原创 VTI杀手级陀螺仪横空出世

陀螺仪，是一种用来传感与维持方向的装置，基于角动量不灭的理论设计出来的。陀螺仪主要是由一个位于轴心可以旋转的轮子构成。 陀螺仪一旦开始旋转，由于轮子的角动量，陀螺仪有抗拒方向改变的趋向。陀螺仪多用于导航、定位等系统。

  陀螺仪器最早是用于航海导航，但随着科学技术的发展，它在航空和航天事业中也得到广泛的应用。陀螺仪器不仅可以作为指示仪表，而更重要的是它可以作为自动控制系统中的一个敏感元件，即可作为信号传感器。根据需要，陀螺仪器能提供准确的方位、水平、位置、速度和加速度等信号，以便驾驶员或用自动导航仪来控制飞机、舰船或航天飞机等航行体按一定的航线飞行，而在导弹、卫星运载器或空间探测火箭等航行体的制导中，则直接利用这些信号完成航行体的姿态控制和轨道控制。作为稳定器，陀螺仪器能使列车在单轨上行驶，能减小船舶在风浪中的摇摆，能使安装在飞机或卫星上的照相机相对地面稳定等等。作为精密测试仪器，陀螺仪器能够为地面设施、矿山隧道、地下铁路、石油钻探以及导弹发射井等提供准确的方位基准。由此可见，陀螺仪器的应用范围是相当广泛的，它在现代化的国防建设和国民经济建设中均占重要的地位。
  现在广泛使用的MEMS陀螺（微机械）可应用于航空、航天、航海、兵器、汽车、生物医学、环境监控等领域。并且MEMS陀螺相比传统的陀螺有明显的优势：
  1、体积小、重量轻。适合于对安装空间和重量要求苛刻的场合，例如弹载测量等。
  2、低成本。
  3、高可靠性。内部无转动部件，全固态装置，抗大过载冲击，工作寿命长。
  4、低功耗。
  5、大量程。适于高转速大g值的场合。
  6、易于数字化、智能化。可数字输出，温度补偿，零位校正等。


  根据框架的数目和支承的形式以及附件的性质决定陀螺仪的类型有：
  三自由度陀螺仪(具有内、外两个框架，使转子自转轴具有两个转动自由度。在没有任何力矩装置时，它就是一个自由陀螺仪)。
  二自由度陀螺仪(只有一个框架，使转子自转轴具有一个转动自由度)。
  根据二自由度陀螺仪中所使用的反作用力矩的性质，可以把这种陀螺仪分成三种类型：
  速率陀螺仪(它使用的反作力矩是弹性力矩)；
  积分陀螺仪(它使用的反作用力矩是阻尼力矩)；
  无约束陀螺(它仅有惯性反作用力矩)；
  现在，除了机、电框架式陀螺仪以外，还出现了某些新型陀螺仪，如静电式自由转子陀螺仪，挠性陀螺仪，激光陀螺仪等。



  1、陀螺工作站的原理
  高速旋转的物体的旋转轴，对于改变其方向的外力作用有趋向于铅直方向的倾向。而且，旋转物体在横向倾斜时，重力会向增加倾斜的方向作用，而轴则向垂直方向运动，就产生了摇头的运动（岁差运动）。当陀螺经纬仪的陀螺旋转轴以水平轴旋转时，由于地球的旋转而受到铅直方向旋转力，陀螺的旋转体向水平面内的子午线方向产生岁差运动。当轴平行于子午线而静止时可加以应用。
  2、陀螺工作站的构造
  陀螺经纬仪的陀螺装置由陀螺部分和电源部分组成。此陀螺装置与全站仪结合而成。陀螺本体在装置内用丝线吊起使旋转轴处于水平。当陀螺旋转时，由于地球的自转，旋转轴在水平面内以真北为中心产生缓慢的岁差运动。旋转轴的方向由装置外的目镜可以进行观测，陀螺指针的振动中心方向指向真北。利用陀螺经纬仪的真北测定方法有“追尾测定”和“时间测定”等。
  追尾测定[反转法]
  利用全站仪的水平微动螺丝对陀螺经纬仪显示岁差运动的刻度盘进行追尾。在震动方向反转的点上（此时运动停止）读取水平角。如此继续测定之，求得其平均震动的中心角。用此方法进行20分钟的观测可以求得+/-0。5分的真北方向。
  时间测定[通过法]
  用追尾测定观测真北方向后，陀螺经纬仪指向了真北方向，其指针由于岁差运动而左右摆动。用全站仪的水平微动螺丝对指针的摆动进行追尾，当指针通过0点时反复记录水平角，可以提高时间测定的精度，并以+/-20秒的精度求得真北方向。
  3、 陀螺全站仪的应用实例
  3.1 隧道中心线测量
  在隧道等挖掘工程中，坑内的中心线测量一般采用难以保证精度的长距离导线。特别是进行盾构挖掘（shield tunnel）的情况，从立坑的短基准中心线出发必须有很高的测角精度和移站精度，测量中还要经常进行地面和地下的对应检查，以确保测量的精度。特别是在密集的城市地区，不可能进行过多的检测作业而遇到困难。如果使用陀螺经纬仪可以得到绝对高精度的方位基准，而且可减少耗费很高的检测作业（检查点最少），是一种效率很高的中心线测量方法。
  3.2 通视障碍时的方向角获取
  当有通视障碍，不能从已知点取得方向角时，可以采用天文测量或陀螺经纬仪测量的方法获取方向角（根据建设省测量规范）。与天文测量比较，陀螺经纬仪测量的方法有很多优越性：对天气的依赖少、云的多少无关、无须复杂的天文计算、在现场可以得到任意测线的方向角而容易计算闭合差。
  3.3 日影计算所需的真北测定
  在城市或近郊地区对高层建筑有日照或日影条件的高度限制。在建筑申请时，要附加日影图。此日影图是指，在冬至的真太阳时的8点到16点为基准，进行为了计算、图面绘制所需要的高精度真北方向测定。使用陀螺经纬仪测量可以获得不受天气、时间影响的真北测量。
  当前全球半导体大厂中大约有高达10家左右有在制造陀螺仪产品，不过即便到现在为止，他们所能做的大多还是局限在单轴的陀螺仪，且采用的方式是使用2颗芯片，1颗属于ASIC，1颗属于MEMS产品，因此在制造上的成本较高，且体积上也较大，这对于想要进入消费性电子产品而言，根本是不太可能。
  世界的趋势在走向数码化，而挑战于如何将产品做到愈来愈小化。惟有将极大的资本投入在这个趋势才有生存的可能。在消费性市场而言，更多整合、更多功能、，更小，代表的是迟早所有功能都将整合进应用处理器(Application Processor) ，这个趋势已在手机，数码摄影机，及其它消费性产品中发生。目前芬兰VTI公司已经在小型低成本的MEMS陀螺仪上研发出了新成果，六月份将会在世界范围内推广针对消费类电子的陀螺仪产品。这对于消费类电子将又是一次革新。铭之光电子作为中国区VTI的独家代理，竭诚为大家服务。