陀螺算法
‘壹’ 陀螺技术的两大技术体系及派别是什么
1.技术知识产权的自主性 晨曦航空技术开发团队是由惯性领域从业经验平均在20年以上的中坚力量带领一批年轻骨干队伍组成.在惯性导航技术领域,攻克了大量算法、硬件、软件以及环境适应性等方面的难题,逐步积累了具有独立知识产权的关键技术系列.公司在捷联惯性导航系统(挠性陀螺、光纤陀螺、激光陀螺)方面形成的成熟技术有:高性能导航计算机技术、高精度加速度
‘贰’ 如何通过一个陀螺仪传感器配合PID算法实现两轮车的平衡
陀螺仪的作用
两轮自平衡机器人控制系统除了需要实时的倾角信号，还要用到角速度以给出控制量。理论上可以对加速度计测得的倾角求导得到角速度，但实际上这样求得的结果远远低于陀螺仪测量的精度，陀螺仪具有动态性能好的优点。
（1）陀螺仪的直接输出值是相对灵敏轴的角速率，角速率对时间积分即可得到围绕灵敏轴旋转过的角度值。由于系统采用微控制器循环采样程序获得陀螺仪角速率信息，即每隔一段很短的时间采样一次，所以采用累加的方法实现积分的功能来计算角度值。
（2）陀螺仪是用来测量角速度信号的，通过对角速度积分，能得到角度值。但由于温度变化、摩擦力、不稳定力矩等因素，陀螺仪会产生漂移误差。而无论多么小的常值漂移通过积分都会得到无限大的角度误差。因而不能单独使用陀螺仪作为自平衡小车的角度传感器。
2.倾角传感器的作用
（1）倾角传感器中加速度计可能测量动态和静态线性加速度。静态加速度的一个典型例子就是重力加速度，用加速度计数直接测量物体静态重力加速度可以确定倾斜角度。
加速度传感器静止时，加速传感器仅仅输出作用在加速度灵敏轴上的重力加速度值，即重力加速度的分量值。根据各轴上的重力加速度的分量值可以算出物体垂直和水平方向上的倾斜角度。
（2）加速度计动态响应慢，不适应跟踪动态角度运动；如果期望快速地响应，又会引起较大的噪声。再加上其测量范围的限制，使得单独应用加速度计检测车体倾角并不合适，需要与其它传感器共同使用。
3.原理
其运作原理主要是建立在一种被称为“动态稳定”（Dynamic Stabilization）的基本原理上，利用车体内部的陀螺仪和加速度传感器，来检测车体姿态的变化，并利用伺服控制系统，精确地驱动电机进行相应的调整，以保持系统的平衡。
‘叁’ 陀螺的玩法和规矩
一、陀螺相扑
l、准备一个硬纸盒(有开口的)，装喜饼的盒子最佳。
2、将纸盒放在地上，在离纸盒3～5公尺处划一条线，当作起点。
3、此游戏一次两人玩，猜拳决定先后顺序，两人均退到线后，先后将陀螺打入纸盒中，由于两个陀螺都在纸盒中高速旋转，因此碰撞时就会有一个被撞出盒外，陀螺被弹出者就输了，若其中一人未将陀螺打入盒中，也算输。
二、自由抽打
1、每个在空地上自由选择地方，将自己的陀螺旋转起来。
2、陀螺最快停下来的人为输，必须将陀螺钉在地上，让其他人攻击，由陀螺旋转最久的那一位开始，将他的陀螺对准放在地上的陀螺打下去，这时候若陀螺的质料较差，就会从中一裂为二，如果陀螺从中裂
开，钉子掉下来，这根钉子便属于打掉它的人所有，此时就可以重新再玩新局。
3、若经过所有人钉打，陀螺仍完好如初，下一次再玩输时，这个人就不需再拿出陀螺被人攻击了（有一次豁免权）。
三、画圈圈
在地上画一个圈圈，直径在一步到两步之间，圆中间再画一个三角形，每个人把自己的陀螺往圈圈里打，并让陀螺自己旋转出圈外来。有时陀螺会固定在圈内不移动地旋转，可用绳子把他圈住勾出圈外，只要到达圈外还在转就算活。如果停止了，就要放在三角形内，任人敲击处罚。
四、套圈比赛
套圈比赛所用的陀螺，以上轴长下轴短为佳。找中央有圆洞孔的薄形胶圈，或薄铁圈。当陀螺旋转时，赶快把手中的圈圈套入上轴中心，一次一个，一直到陀螺停止为止，看谁套入最多，谁就获胜。
五、打过溪
开辟地两边各画一条线宽约50公尺至100公尺（看场地人数而定），两人以上到10、20位数可以玩。先比赛转快倒的人当鬼。从甲打到乙地，前进任何人如打鬼本身陀螺不转就要交替当鬼被打到对岸。每人可以用陀螺钉鐹十下。
‘肆’ 2轴陀螺仪如何实时计算姿态角
陀螺仪的原理就是，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。人们根据这个道理，用它来保持方向，制造出来的东西就叫陀螺仪。我们骑自行车其实也是利用了这个原理。轮子转得越快越不容易倒，因为车轴有一股保持水平的力量。陀螺仪在工作时要给它一个力，使它快速旋转起来，一般能达到每分钟几十万转，可以工作很长时间。然后用多种方法读取轴所指示的方向，并自动将数据信号传给控制系统。
现代陀螺仪是一种能够精确地确定运动物体的方位的仪器，它是现代航空，航海，航天和国防工业中广泛使用的一种惯性导航仪器，它的发展对一个国家的工业，国防和其它高科技的发展具有十分重要的战略意义。传统的惯性陀螺仪主要是指机械式的陀螺仪，机械式的陀螺仪对工艺结构的要求很高，结构复杂，它的精度受到了很多方面的制约。自从上个世纪七十年代以来，现代陀螺仪的发展已经进入了一个全新的阶段。1976年 等提出了现代光纤陀螺仪的基本设想，到八十年代以后，现代光纤陀螺仪就得到了非常迅速的发展，与此同时激光谐振陀螺仪也有了很大的发展。由于光纤陀螺仪具有结构紧凑，灵敏度高，工作可靠等等优点，所以目前光纤陀螺仪在很多的领域已经完全取代了机械式的传统的陀螺仪，成为现代导航仪器中的关键部件。和光纤陀螺仪同时发展的除了环式激光陀螺仪外，还有现代集成式的振动陀螺仪，集成式的振动陀螺仪具有更高的集成度，体积更小，也是现代陀螺仪的一个重要的发展方向。
现代光纤陀螺仪包括干涉式陀螺仪和谐振式陀螺仪两种，它们都是根据塞格尼克的理论发展起来的。塞格尼克理论的要点是这样的：当光束在一个环形的通道中前进时，如果环形通道本身具有一个转动速度，那么光线沿着通道转动的方向前进所需要的时间要比沿着这个通道转动相反的方向前进所需要的时间要多。也就是说当光学环路转动时，在不同的前进方向上，光学环路的光程相对于环路在静止时的光程都会产生变化。利用这种光程的变化，如果使不同方向上前进的光之间产生干涉来测量环路的转动速度，这样就可以制造出干涉式光纤陀螺仪，如果利用这种环路光程的变化来实现在环路中不断循环的光之间的干涉，也就是通过调整光纤环路的光的谐振频率进而测量环路的转动速度，就可以制造出谐振式的光纤陀螺仪。从这个简单的介绍可以看出，干涉式陀螺仪在实现干涉时的光程差小，所以它所要求的光源可以有较大的频谱宽度，而谐振式的陀螺仪在实现干涉时，它的光程差较大，所以它所要求的光源必须有很好的单色性。
‘伍’ 陀螺仪漂移有没有明确的算法解决
与加速度计融合，卡尔曼滤波
‘陆’ 用陀螺仪可否精确地计算出在空中划出的轨迹
单靠陀螺仪应该是不行的，需要再结合加速度计，而且两者都需要时三轴的，即三轴陀螺仪，三轴加速度计。另外陀螺仪和加速度计的精度是能否精确计算轨迹的关键。目前的陀螺仪，高端的有光纤陀螺仪与激光陀螺仪，这种价格高，一般人也看不到。低端一点的以MEMS陀螺仪为主，手机上用的陀螺仪属于这一类，不过漂移非常大，基本上应该是100度每小时的漂下去。当然MEMS陀螺仪也有高端一点的，精度可到5度每小时，更高的我没见过，可能有，不过我不知道。有了硬件之后还需要算法，高级的算法甚至可以把低端陀螺仪的精度提高一个等级，开发的难度也可想而知。
‘柒’ 有没有陀螺仪的原理过程最好带图
一、引言
陀螺仪作为一种惯性测量器件，是惯性导航、惯性制导和惯性测量系统的核心部件，广泛应用于军事和民用领域。传统的陀螺仪体积大、功耗高、易受干扰，稳定性较差，最近美国模拟器件公司推出了一种新型速率陀螺芯片ADXRS，它只有7mm×7mm×3mm大小，采用BGA-32封装技术，这种封装至少要比任何其他具有同类性能的陀螺仪小100倍，而且功耗为30mW，重量仅0.5g，能够很好的克服传统陀螺仪的缺点。由ADXRS芯片组成的角速度检测陀螺仪能够准确的测量角速度，此外还可以利用该陀螺仪对角度进行测量，实验取得了良好的结果。
二、陀螺仪的原理和构造
ADXRS系列陀螺仪是由美国模拟器件公司制造，采用集成微电子机械系统(iMEMS)专利工艺和BIMOS工艺的角速度传感器，内部同时集成有角速率传感器和信号处理电路。与任何同类功能的陀螺仪相比，ADXRS系列陀螺仪具有尺寸小、功耗低、抗冲击和振动性好的优点。
1、科里奥利加速度
ADXRS系列陀螺仪利用科里奥利(Coriolis)加速度来测量角速度，科里奥利效应原理如图1所示。假设某人站在一个旋转平台的中心附近，他相对地面的速度用图1箭头的长度所示。如果移动到平台外缘的某一点，他相对地面的速度会增加，如图1较长的箭头所示。由径向速度引起的切向速度的速率增加，这就是科里奥利加速度。设角速度为w科里奥利加速度的一半，另一般来自径向速度的改变，二者总和为2wv旋转平台必须施加一个大小为2Mwv科里奥利加速度，并且该人将受到大小相等的反作用力。的力来产生。如果人的质量为M，该，平台半径为r，则切向速度为wr，如果以速度v沿径向r移动，将产生一个切向加速度wv，这仅是
陀螺仪通过使用一种类似于人在一个旋转平台移出或移入的谐振质量元件，利用科里奥利效应来测量角速度。图2示出了ADXRS系列陀螺仪完整的微机械结构，陀螺仪通过附着在谐振体上的电容检测元件测量谐振质量元件及其框架由于科里奥利效应产生的位移。这些电容检测元件都是由硅材料制成的横梁，它们与两组附着在基片上的静止硅横梁互相交叉，因而形成两个标称值相等的电容器。由角速度引起的位移在该系统内产生一个差分电容。如果弹簧的弹性系数为K2wv M。如果总电容为C2wv，它直接与该角速度成比例。这种关系的逼真度在实际应用中非常好，其线性误差小于0.1％。 MC/gK，硅横梁的间距为g，则差分电容为/K，那么反作用力造成的位移为
2、陀螺仪的构造以及电路的实现
ADXRS系列陀螺仪的外围尺寸为7mm×7mm×3mm，采用BGA-32封装技术，有ADXRS150和ADXRS300两种型号，它们的功能电路完全相同，唯一不同在于前者的量程为±150°/s，后者的量程为±300°/s。图3显示了ADXRS300的内部电路结构和外围电路，其中外围电路主要是电容和电阻组成。
引脚AVCC接5V电源电压，22nF的泵浦电容用于产生12V的泵浦电压以供部分电路使用。测得的角速度以电压形式在引脚RATEOUT输出，0°/s时输出电压为2.5V，RATEOUT与引脚SUMJ之间并联一个电阻RoutADXRS300的角速度响应带宽，－3dB频率由下式决定：和电容Cout，从而组成低通滤波器用于限制
fout = 1 / (2 π ? Rout ? Cout) (1)
内部电路的Rout180kΩ，可以从外部给RoutΩ//RextADXRS300的量程为±300°/s，可以在RATEOUT和SUMJ引脚之间给Rout300 kΩ的电阻可以使量程增大50％，但是这需要对电路重新调零，调零时在SUMJ引脚处外接一个电阻RnullRATEOUT的零点是2.5V，但角运动范围不对称时，按下式计算：到地或电源正极，对称角运动情况下并联一个电阻来增大量程，例如并联一个，从而调整角速率响应带宽。并联一个电阻Rext，使得Rout=180k为
Rnull = (2)
式中，Vnull0——未校正时零角速度的输出电压，
Vnull1——校正后所需的零点电压。
如果求得的Rnull5V电源上。为负值，则把电阻Rnull接地；为正值，接在
三、实验过程和测量结果
ADXRS300陀螺仪直接的用途就是做角速度测量仪，此外也可以用于测量物体旋转角度—对陀螺仪的输出结果积分，所得的数值即为角度。
本实验即用ADXRS300陀螺仪测量角度，通过ADXRS300角速度测量仪测量旋转物体的转动角速度（注意：陀螺仪可以以任何角度安装在旋转物体的任何地方，只要测量使陀螺仪旋转轴和所要测量的轴平行即可），再对角速度积分就是我们所要的角度了。根据此原理，先把陀螺仪的输出通过数据采集器送入PC机中，再用软件进行积分并最终显示结果。具体流程如图4。
1、硬件设计
测量角度的具体方法是把ADXRS300陀螺仪固定在由步进电机驱动的圆盘上，由圆盘带动陀螺仪转动，陀螺仪的输出电压由F-5101数据采集控制器进行A/D转换。F-5101的输入电压范围为-5V～5V，A/D转换位数为12位，转换速度为25ms，适用于本实验的数据采集。
F-5101通过打印口与计算机相连，占用主机378H和379H两个I/O端口。主机通过写378H向F-5101送入操作状态，读379H得到A/D转换的数据。
系统的供电电压为220V，需要通过AC220B05-1W5型电源模块把220V交流电转换为5V直流电供ADXRS300陀螺仪使用。
2、软件设计
读取陀螺仪的输出电压值，换算成角速度并进行积分，最终显示结果这一步骤通过Visual Basic程序来实现。从计算机379H端口读取的数值为12位2进制数，利用公式
Vout10× (A×16 + B + C / 16)×4096 – 5 (3)＝
可以把12位二进制数转换为十进制数，从而求得陀螺仪的实际输出电压。其中Vout12位二进制数的高4位、中4位和低4位。电压值换算成角速度由下式决定：设角速度为w，则：为输出电压，A，B，C分别为
w = (Vout -V0) / 5mV /°/s (4)
其中5mV/°/s为ADXRS300陀螺仪的灵敏度，V2.5V。0为陀螺仪静止时的输出电压，一般为
积分的主要步骤是用角速度w5。乘以程序运行一次所用的时间△t，循环运行程序，对每次的乘积进行累加，并实时送出累加结果，该结果即为测得的物体转过的角度，程序流程如图
3、实验结果
表1列出了陀螺仪转动±90°和±180°这四种情况的输出结果。
实验结果表明：角度相对误差小于0.5％，有较高的精度。其中误差来源主要包括：
程序运行一次所用的时间△t过长，造成对角速度的积分不精确，这是产生误差的主要来源。解决的方法是尽量避免冗长的程序语句，使用运行速度较快的计算机或者采用更精确的算法。
数据采集A/D转换时可能产生的误差，造成所积分的角速度不准确。