY测横摇。

各支承轴上装上测角传感器就测量出了载体的航向和水平p姿态信号。

稳定平台关键技术综述0引言从科索沃战争、伊拉克战争到最近的利比亚战争，局部战争成为主要的作战模式。

与以往的区域攻击不同，现代局部战争的主要特点是快速反应、精确打击。

为应对未来局部战争，做到敢打必胜，改进与研制武器装备，提高部队作战能力成为首要任务。

在我军车载陆战装备中，战术导弹、坦克、火炮等武器系统近些年来有了很大发展，射击范围和精度都有了很大提高。

但与外军先进装备相比，行进间射击精度尚有较大差距，甚至大多装配的武器系统还无法实现行进间射击。

行进间射击作为提高部队作战效率，增强武器装备自我防护能力的重要指标，已成为未来陆战装备的主要发展方向，同时这也使得对武器系统的改进与研制迫在眉睫。

瞄准线稳定技术是实现行进间射击、提高行进间射击精度的主要环节。

它采用稳定平台对车体的航向、纵摇和横滚运动进行有效的隔离，使瞄准线在惯性坐标系下保持稳定。

为提高陆战装备快速反应与精确打击能力，急需提高稳定瞄准的快速性、精确性、自适应性，因此本课题的研究具有重要意义。

1稳定平台国内外研究现状在光电稳定平台中，陀螺稳定平台迄今得到了广泛的应用，它是采用一个环架系统作为光电传感器的光学平台，在平台上放置陀螺来测量平台的运动，陀螺敏感姿态角的变化经过放大以后驱动环架的力矩电机，通过力矩电机驱动平台使光电传感器保持稳定。

在国外起初应用于手持式望远镜和瞄准具中，并在八十年代装备部队，现已广泛应用于地基、车载、舰载、机载、弹载、天基等各种观测、摄像系统中。

1996年，美国的航空红外制造商前视红外系统公司以电子新闻采集市场为目标推出了一种双传感器系统，它包括一个用于低照度的高分辨率红外摄像机和用于白天的标准广播摄像机，这两台摄像机一起被安装在一个紧凑的三轴陀螺稳定的万向架中，能够提供50rad μ的图像稳定精度，意大利的Caselle-Torinese 公司生产的11072Caselle-Torinese 光轴稳定平台的旋转范围可以做到高低方位均为︒︒360~0，最大旋转速度为︒60/s ，稳定精度为0.4mrad 。

陀螺的结构名称陀螺的结构名称陀螺是一种旋转体，旋转时呈现出稳定性和惯性的特点，可以被用于许多领域，如导航、陀螺仪等。

陀螺的结构名称根据不同的特点和分类，可分为以下几类。

1.基于自由度的分类基于自由度的分类方式，包括一维陀螺、二维陀螺和三维陀螺。

一维陀螺仅具有一个旋转自由度，常常被用于仪器和玩具中。

它的结构相对简单，由一个旋转轴和转轮组成。

二维陀螺是具有两个旋转自由度的陀螺，它的结构更加复杂，包括转轮、支撑轮、绞盘、编码器等部分。

它被广泛应用于导航系统、慣性導航系統等领域。

三维陀螺具有三个旋转自由度，主要应用于导航和稳定平台系统等领域。

它的结构相对复杂，由转轮、三组稳定环组成。

稳定环的作用是使转轮保持垂直方向稳定，提高了陀螺的稳定性和精度。

2.基于工作原理的分类基于工作原理的分类方式，包括空气悬浮式陀螺、机械支撑陀螺和电磁悬浮式陀螺。

空气悬浮式陀螺采用气浮支撑，旋转轴是通过气体泵产生气体层，使转轮悬浮在空中，并可以对转轮进行控制。

其优点是结构简单、寿命长、精度高。

机械支撑陀螺采用机械支撑方式，它的结构复杂，包括编码器、测量装置、多个轴承及其支撑装置等。

机械支撑陀螺可以达到非常高的精度和灵敏度，是导航等领域常用的陀螺之一。

电磁悬浮式陀螺采用电磁力控制转轮的位置和姿态，以实现转轮的稳定性和精度。

其优点是噪声小、寿命长，精度高。

3.基于应用的分类基于应用的分类方式，包括导航陀螺、稳定平台陀螺和陀螺仪。

导航陀螺被广泛应用于导航系统、陀螺罗盘、地震学和空间测量等领域，主要用于测量移动运动、姿态角和地球自转的角速度等。

稳定平台陀螺目的是使平台水平，确保安装在平台上的仪器在运动时保持姿态稳定。

稳定平台陀螺具有高精度、高可靠性等优点，可以用于地震学、航空航天和军事等领域。

陀螺仪是一种利用陀螺效应测量转速和角速度的仪器，被广泛应用于航空航天、导弹、火箭等领域。

陀螺仪结构相对简单，由转轮、电磁元件、控制电路等构成。

综上所述，陀螺的结构名称根据不同的特点和分类，可以分为一维陀螺、二维陀螺和三维陀螺，空气悬浮式陀螺、机械支撑陀螺和电磁悬浮式陀螺，以及导航陀螺、稳定平台陀螺和陀螺仪。

三轴陀螺仪稳定器原理三轴陀螺仪稳定器是常用的一种姿态控制器，用于控制无人机、飞行器、航模等飞行器的飞行姿态。

它基于陀螺仪的测量数据，通过PID控制算法来实现对飞行器姿态的稳定控制。

下面将分别从三个方面介绍三轴陀螺仪稳定器的原理，包括陀螺仪原理、PID控制原理以及三轴陀螺仪稳定器的工作原理。

一、陀螺仪原理陀螺仪是一种基于角动量守恒定律的转动仪器，它能够测量物体的转动角速度。

常见的三轴陀螺仪由三个互相垂直的旋转轴组成，分别对应物体在三个方向上的转动角速度。

当物体绕主轴转动时，主轴转动的惯性会抵消外力的作用，使主轴保持一个相对稳定的方向，这种稳定的方向就可以用来测量物体的转动角速度。

简单来说，陀螺仪就是利用旋转物体的惯性来测量转动角速度的一种传感器。

二、PID控制原理PID控制是一种基于反馈控制的控制方法，它通常用于控制系统的稳定性和精度。

PID控制器通过不断调节输出信号的比例(P)、积分(I)和微分(D)三个参数，来实现对控制对象的精确控制。

简单来说，PID控制器就是通过不断调整控制参数，使系统输出和目标值之间的误差最小化，从而实现对系统的精确控制。

三、三轴陀螺仪稳定器的工作原理三轴陀螺仪稳定器的工作原理就是在陀螺仪的基础上，通过PID控制算法来控制飞行器的姿态稳定。

具体流程如下：1.陀螺仪测量角速度。

2.通过微处理器将陀螺仪的测量数据转化为姿态角度。

3.将目标姿态角度和实际姿态角度之间的误差进行计算。

4.通过PID控制算法计算出控制输出信号。

5.控制输出信号经过PWM驱动电机，控制飞行器的转动。

6.通过循环调整PID控制器的参数，控制输出信号的精确性和稳定性。

通过以上的过程，三轴陀螺仪稳定器就能够实现对飞行器姿态的稳定控制。

当飞行器发生偏差时，陀螺仪能够测量到角速度，PID控制算法能够计算出正确的输出信号，从而实现对飞行器的调整和稳定。

陀螺稳定平台（gyroscope-stabilized platform）是利用陀螺仪特性保持平台台体方位稳定的装置。

简称陀螺平台、惯性平台。

用来测量运动载体姿态，并为测量载体线加速度建立参考坐标系，或用于稳定载体上的某些设备。

它是导弹、航天器、飞机和舰船等的惯性制导系统和惯性导航系统的主要装置。

分类和组成：按结构形式可分为框架陀螺平台和浮球平台两种。

①框架陀螺平台。

按其稳定的轴数，又分为单轴、双轴和三轴陀螺稳定平台（图1）。

它主要由平台台体、框架系统（即内框架、外框架和基座）、稳定系统（由平台台体上的陀螺仪、伺服放大器和框架轴上的力矩电机等构成，又称稳定回路、伺服回路）和初始对准系统（包括平台台体上的对准敏感元件、变换放大器和稳定系统）等组成。

陀螺稳定平台使用何种陀螺仪作为稳定敏感元件，就称为何种陀螺平台，如气浮陀螺平台、液浮陀螺平台、挠性陀螺平台和静电陀螺平台等。

②浮球平台。

又称高级惯性参考球平台。

主要由浮球（即内球）、球壳（即外球）、信号传输系统、姿态读出系统、加矩系统、温控系统、自动校准与对准系统和计算机接口装置等组成（图2）。

工作原理：三轴陀螺稳定平台有3条稳定系统通道，2条初始对准系统水平对准通道和1条方位对准通道。

其工作状态：一是陀螺平台不受载体运动和干扰力矩的影响，能使平台台体相对惯性空间保持方位稳定；二是在指令电流控制作用下，使平台台体按给定规律转动而跟踪某一参考坐标系进行稳定。

利用外部参考基准或平台台体上的对准敏感元件，可以实现初始对准。

三轴陀螺稳定平台应用较广泛。

浮球平台的浮球内装3个陀螺仪、3个加速度计和电子组件，浮球与球壳之间充以低粘性的碳氢液体，通常用电动涡轮液压泵提供连续流动悬浮液，将浮球悬浮在球壳中。

在球壳上安装有倍增器、倍减器、姿态读出器（激励带式感应传感器）、加速度计读出器、温控器与计算机接口装置等。

浮球中的陀螺仪、加速度计和姿态传感器信号传输系统，采用混频和多路传输，经电刷送到直流线路并在外电子组件中处理，然后由载波编码，通过接口送到计算机中。

三轴振动陀螺仪的原理三轴振动陀螺仪是现代惯性导航系统的核心组成部分之一。

它是一种基于陀螺效应测量旋转角速度和方向的仪器。

本文将介绍三轴振动陀螺仪的原理、构成、工作流程和应用场景。

一、三轴振动陀螺仪的原理1. 陀螺效应陀螺效应是指将陀螺仪转动时，在转速不变的情况下，它的转轴方向会发生偏转的现象。

这是由于旋转的陀螺仪具有巨大的角动量，很难改变其转轴方向，导致其转轴始终维持在原方向上。

2. 三轴振动陀螺仪的结构三轴振动陀螺仪是由三个陀螺仪组成，分别位于 X、Y、Z 三个方向上。

每个陀螺仪都可以测量其所在方向的角速度，通过将三个方向的角速度向量叠加，可以得到物体的总角速度向量。

3. 工作原理在工作时，三轴振动陀螺仪会被安装在测量对象上，并转动以保持其方向。

当测量对象开始旋转时，陀螺仪所在方向会随着旋转而发生偏转，导致在该方向上出现一个陀螺效应。

这时陀螺仪会测量出沿该方向的角速度，从而获得旋转的信息。

二、三轴振动陀螺仪的构成三轴振动陀螺仪包括三个陀螺仪，一个信号处理器、一个控制器和一个电源。

每个陀螺仪都是由一个转子和一个固定部分组成。

转子是由一个旋转的圆盘和一个陀螺轴组成，可以自由旋转。

而固定部分则包括一个支架、一个针轴和一个检测器。

当转子旋转时，陀螺效应会使其转轴和原先的方向有一个角度偏差，这时检测器会感应到转轴的偏移量，并输出相应的信号。

信号处理器则可以处理接收到的信号，并把它们转化为物体的角速度。

控制器可以决定如何使用这些数据，例如通过滤波器消除杂波或对角速度进行积分以计算出物体的角度。

三、三轴振动陀螺仪的工作流程三轴振动陀螺仪的工作流程可以简单地分为三个步骤：感知旋转、转换角速度和积分计算角度。

1. 感知旋转当三轴振动陀螺仪被安装在物体上时，它可以感知到该物体的旋转。

对于每个陀螺仪，当它随物体旋转时，它所在方向的陀螺效应会导致转轴偏离其原先的方向，并产生一个瞬时信号。

2. 转换角速度信号处理器会接收陀螺仪输出的信号，并将其转换为物体的角速度。

一、实验目的1. 了解陀螺稳定平台的基本原理和组成；2. 掌握陀螺稳定平台的操作方法；3. 通过实验验证陀螺稳定平台在隔离载体扰动和跟踪目标方面的作用；4. 分析陀螺稳定平台在实际应用中的性能表现。

二、实验原理陀螺稳定平台是一种利用陀螺仪特性保持平台台体方位稳定的装置。

它主要由惯性平台、陀螺仪、控制器和执行机构等组成。

当载体发生运动时，陀螺仪能够测量出载体的角速度和角加速度，并将这些信息传递给控制器，控制器根据陀螺仪的输出信号控制执行机构，使平台台体保持稳定。

三、实验设备1. 陀螺稳定平台；2. 激光测距仪；3. 数字示波器；4. 数据采集卡；5. 计算机；6. 相关实验软件。

四、实验步骤1. 将陀螺稳定平台安装好，连接好相关设备；2. 启动计算机，打开实验软件；3. 将激光测距仪放置在实验场地，调整好位置；4. 打开实验软件，设置实验参数；5. 控制陀螺稳定平台在指定路径上运动；6. 通过激光测距仪测量陀螺稳定平台在运动过程中的实际位置；7. 将实验数据记录在实验报告中。

五、实验结果与分析1. 实验结果通过实验，我们得到了陀螺稳定平台在运动过程中的实际位置数据。

将实验数据与激光测距仪测量的实际位置进行比较，可以得出陀螺稳定平台在隔离载体扰动和跟踪目标方面的性能表现。

2. 分析（1）陀螺稳定平台在运动过程中，能够有效地隔离载体扰动，使平台台体保持稳定。

这表明陀螺稳定平台在实际应用中具有良好的稳定性。

（2）陀螺稳定平台在跟踪目标方面表现出较高的精度。

通过实验数据可以看出，陀螺稳定平台在跟踪目标过程中，实际位置与激光测距仪测量的实际位置基本一致。

（3）陀螺稳定平台的性能表现与实验参数设置有关。

在实际应用中，应根据具体情况调整实验参数，以获得最佳的实验效果。

六、结论本次实验验证了陀螺稳定平台在隔离载体扰动和跟踪目标方面的作用。

实验结果表明，陀螺稳定平台在实际应用中具有良好的稳定性和跟踪精度。

通过对实验数据的分析，我们可以得出以下结论：1. 陀螺稳定平台是一种有效的隔离载体扰动和跟踪目标的装置；2. 陀螺稳定平台的性能表现与实验参数设置有关；3. 陀螺稳定平台在实际应用中具有良好的应用前景。