乍一聽，陀螺儀，這么高大上的東西一般不會(huì)有人了解，但是相信大多數(shù)人應(yīng)該都聽過陀螺，其實(shí)它們的原理是相似的。其實(shí)，無論是手機(jī)導(dǎo)航、運(yùn)動(dòng)記步、甚至測(cè)出你今天爬了幾層樓，VR眼鏡真實(shí)再現(xiàn)三維世界，無人機(jī)進(jìn)行空中懸停……這些功能的實(shí)現(xiàn)都基于設(shè)備內(nèi)部的一個(gè)組件——陀螺儀。它的三維定位準(zhǔn)不準(zhǔn)，偏差是多少？這些都直接影響到我們的生活。

　　1、陀螺儀的前世今生：陀螺儀是神馬東東？

　　陀螺儀（角速率傳感器），維基百科解釋“陀螺儀是一種用來傳感與維持方向的裝置，基于角動(dòng)量守恒的理論設(shè)計(jì)出來的，主要是由一個(gè)位于軸心可以旋轉(zhuǎn)的輪子構(gòu)成。”這句話很好地解釋了陀螺儀的作用在于測(cè)量和維持方向。陀螺儀分為：壓電陀螺儀、微機(jī)械陀螺儀、光纖陀螺儀和激光陀螺儀，它們都是電子式的，并且可以和加速度計(jì)、磁阻芯片、GPS等，做成慣性導(dǎo)航控制系統(tǒng)。陀螺儀除了導(dǎo)航，還有這些關(guān)鍵技術(shù)會(huì)幫助機(jī)器人目前，人們普遍認(rèn)為是1850年法國(guó)的物理學(xué)家萊昂·傅科（J.Foucault）為了研究地球自轉(zhuǎn)，發(fā)明了陀螺儀。那個(gè)時(shí)代的陀螺儀可以理解成把一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的陀螺放到一個(gè)萬向支架上面，這樣因?yàn)橥勇菰诟咚傩D(zhuǎn)時(shí)保持穩(wěn)定，人們就可以通過陀螺的方向來辨認(rèn)方向，確定姿態(tài)，計(jì)算角速度。

　　萬向支架可以保證無論怎么轉(zhuǎn)動(dòng)，陀螺都不會(huì)倒，萬向支架這個(gè)東西最早可以追溯到中國(guó)幾千年前的香爐。陀螺儀除了導(dǎo)航，還有這些關(guān)鍵技術(shù)會(huì)幫助機(jī)器人陀螺儀發(fā)明以后，首先被用在航海上（當(dāng)年還沒有發(fā)明飛機(jī)），后來被用在航空上。因?yàn)轱w機(jī)飛在空中，是無法像地面一樣靠肉眼辨認(rèn)方向的，而飛行中方向都看不清楚危險(xiǎn)性極高，所以陀螺儀迅速得到了應(yīng)用，成為飛行儀表的核心。

　　到了第二次世界大戰(zhàn)，各個(gè)國(guó)家都玩命的制造新式武器，德國(guó)人搞了飛彈去炸英國(guó)，這是今天導(dǎo)彈的雛形。從德國(guó)飛到英國(guó)，千里迢迢怎么讓飛彈能飛到，還能落到目標(biāo)呢？

　　于是，德國(guó)人搞出來慣性制導(dǎo)系統(tǒng)。慣性制導(dǎo)系統(tǒng)采用用陀螺儀確定方向和角速度，用加速度計(jì)測(cè)試加速度，然后通過數(shù)學(xué)計(jì)算，就可以算出飛彈飛行的距離和路線，然后控制飛行姿態(tài)，爭(zhēng)取讓飛彈落到想去的地方。

　　二戰(zhàn)時(shí)候，計(jì)算機(jī)也好，儀器也好，精度都是不太夠的，所以德國(guó)的飛彈偏差很大，想要炸倫敦，結(jié)果炸得到處都是，頗讓英國(guó)人恐慌了一陣。

　　不過，從此以后，以陀螺儀為核心的慣性制導(dǎo)系統(tǒng)就被廣泛應(yīng)用于航空航天，今天的導(dǎo)彈里面依然有這套東西。但隨著需求的刺激，陀螺儀也在不斷進(jìn)化。

　　2、陀螺儀的進(jìn)化

　　最早的陀螺儀都是機(jī)械式的，里面真有高速旋轉(zhuǎn)的陀螺，而機(jī)械的東西對(duì)加工精度有很高的要求，還怕震動(dòng)，因此機(jī)械陀螺儀為基礎(chǔ)的導(dǎo)航系統(tǒng)精度一直都不太高。

　　于是，人們開始尋找更好的辦法。利用物理學(xué)上的進(jìn)步，19世紀(jì)80年代，以光導(dǎo)纖維線圈為基礎(chǔ)敏感元件的光纖陀螺儀流行起來，它通過光傳播的路徑變化計(jì)算角位移，相較機(jī)械陀螺儀壽命長(zhǎng)、動(dòng)態(tài)范圍大、瞬時(shí)啟動(dòng)快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小而輕。同時(shí)，激光陀螺儀、微機(jī)電陀螺儀等也相繼發(fā)展出來。

　　光纖陀螺儀利用的是薩格納克（Sagnac）效應(yīng)，通過光傳播的特性，測(cè)量光程差計(jì)算出旋轉(zhuǎn)的角速度，起到陀螺儀的作用，替代陀螺儀的功能。

　　陀螺儀除了導(dǎo)航，還有這些關(guān)鍵技術(shù)會(huì)幫助機(jī)器人激光陀螺儀也是通過算光程差計(jì)算角速度，替代陀螺儀。最常見的是三軸陀螺儀，就是同時(shí)測(cè)定6個(gè)方向的位置，移動(dòng)軌跡，加速。單軸的只能測(cè)量一個(gè)方向的量，也就是一個(gè)系統(tǒng)需要三個(gè)陀螺儀，而3軸的一個(gè)就能替代三個(gè)單軸的。3軸的體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性好，是激光陀螺的發(fā)展趨勢(shì)。

　　微機(jī)電陀螺儀則是利用物理學(xué)的科里奧利力，在內(nèi)部產(chǎn)生微小的電容變化，然后測(cè)量電容，計(jì)算出角速度，替代陀螺儀。iPhone和我們的智能手機(jī)里面所用的陀螺儀，就是微機(jī)電陀螺儀（MEMS）。

　　目前，傳統(tǒng)上的機(jī)械陀螺儀正在被淘汰，有高精度需求的地方用的是激光陀螺儀，而普及方面則是微機(jī)電陀螺儀。陀螺儀除了導(dǎo)航，還有這些關(guān)鍵技術(shù)會(huì)幫助機(jī)器人因?yàn)槲C(jī)電陀螺儀（MEMS）屬于微電子產(chǎn)品，發(fā)展迅速，而且成本越來越低，所以用途越來越廣。智能手機(jī)因?yàn)橛袡z測(cè)動(dòng)態(tài)的需求，于是就用上了微機(jī)電陀螺儀（MEMS）。

　　雖然MEMS的精度并不如光纖和激光陀螺儀，需要參考其他傳感器的數(shù)據(jù)才能實(shí)現(xiàn)功能，但其體積小、功耗低、易于數(shù)字化和智能化，特別是成本低，易于批量生產(chǎn)，非常適合手機(jī)、汽車牽引控制系統(tǒng)、醫(yī)療器材這些需要大規(guī)模生產(chǎn)的設(shè)備。

　　3、陀螺儀的應(yīng)用：無處不在的陀螺儀

　　如果只是用在航空航天和導(dǎo)彈上，那么陀螺儀只能說是高大上的存在，但是因?yàn)槲C(jī)電陀螺儀（MEMS）的出現(xiàn)，低成本的陀螺儀可以用在很多領(lǐng)域。

　　1）機(jī)器人產(chǎn)業(yè)也隨處可見陀螺儀

　　不久前，科沃斯獨(dú)家創(chuàng)新發(fā)布DG710陀螺儀規(guī)劃掃地機(jī)器人。該掃地機(jī)器人采用創(chuàng)新的陀螺儀（smartmove）技術(shù)，在工作的時(shí)候，每一次的方向改變都是90°轉(zhuǎn)彎，對(duì)整個(gè)家庭實(shí)現(xiàn)等距離“弓”字型打掃，大大地減少了以往掃地機(jī)器人的清掃遺漏行為。同時(shí)配合植入的“記憶位置信息”的特有算法，DG710經(jīng)過簡(jiǎn)單的行走與感知，可以在“腦海”里形成一張家居規(guī)劃地圖，可直接智能彌補(bǔ)漏掃的區(qū)域，在提高覆蓋率的同時(shí)，大大減少清掃的重復(fù)性。陀螺儀除了導(dǎo)航，還有這些關(guān)鍵技術(shù)會(huì)幫助機(jī)器人此外，據(jù)日本媒體報(bào)道，松下AIS社將陀螺儀與加速度檢測(cè)器完美組合，于今年7月19日開發(fā)出面向機(jī)器人及機(jī)器人產(chǎn)業(yè)用自主機(jī)械系統(tǒng)、重型機(jī)械等的傳感檢測(cè)模塊。該模塊可用在姿勢(shì)檢測(cè)及位置推算方面。

　　松下新品搭載了3軸陀螺儀和加速度檢測(cè)器，檢出的所有數(shù)據(jù)將傳至內(nèi)置處理器進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)XYZ方向的旋轉(zhuǎn)、直線運(yùn)動(dòng)的6軸檢測(cè)和姿勢(shì)信息的輸出功能。

　　2）汽車上也用了很多微機(jī)電陀螺儀，輔助GPS進(jìn)行慣性導(dǎo)航。

　　在自動(dòng)駕駛汽車中，大約采用25至40只MEMS傳感器，用來檢測(cè)汽車不同部位的工作狀態(tài)，給行車電腦提供信息，讓用戶更好的控制汽車。特別是在沒有GPS信號(hào)的隧道、橋梁或高樓附近，陀螺儀會(huì)測(cè)量運(yùn)動(dòng)的方向和速度，將速度乘以時(shí)間獲得運(yùn)動(dòng)的距離，實(shí)現(xiàn)精確定位導(dǎo)航，并能修正導(dǎo)航線路。這也是目前導(dǎo)航儀和汽車上的標(biāo)配了。陀螺儀除了導(dǎo)航，還有這些關(guān)鍵技術(shù)會(huì)幫助機(jī)器人

　　陀螺儀除了導(dǎo)航，還有這些關(guān)鍵技術(shù)會(huì)幫助機(jī)器人之前沃爾沃的自動(dòng)駕駛汽車定位系統(tǒng)就是由GPS模塊、三軸加速度傳感器和三軸陀螺儀組成，通過結(jié)合傳感器得出的360度信息，能夠?yàn)檐囕v提供其位置和與周邊物體的相對(duì)位置信息。

　　3）無人機(jī)也離不開陀螺儀

　　很簡(jiǎn)單一個(gè)問題，無人機(jī)為什么不會(huì)被風(fēng)吹翻？無人機(jī)飛行首先要保持平衡，那么沒有飛行員的無人機(jī)是怎么保持平衡的呢？

　　這便是偉大的陀螺儀賦予了無人機(jī)平衡感，無人機(jī)可以感知自己的姿態(tài)，通過自動(dòng)控制系統(tǒng)就可以像有駕駛員一樣保持平衡。陀螺儀除了導(dǎo)航，還有這些關(guān)鍵技術(shù)會(huì)幫助機(jī)器人除了裝在機(jī)器本身，同樣也可以裝在云臺(tái)上，令相機(jī)穩(wěn)穩(wěn)的呆住。

　　陀螺儀除了導(dǎo)航，還有這些關(guān)鍵技術(shù)會(huì)幫助機(jī)器人在緊急情況下，無人機(jī)還可以通過無線電遙控，讓操作手像飛行員一樣直接駕駛無人機(jī)。

　　最關(guān)鍵的是無人機(jī)為什么不會(huì)飛丟？答案是跟我們路癡一樣。

　　業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為無人機(jī)與航模最大的區(qū)別就是擁有飛控（自動(dòng)駕駛儀）、擁有自主飛行的能力。飛控被看做無人機(jī)的核心、也是最有技術(shù)含量的部分，其程序與算法被視作絕對(duì)機(jī)密。然而無人機(jī)的導(dǎo)航原理其實(shí)并不是那么高深，跟上文所述汽車用GPS原理類似，就跟我們路癡走路是一樣的。

　　4）手機(jī)中無處不在的陀螺儀

　　將用于測(cè)量和維持方向的MEMS陀螺儀用在手機(jī)上有什么作用呢？

　　首先，在手機(jī)游戲等游戲控制里面，各種體感操作功能的背后都是微機(jī)電陀螺儀（MEMS）。相比傳統(tǒng)重力感應(yīng)器只能感應(yīng)左右兩個(gè)維度的（多軸的重力感應(yīng)是可以檢測(cè)到物體豎直方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，但角度難判斷）變化，陀螺儀通過對(duì)偏轉(zhuǎn)、傾斜等動(dòng)作角速度的測(cè)量，可以實(shí)現(xiàn)用手控制游戲主角的視野和方向。比如在飛行游戲中，手機(jī)即可作為方向盤控制飛機(jī)，只需變換不同角度傾斜手機(jī)，飛機(jī)就會(huì)相應(yīng)做出上下左右前后的聯(lián)動(dòng)。類似的游戲主要以競(jìng)速和模擬駕駛類居多。

　　其次，可以幫助手機(jī)攝像頭防抖。在我們按下快門時(shí)，陀螺儀測(cè)量出手機(jī)翻轉(zhuǎn)的角度，將手抖產(chǎn)生的偏差反饋給圖像處理器，用計(jì)算出的結(jié)果控制補(bǔ)償鏡片組，對(duì)鏡頭的抖動(dòng)方向以及位移作出補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)更清晰的拍照效果。

　　第三，還可協(xié)助用戶界面實(shí)現(xiàn)動(dòng)作感應(yīng)。這也是最常見的功能，比如IOS的動(dòng)態(tài)壁紙，之所以能隨著手機(jī)角度調(diào)整發(fā)生偏移，就是靠陀螺儀檢測(cè)完成的。另外，有些手機(jī)還能通過前后傾斜手機(jī)實(shí)現(xiàn)通訊錄的上下滾動(dòng)，左右傾斜手機(jī)實(shí)現(xiàn)瀏覽頁(yè)面的左右移動(dòng)或者放大縮小，都是相同的原理。

　　此外，可穿戴式設(shè)備（陀螺儀手套助帕金森患者減少手部震抖頻率）、物聯(lián)網(wǎng)，甚至現(xiàn)在熱炒的工業(yè)4.0，互聯(lián)網(wǎng)+上面……，同樣離不開它，只要是需要檢測(cè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的地方，就有微機(jī)電陀螺儀（MEMS）。

　　總結(jié)：總的說來，陀螺儀看似不起眼，但實(shí)用性卻是非常高的。而目前主流的智能設(shè)備，手機(jī)、智能汽車、無人機(jī)、穿戴式設(shè)備，物聯(lián)網(wǎng)……只要是需要檢測(cè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的地方，基本都配備了陀螺儀，只是我們?cè)谌粘Ｊ褂弥袥]有感受到它的作用罷了。

　　隨著人工智能可實(shí)現(xiàn)的功能越來越多，陀螺儀也會(huì)配合其他傳感器去完成各種任務(wù)，而對(duì)于我們用戶來說，當(dāng)然是坐享其成啦。陀螺儀除了導(dǎo)航，還有這些關(guān)鍵技術(shù)會(huì)幫助機(jī)器人