姿态传感器：探究其功能与应用

姿态传感器是能够检测重力方向或姿态角变化（角速度）的传感器，可用于检测转轴不固定或无固定转轴的物体的角位移或角速度，常用于飞行器和机器人的姿态检测。常见的姿态传感器有陀螺仪、电子罗盘等。

1.陀螺仪

绕一个支点高速转动的刚体称为陀螺。在一定的初始条件和一定的外在力矩作用下，陀螺会在不停自转的同时，环绕着另一个固定的转轴不停地旋转，这就是陀螺的旋进。人们利用陀螺的力学性质制成的具有各种功能的陀螺装置称为陀螺仪。

陀螺仪是一种机械装置，如图5-11所示，其结构及运动特点是：一个转子可绕旋转轴以极高角速度旋转；转子旋转轴（转子轴）上安装一个内环架，那么陀螺仪就可环绕平面两轴自由运动；然后，在内环架外加上一外环架，这个陀螺仪就有两个平衡环，可以环绕平面三轴自由运动，也就是一个完整的太空陀螺仪。

陀螺仪的基本原理是：高速旋转的物体具有轴向不变的特性，即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。陀螺仪中的转子具有轴向稳定性（轴向不变性），陀螺仪安装在被测物体（飞机、导弹或机器人）上，当被测物的姿态发生变化时，陀螺仪外环架必定与转子的旋转轴形成角度差（角位移），这样我们就能观察到（检测到）被测物体的姿态变化。

利用陀螺仪的动力学特性制成的各种仪表或装置主要有以下几种。

（1）陀螺方向仪。

陀螺方向仪是能对飞行物体转弯角度和航向给出指示的陀螺装置。它是三自由度均衡陀螺仪，其底座固连在飞机上，转子轴提供惯性空间的给定方向。若开始时转子轴水平放置并指向仪表的零方位，则当飞机绕铅直轴转弯时，仪表就相对转子轴转动，从而能给出转弯的角度和航向的指示。由于摩擦及其他干扰，转子轴会逐渐偏离原始方向，因此每隔一段时间（如15 min）需对照精密罗盘作一次人工调整。

图5-11　陀螺仪

（2）陀螺罗盘。

供航行和飞行物体作方向基准用的、寻找并跟踪地理子午面的三自由度陀螺仪，称为陀螺罗盘。其外环轴铅直，转子轴水平置于子午面内，正端指北；其重心沿铅直轴向下或向上偏离支承中心。转子轴偏离子午面的同时偏离水平面而产生重转矩使陀螺旋进到子午面，这种利用重转矩的陀螺罗盘称为摆式罗盘。在21世纪，传统陀螺罗盘已发展为利用自动控制系统代替重力摆的电控陀螺罗盘，并且，能同时指示水平面和子午面的平台罗盘得以发明。

（3）陀螺垂直仪。

陀螺垂直仪是利用摆式敏感元件对三自由度陀螺仪施加修正转矩以指示地垂线的仪表。该陀螺仪的壳体利用随动系统跟踪转子轴位置，当转子轴偏离地垂线时，固定在壳体上的摆式敏感元件输出信号使转矩器产生修正转矩，转子轴在转矩作用下旋进，回到地垂线位置。陀螺垂直仪常常应用于航空和航海导航系统的地垂线指示或仪表量测。

（4）陀螺稳定器。

陀螺稳定器是用来稳定船体的陀螺装置。在20世纪初使用的施利克被动式稳定器实质上是一个装在船上的大型二自由度重力陀螺仪，其转子轴铅直放置，框架轴平行于船的横轴。当船体侧摇时，陀螺转矩迫使框架携带转子一起相对于船体旋进。这种摇摆式旋进引起另一个陀螺转矩，并对船体产生稳定作用。斯佩里主动式稳定器是在上述装置的基础上增加一个小型操纵陀螺仪得到的，其转子沿船的横轴放置。一旦船体侧倾，小陀螺沿其铅直轴旋进，从而使主陀螺仪框架轴上的控制电动机及时启动，在该轴上施加与原陀螺转矩方向相同的主动转矩，以加强框架的旋进和由此旋进产生的对船体的稳定作用。

（5）速率陀螺仪。

用以直接测定运载器角速率的二自由度陀螺装置叫速率陀螺仪。把陀螺仪的外环架固定在运载器上并令内环架的轴垂直于要测量角速率的轴。当运载器连同外环架以角速度绕测量轴旋进时，陀螺转矩将迫使内环架连同转子一起相对运载器旋进。陀螺仪中有弹簧限制这个相对旋进，而内环架的旋进角正比于弹簧的变形量。由平衡时的内环架旋进角即可求得陀螺转矩和运载器的角速率。

积分陀螺仪与速率陀螺仪的不同之处在于它用线性阻尼器代替弹簧。当运载器作任意变速转动时，积分陀螺仪的输出量是绕测量轴的转角（即角速度的积分）。

速率陀螺仪和积分陀螺仪这两种陀螺仪在远距离测量系统或自动控制、惯性导航平台中使用较多。

（6）陀螺稳定平台。

陀螺稳定平台是以陀螺仪为核心元件，使被稳定对象相对于惯性空间的给定姿态保持稳定的装置。根据对象能保持稳定的转轴数目，陀螺稳定平台分为单轴、双轴和三轴陀螺稳定平台。它可用来稳定那些需要精确定向的仪表和设备，如测量仪器、天线等，因此已广泛用于航空和航海的导航系统，并作为火控雷达的万向支架支承。(www.xing528.com)

（7）光纤陀螺仪。

光纤陀螺仪是以光导纤维线圈为基础的敏感元件，由激光二极管发射出的光线朝两个方向沿光导纤维传播。光传播路径的变化决定了敏感元件的角位移。光纤陀螺仪与传统的机械陀螺仪相比，其优点是：全固态，没有旋转部件和摩擦部件，寿命长，动态范围大，瞬时启动，结构简单，尺寸小，质量小。与激光陀螺仪相比，光纤陀螺仪没有闭锁问题，也不需要在石英块上精密加工出光路，具有成本低的优势。

（8）激光陀螺仪。

激光陀螺仪的原理是利用光程差来测量旋转角速度。在闭合光路中，同一光源发出沿顺时针方向和逆时针方向传输的两束相干光，检测相位差或干涉条纹的变化，就可测出闭合光路旋转角速度。

（9）MEMS（micro-electromechanical system，微机电系统）陀螺仪。

基于MEMS原理的陀螺仪价格相比光纤陀螺仪或者激光陀螺仪低很多，但它的使用精度低，需要使用参考传感器进行补偿。VMSENS公司设计的AHRS（航向姿态参考系统）正是通过这种方式，对低成本的MEMS陀螺仪进行辅助补偿来实现的。此外，大众较熟知的低成本MEMS陀螺仪制造商还有ADI。基于MEMS技术的陀螺仪成本低，能批量生产，已经广泛应用于汽车牵引控制系统、医用设备、军事设备等低成本需求中。

2.电子罗盘

电子罗盘，又称数字罗盘，如图5-12所示。电子罗盘作为导航仪器或姿态传感器已被广泛应用。电子罗盘与传统指针式或平衡架结构罗盘相比能耗低、体积小、质量小、精度高、可微型化，其输出信号通过处理可实现数码显示，不仅可以用来指向，还可直接送到自动舵，控制船舶的操纵。目前，广泛使用的是三维捷联磁阻式数字磁罗盘，这种罗盘具有抗震性、航向精度较高、对干扰场有电子补偿、可集成到控制回路中进行数据链接等优点，因而广泛应用于航空、航天、机器人、航海、车辆自主导航等领域。

电子罗盘可以分为平面电子罗盘和三维电子罗盘。平面电子罗盘要求用户在使用时必须保持罗盘的水平，否则当罗盘发生倾斜时，也会给出航向的变化而实际上航向并没有变化。虽然平面电子罗盘对使用的要求很高，但如果能保证罗盘所附载体始终水平，则平面电子罗盘是一种性价比很好的选择。三维电子罗盘克服了平面电子罗盘在使用中的严格限制，因为三维电子罗盘在其内部加入了倾角传感器，在电子罗盘发生倾斜时可以对罗盘进行倾斜补偿，这样即使罗盘发生倾斜，航向数据依然准确无误。有时为了克服温度漂移，罗盘也可内置温度补偿装置，最大限度地减少倾斜角和指向角的温度漂移。

三维电子罗盘由三维磁阻传感器、双轴倾角传感器和MCU（multipoint control unit，多点控制器）构成。三维磁阻传感器用来测量地球磁场；双轴倾角传感器是在磁阻传感器处于非水平状态时进行补偿；MCU处理磁阻传感器和倾角传感器的信号，并进行数据输出和地磁场畸变补偿。该电子罗盘采用三个互相垂直的磁阻传感器，每个轴向上的传感器检测在该方向上的地磁场强度（Hx，Hy，Hz。见图5-13）。每个方向的传感器的灵敏度都已根据该方向上地磁场的分矢量调整到最佳值，并具有非常低的横轴灵敏度。传感器产生的模拟输出信号进行放大后送入MCU进行处理。磁场测量范围为±2 G。通过采用12位A/D转换器，磁阻传感器能够分辨出小于1 m G的磁场变化量，用户便可通过该高分辨率来准确测量出200～300 mG的x和y方向的磁场强度。不论是在赤道上的向上变化还是在南北极的更低值位置，仅用地磁场在x和y的两个分矢量值便可确定方位角：该关系式在检测仪器与地表面平行时才成立。当仪器发生倾斜时，方位角的准确性将要受到很大的影响，该误差的大小取决于仪器所处的位置和倾斜角的大小。为减小该误差的影响，采用双轴倾角传感器来测量俯仰角和侧倾角，这个俯仰角被定义为由前向后的角度变化；而侧倾角则为由左到右方向的角度变化。电子罗盘将俯仰角和侧倾角的数据进行转换计算，将磁阻传感器在三个轴向上的矢量由原来的位置“拉”回到水平的位置。

图5-12　电子罗盘

图5-13　三维电子罗盘原理示意图

标准的转换计算式：

式中：xr，yr——要转换到水平位置的值；

α——俯仰角；

β——侧倾角。

从式（5-9）至式（5-11）这三个计算公式可以看出，在整个补偿技术中z轴向的矢量扮演一个非常重要的角色。要正确运用这些值，俯仰角和侧倾角必须时时更新。

电子罗盘可应用于水平孔和垂直孔测量、水下勘探、飞行器导航、科学研究、教育培训、建筑物定位、设备维护、测速、GPS（global positioning system，全球定位系统）备份、汽车指南针装置及虚拟现实研究等。