如果给手机内部设备投票，陀螺传感器很有可能当选& quot最不为人知的设备& quot。但如果手机没有陀螺仪，功能性和娱乐性就会下降好几个档次。举个简单的例子，如果没有陀螺传感器，现在流行的手游《绝地求生》就没有体感操作，你的变向只能靠手动按键操作。

陀螺传感器的发展史

陀螺仪又称角速度传感器，是一种简单易用的基于自由空间运动和手势的定位控制系统。它的原理是，旋转物体的转轴所指向的方向，在不受外力作用的情况下，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惯性导航仪器。

陀螺仪自19世纪中期发明以来，经历了漫长的演变过程，1976年以前都是机械陀螺仪。最早的陀螺仪是将高速旋转的陀螺仪放在万向支架上，通过陀螺仪的方向计算角速度。其结构如下图所示：

机械结构的陀螺仪用于飞机、导弹、航海等场景中的导航。可以通过陀螺仪确定方向和角速度，然后通过加速度计测量加速度，从而计算出飞行路线或航向。而机械结构的陀螺仪对制造工艺要求高，结构复杂，精度有限。

定向陀螺仪结构示意图

1976年，科学家提出了现代光纤陀螺的基本思想，80年代以后，现代光纤陀螺发展非常迅速。与此同时，激光陀螺仪也取得了积极进展。但相比较而言，光纤陀螺不存在锁定问题，光路不需要在应时区块进行精密加工，所以成本相对较低，所以光纤陀螺的速度在航空、航海、航天、国防工业中取代了机械陀螺的位置。

随着陀螺仪技术的不断演进，传感器的关键技术——MEMS也在推进自己的商业化进程。两者的结合使得陀螺仪应用于消费电子领域。MEMS陀螺仪使用由相互正交的振动和旋转引起的交变科里奥利力。其原理是施加固定值的电压，交替改变电压，使一个质量以振荡的方式来回运动。当它旋转时，会产生科里奥利加速度，此时可以测得。

科里奥利效应

由于其实现方式与加速度计类似，许多人也将MEMS陀螺仪称为加速度传感器的升级版。不同的是，加速度传感器可以检测和感知某个轴的直线运动，而陀螺仪可以检测和感知3D空间的直线运动，从而识别方向，确认姿态，计算角速度。

MEMS陀螺仪的重要参数MEMS传感器只能在很小的芯片体积内精确测量角速度。实际上是通过音叉机构共振运动的设计和科里奥利力的原理，将角速率转化为可测电容。下图显示，当角速度受到外力时，会出现一个科里奥利力，力的方向垂直于质量运动的方向，如垂直箭头所示。所产生的科里奥利力使传感质量块位移，并且该位移与所施加的角速度成正比。由于传感器感测部分的动电极(转子)位于定电极(定子)侧，上述位移会引起定转子之间的电容变化。最后通过专门的电路测量电容值就可以得到相应的角速度。

接下来我们选择官网-Arrow.cn销售的一款ADXRS624BBGZ为例，分析一款MEMS陀螺仪。

ADXRS624BBGZ规格参数如下表所示：

可以看出，一个陀螺仪有很多参数。首先，我们必须学会了解MEMS陀螺仪的主要参数：

电源(V):该参数规定了陀螺仪正常工作所需的DC电源电压范围。

电源电流(mA):该参数指定陀螺仪在正常工作时消耗的电流。

睡眠模式电源电流(mA):该参数指定陀螺仪在睡眠模式下消耗的电流。

断电模式下的电源电流(A):此参数指定陀螺仪断电时消耗的电流。

满量程(dps):该参数指定陀螺仪的量程。

零速率输出值(电压或最低有效位):该参数指定陀螺仪无角速率时零速率输出信号的值。

灵敏度(mV/dps或dps/LSB):该参数指定输出值为零速率时，1dps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)表示最低有效位与dps之间的关系。

灵敏度变化与温度的关系(%/C):该参数指定当温度偏离室温25时，灵敏度的百分比变化，单位为。

零速率输出值变化与温度的关系(dps/):该参数指定当温度偏离室温25时零速率输出值的变化，单位为。

非线性(%FS):该参数指定陀螺仪输出和全量程(FS)内最佳匹配直线之间最大误差的百分比。

系统带宽(Hz):该参数规定了角速率信号的频率范围：从DC到模拟陀螺仪可测的内部带宽(BW)。

速率噪声密度(dps/Hz):该参数规定了模拟陀螺仪和数字陀螺仪的标准分辨率，可通过陀螺仪输出和BW参数获得。

自检(mVordps):该功能可用于测试陀螺仪工作是否正常。该功能的优点是陀螺仪安装在印刷电路板上后，无需旋转印刷电路板即可进行测试。

其中，误差是影响MEMS陀螺仪性能的关键因素。在可能引起MEMS陀螺仪误差的许多因素中，偏置不稳定性和高频噪声变量(角度随机游走& quotARW & quot；)是造成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：