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如果給手機內(nèi)部器件做一個投票，陀螺儀傳感器很有希望當選“知名度最低的器件”。但是，如果一部手機沒有陀螺儀，那它的功能性和娛樂性將下降數(shù)個檔次。舉一個簡單的例子，如果沒有陀螺儀傳感器，熱門手機游戲《絕地求生》將沒有任何體感操作，你的方向轉換只能通過手動按鍵來操作。
陀螺儀傳感器進化史
陀螺儀，又叫角速度傳感器，是一個簡單易用的基于自由空間移動和手勢的定位和控制系統(tǒng)，其原理就是，一個旋轉物體的旋轉軸所指的方向在不受外力影響時，是不會改變的。陀螺儀是現(xiàn)代航空，航海，航天和國防工業(yè)中廣泛使用的一種慣性導航儀器。
自從 19 世紀中期被發(fā)明之后，陀螺儀經(jīng)歷了漫長的演進過程，在 1976 年之前都是機械結構的陀螺儀。最早的陀螺儀是將一個高速旋轉的陀螺放到一個萬向支架上，靠陀螺的方向來計算角速度，其結構如下圖所示：
機械結構的陀螺儀在飛機、導彈和航海等場景中被用于導航，通過陀螺儀確定方向和角速度，再結合加速度計測試加速度，就可以計算出飛行路線或者航向。不過，機械結構的陀螺儀對于制造工藝要求很高，結構很復雜，因此精度上受到了很多限制。
航向陀螺儀結構原理圖
1976 年，科學家提出了現(xiàn)代光纖陀螺儀的基本設想，到二十世紀八十年代以后，現(xiàn)代光纖陀螺儀就得到了非常迅速的發(fā)展。與此同時，激光陀螺儀也取得了積極進展。不過，相較而言光纖陀螺儀沒有閉鎖問題，且不用在石英塊精密加工出光路，成本相對較低，因此光纖陀螺儀速度取代了機械陀螺儀在航空、航海、航天和國防工業(yè)中地位。
在陀螺儀技術不斷演進的情況下，一項對傳感器至關重要的技術——MEMS 同樣在推進自己的商業(yè)化進程，兩者的結合讓陀螺儀開始適用于消費電子領域。MEMS 陀螺儀采用的是依賴于相互正交的震動和轉動引起的交變科里奧利力，其原理是對固定值施加電壓，并交替改變電壓，讓一個質(zhì)量塊做振蕩式來回運動，當旋轉時，會產(chǎn)生科里奧利加速度，此時就可以對其進行測量。
科里奧利效應
由于實現(xiàn)的方式類似于加速度計，很多人也將 MEMS 陀螺儀稱為加速度傳感器的升級版。區(qū)別在于加速度傳感器能檢測和感應某一軸向的線性動作，而陀螺儀能檢測和感應 3D 空間的線性和動作，從而能夠辨認方向、確認姿態(tài)、計算角速度。
MEMS 陀螺儀的重要參數(shù)
MEMS 傳感器只所以能夠在在很小的芯片體積下較為精準的測量角速率，實則是通過音叉機制共振運動的設計，結合科里奧利力原理將角速率轉化成為可以測量的電容量。以下圖做演示，當外部施加角速度之后，就會出現(xiàn)一個科里奧利力，力的方向垂直于質(zhì)量運動方向，如垂直方向箭頭所示。產(chǎn)生的科氏力使感測質(zhì)量發(fā)生位移，位移大小與所施加的角速率大小成正比。因為感測器感測部分的動電極（轉子）位于固定電極（定子）的側邊，上面的位移將會在定子和轉子之間引起電容變化。最后通過專用電路測量電容值就可以得到相應的角速率了。
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接下來我們挑選一款艾睿電子官網(wǎng) -Arrow.cn在售的 ADXRS624BBGZ 為例來分析一款 MEMS 陀螺儀。
ADXRS624BBGZ規(guī)格參數(shù)如下表所示：
可以看到，一款陀螺儀有很多參數(shù)指標，首先要學會理解 MEMS 陀螺儀的主要參數(shù)：
·電源（V）：這個參數(shù)規(guī)定了陀螺儀正常工作所需的直流電源電壓范圍。
·電源電流 (mA)：這個參數(shù)規(guī)定了陀螺儀正常工作所消耗的電流大小。
·睡眠模式電源電流 (mA)：這個參數(shù)規(guī)定了陀螺儀在睡眠模式下所消耗的電流大小。
·關機模式下的電源電流(μA)：這個參數(shù)規(guī)定了當陀螺儀電源關閉時所消耗的電流大小。
·全量程 (dps)：這個參數(shù)規(guī)定了陀螺儀的量程范圍。
·零速率輸出值(電壓或最低效位)：這個參數(shù)規(guī)定了當陀螺儀沒有被施加角速率時的零速率輸出信號的數(shù)值。
·靈敏度 (mV/dps 或 dps/LSB)：這個參數(shù)規(guī)定了在零速率輸出值時 1 dps 與模擬陀螺儀輸出電壓變化的關系，用 mV/dps 表示；數(shù)字陀螺儀的靈敏度(dps/LSB)表示 1 個最低有效位與 dps 的關系。
·靈敏度變化與溫度關系(%/°C)：這個參數(shù)規(guī)定了當溫度偏離 25℃室溫時，以℃為單位的靈敏度百分比變化。
·零速率輸出值變化與溫度關系(dps/℃)：這個參數(shù)規(guī)定了當溫度偏離 25℃室溫時，以℃為單位的零速率輸出值的變化。
·非線性 (% FS)：這個參數(shù)規(guī)定了陀螺儀輸出與最佳匹配直線之間的最大誤差占全量程(FS) 的百分比。
·系統(tǒng)帶寬(Hz):這個參數(shù)規(guī)定了角速率信號頻率范圍：從直流到模擬陀螺儀可測量的內(nèi)部帶寬（BW）。
·速率噪聲密度 (dps/√Hz):這個參數(shù)規(guī)定了能夠從陀螺儀輸出以及 BW 參數(shù)獲得的模擬陀螺儀和數(shù)字陀螺儀的標準分辨率。
·自測 (mV or dps)：這個功能可用于測試陀螺儀工作是否正常。這個功能的好處是在陀螺儀安裝到印刷電路板后無需旋轉印刷電路板即可測試陀螺儀。
其中，誤差是影響 MEMS 陀螺儀性能的關鍵因素，在 MEMS 陀螺儀的多個可能會引起誤差的因素中，偏置不穩(wěn)定性與較高頻率的噪聲變量（角度隨機游走“ARW”）成為引起陀螺儀漂移的兩個主要原因。
·偏置不穩(wěn)定性
陀螺儀會受偏置不穩(wěn)定性影響，由于器件固有的不足和噪聲，陀螺儀的初始零點讀數(shù)會隨時間漂移。偏置可重復性可以在慣性測量單元(IMU)的已知溫度范圍內(nèi)進行校準。與提供增強性能的分立器件相比，慣性測量單元(IMU)具有多方面優(yōu)勢。六自由度 IMU 由多個慣性 MEMS 傳感器組成，這些傳感器經(jīng)過溫度補償和校準，對齊在正交軸上。
然而，恒定偏置不穩(wěn)定性的積分會引起角度誤差。此類誤差會隨著陀螺儀旋轉或角度估計的長期漂移而累積。漂移的不良后果是航向計算的誤差會持續(xù)增加而不減退。加速度計則相反，其對振動和其他非重力加速度敏感。
·角度隨機游走（ARW）
光學陀螺具有速率積分的特性，由角速率隨機白噪聲積分引起的誤差角增量具有隨機游動的特性，這一誤差被稱為光學陀螺的角度隨機游走(ARW)。?
這一誤差的主要來源是：光子的自發(fā)輻射、探測器的散粒噪聲、機械抖動；另外，其它相關時間比采樣時間短得多的高頻噪聲，也引起光學陀螺的角度隨機游走。
對于采用抖動偏頻的激光陀螺來說，由于交變偏頻使激光陀螺頻繁通過鎖區(qū)，產(chǎn)生較大的角度隨機游走誤差，該誤差成為激光陀螺的主要誤差源。角度隨機游走噪聲的帶寬一般低于 10Hz，處于大多數(shù)姿態(tài)控制系統(tǒng)的帶寬之內(nèi)。因此，若不能精確確定角度隨機游走，它有可能成為限制姿態(tài)控制系統(tǒng)精度的主要誤差源。
總之，在理想情況下，校正陀螺儀漂移需要兩個基準。
（1）一開始便在設計中使用偏置不穩(wěn)定性最小的先進 IMU，可以最直接地降低陀螺儀漂移。九自由度 IMU 通常會提供額外的磁力計傳感器——大約三軸。磁力計檢測磁場相對于地磁北極的強度。此類傳感器可以與加速度計數(shù)據(jù)一同使用，作為另一個外部基準，用來降低陀螺儀漂移誤差對偏航軸的影響。然而，設計適當?shù)目臻g磁力計可能不如加速度計可靠，因為有很多東西會產(chǎn)生與地磁大小差不多的磁場。
（2）另一種更有效的長期漂移消除方法是對陀螺儀實施零角速度更新。只要知道器件處于完全靜止狀態(tài)，便可將相應軸的陀螺儀偏移歸零。因具體應用不同，這樣的機會有很大差異。但只要系統(tǒng)處于重復出現(xiàn)的安靜狀態(tài)，例如汽車怠速、自主機器人靜止或人跨腳步之間的時間，就可以進行歸零調(diào)整。
MEMS 傳感器的集成化趨勢
MEMS 陀螺儀是常見的一種傳感器，其具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高及測量范圍大等優(yōu)勢。目前，最為常見的 MEMS 陀螺儀就是應用到無人機、智能手機、汽車及物聯(lián)網(wǎng)等領域。
下面，就以無人機的飛控系統(tǒng)為例，來介紹 MEMS 陀螺儀集成加速度傳感器未來的發(fā)展趨勢。
MEMS 陀螺儀優(yōu)勢在于：(1)降低飛行器成本，促進市場應用蓬勃發(fā)展;(2)減少了無人機的重量，降低了功耗，提升了飛行時間;(3)通過 MEMS 技術集成更多傳感器，有利于實現(xiàn)姿態(tài)的精確控制。
可以看到，MEMS 陀螺儀優(yōu)勢明顯，但也存在一定局限性。相比光纖陀螺儀、激光陀螺儀，MEMS 陀螺儀的零漂和精度較差都是其不足之處。
因此，集成化成為了 MEMS 陀螺儀的發(fā)展方向之一。
在飛控系統(tǒng)中，主要采用 MEMS 陀螺儀測量飛行過程中的俯仰角和滾轉角，但一般需要配合 MEMS 加速度計，因為每種傳感器都有一定的局限性。
陀螺儀與加速計最大的不同是，陀螺儀的量測數(shù)據(jù)比較偏向斜度、偏航等動態(tài)信息，在積分的過程中，由于零漂影響，必然會引進累計誤差，積分時間越長，誤差就越大。反而與重力、線性動作感測數(shù)據(jù)無關，陀螺儀多在偵測物體水平改變狀態(tài)時較能達到效用，無法如加速度計對于物體移動或移動動能具較高的感測能力。那么，這就需要采用另一種 MEMS 加速度計來校正 MEMS 陀螺儀，由于 MEMS 加速度計沒有積分誤差，所以在相對靜止的條件下可以校正 MEMS 陀螺儀的誤差。兩者整合之后，應用價值將大幅提升。
隨著 MEMS 技術不斷成熟，目前 MEMS 陀螺儀和加速度計已經(jīng)集成在一起，通常稱為 6 軸組合傳感器。在此涉及的關鍵技術包括硬件(6 軸組合傳感器)和軟件(濾波算法、姿態(tài) / 導航算法等)兩部分。
艾睿電子官網(wǎng) -Arrow.cn在售的ADXC1501就是陀螺儀和三軸加速度計的組合，為電子產(chǎn)品設計的穩(wěn)定控制和其他高性能的應用要求同時提供偏航率和加速度信號。
產(chǎn)品原理框圖如下：
