讀懂陀螺儀感測器：導航、無人機以及永不會跌倒的車都離不開它！
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對於角速度感測器，很多人可能會比較陌生，不過，如果提到它的另一個名字——陀螺儀，相信有不少人知道。
陀螺儀的原理
陀螺儀，是一種用來感測與維持方向的裝置，基於角動量不滅的理論設計出來的。陀螺儀一旦開始旋轉，由於輪子的角動量，陀螺儀有抗拒方向改變的趨向。
人們根據這個道理，用它來保持方向，製造出來的東西就叫做陀螺儀，然後再用多種方法讀取軸所指示的方向，並自動將數據信號傳給控制系統。
陀螺儀的基本部件包括
1、陀螺轉子（常採用同步電機、磁滯電機、三相交流電機等拖動方法來使陀螺轉子繞自轉軸高速旋轉，並見其轉速近似為常值）。2、內、外框架（或稱內、外環，它是使陀螺自轉軸獲得所需角轉動自由度的結構）。3、附件（是指力矩馬達、信號感測器等）。陀螺儀的兩個重要特性陀螺儀有兩個非常重要的基本特性：一為定軸性，另一是進動性，這兩種特性都是建立在角動量守恆的原則下。
當陀螺轉子以高速旋轉時，在沒有任何外力矩作用在陀螺儀上時，陀螺儀的自轉軸在慣性空間中的指向保持穩定不變，即指向一個固定的方向；同時反抗任何改變轉子軸向的力量。這種物理現象稱為陀螺儀的定軸性或穩定性。
其穩定性隨以下的物理量而改變：1、轉子的轉動慣量愈大，穩定性愈好；2、轉子角速度愈大，穩定性愈好。所謂的「轉動慣量」，是描述剛體在轉動中的慣性大小的物理量。當以相同的力矩分別作用於兩個繞定軸轉動的不同剛體時，它們所獲得的角速度一般是不一樣的，轉動慣量大的剛體所獲得的角速度小，也就是保持原有轉動狀態的慣性大；反之，轉動慣量小的剛體所獲得的角速度大，也就是保持原有轉動狀態的慣性小。進動性當轉子高速旋轉時，若外力矩作用於外環軸，陀螺儀將繞內環軸轉動；若外力矩作用於內環軸，陀螺儀將繞外環軸轉動。其轉動角速度方向與外力矩作用方向互相垂直。這種特性，叫做陀螺儀的進動性。進動性的大小有三個影響的因素：1、外界作用力愈大，其進動角速度也愈大；2、轉子的轉動慣量愈大，進動角速度愈小；
3、轉子的角速度愈大，進動角速度愈小。陀螺儀的前世今生陀螺儀由1850年法國物理學家萊昂·傅科在研究地球自傳中獲得靈感而發明出來的，類似像是把一個高速旋轉的陀螺放到一個萬向支架上，靠陀螺的方向來計算角速度，和現在小巧的晶元造型大相徑庭。
到了第二次世界大戰，各個國家都玩命的製造新式武器，德國人搞了飛彈去炸英國，這是今天導彈的雛形。從德國飛到英國，千里迢迢怎麼讓飛彈能飛到，還能落到目標呢？於是，德國人搞出來慣性制導系統。慣性制導系統採用用陀螺儀確定方向和角速度，用加速度計測試加速度，然後通過數學計算，就可以算出飛彈飛行的距離和路線，然後控制飛行姿態，爭取讓飛彈落到想去的地方。不過那時候計算機也好，儀器也好，精度都是不太夠的，所以德國的飛彈偏差很大，想要炸倫敦，結果炸得到處都是，頗讓英國人恐慌了一陣。
不過，從此以後，以陀螺儀為核心的慣性制導系統就被廣泛應用於航空航天，今天的導彈裡面依然有這套東西，而隨著需求的刺激，陀螺儀也在不斷進化。
自從上個世紀七十年代以來，現代陀螺儀的發展已經進入了一個全新的階段。1976年等提出了現代光纖陀螺儀的基本設想，到八十年代以後，現代光纖陀螺儀就得到了非常迅速的發展，與此同時激光諧振陀螺儀也有了很大的發展。由於光纖陀螺儀具有結構緊湊，靈敏度高，工作可靠等等優點，所以目前光纖陀螺儀在很多的領域已經完全取代了機械式的傳統的陀螺儀，成為現代導航儀器中的關鍵部件。
同時，激光陀螺儀也有突破，它通過光程差來測量旋轉角速度，優點和光纖陀螺儀差不多，但成本高一些。
而我們現在智能手機上採用的陀螺儀是MEMS（微機電）陀螺儀，它精度並不如前面說到的光纖和激光陀螺儀，需要參考其他感測器的數據才能實現功能，但其體積小、功耗低、易於數字化和智能化，特別是成本低，易於批量生產，非常適合手機、汽車牽引控制系統、醫療器材這些需要大規模生產的設備。
陀螺儀的分類
按照轉子轉動的自由度分成：雙自由度陀螺儀(也稱三自由度陀螺儀)和單自由度陀螺儀(也稱二自由度陀螺儀)。前者用於測定飛行器的姿態角，後者用於測定姿態角速度，因此常稱單自由度陀螺儀為。但通常多按陀螺儀中所採用的支承方式分類：滾珠軸承自由陀螺儀它是經典的陀螺儀。利用滾珠軸承支承是應用最早、最廣泛的支承方式。滾珠軸承靠直接接觸，摩擦力矩大，陀螺儀的精度不高，漂移率為每小時幾度，但工作可靠，迄今還用在精度要求不高的場合。
一個自由轉子陀螺儀(雙自由度陀螺儀)靠內環軸和外環軸角度感測元件可以測量兩個姿態角。
液浮陀螺儀
又稱浮子陀螺。內框架(內環)和轉子形成密封球形或圓柱形的浮子組件。轉子在浮子組件內高速旋轉，在浮子組件與殼體間充以浮液，用以產生所需要的浮力和阻尼。浮力與浮子組件的重量相等者，稱為全浮陀螺；浮力小於浮子組件重量者稱為半浮陀螺。
由於利用浮力支承，摩擦力矩減小，陀螺儀的精度較高，但因不能定位仍有摩擦存在。為彌補這一不足，通常在液浮的基礎上增加磁懸浮，即由浮液承擔浮子組件的重量，而用磁場形成的推力使浮子組件懸浮在中心位置。
現代高精度的單自由度液浮陀螺常是液浮、磁浮和動壓氣浮並用的三浮陀螺儀。這種陀螺儀比滾珠軸承陀螺儀的精度高,漂移率為0.01度/時。但液浮陀螺儀要求較高的加工精度、嚴格的裝配、精確的溫控，因而成本較高。
靜電陀螺儀又稱電浮陀螺。在金屬球形空心轉子的周圍裝有均勻分布的高壓電極,對轉子形成靜電場,用靜電力支承高速旋轉的轉子。這種方式屬於球形支承，轉子不僅能繞自轉軸旋轉，同時也能繞垂直於自轉軸的任何方向轉動，故屬自由轉子陀螺儀類型。
靜電場僅有吸力，轉子離電極越近吸力就越大，這就使轉子處於不穩定狀態。用一套支承電路改變轉子所受的力，可使轉子保持在中心位置。靜電陀螺儀採用非接觸支承，不存在摩擦,所以精度很高,漂移率低達10～10度/時。它不能承受較大的衝擊和振動。它的缺點是結構和製造工藝複雜，成本較高。
撓性陀螺儀
轉子裝在彈性支承裝置上的陀螺儀。在撓性陀螺儀中應用較廣的是動力調諧撓性陀螺儀。它由內撓性桿、外撓性桿、平衡環、轉子、驅動軸和電機等組成。
它靠平衡環扭擺運動時產生的動力反作用力矩(陀螺力矩)來平衡撓性桿支承產生的彈性力矩，從而使轉子成為一個無約束的自由轉子，這種平衡就是調諧。
撓性陀螺儀是60年代迅速發展起來的慣性元件，它因結構簡單、精度高(與液浮陀螺相近)、成本低，在飛機和導彈上得到了廣泛應用。
激光陀螺儀
它的結構原理與上面幾種陀螺儀完全不同。激光陀螺實際上是一種環形激光器，沒有高速旋轉的機械轉子，但它利用激光技術測量物體相對於慣性空間的角速度，具有速率陀螺儀的功能。激光陀螺儀的結構和工作是：用熱膨脹係數極小的材料製成三角形空腔。在空腔的各頂點分別安裝三塊反射鏡，形成閉合光路。腔體被抽成真空，充以氦氖氣，並裝設電極，形成激光發生器。
激光發生器產生兩束射向相反的激光。當環形激光器處於靜止狀態時，兩束激光繞行一周的光程相等，因而頻率相同，兩個頻率之差(頻差)為零，干涉條紋為零。
當環形激光器繞垂直於閉合光路平面的軸轉動時，與轉動方向一致的那束光的光程延長，波長增大，頻率降低；另一束光則相反，因而出現頻差，形成干涉條紋。
單位時間的干涉條紋數正比於轉動角速度。激光陀螺的漂移率低達0.1～0.01度/時，可靠性高，不受線加速度等的影響，已在飛行器的慣性導航中得到應用，是很有發展前途的新型陀螺儀。
MEMS陀螺儀即硅微機電陀螺儀，絕大多數的MEMS陀螺儀依賴於相互正交的振動和轉動引起的交變科里奧利力。MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystems)是指集機械元素、微型感測器、微型執行器以及信號處理和控制電路、介面電路、通信和電源於一體的完整微型機電系統。
MEMS陀螺儀是利用coriolis定理，將旋轉物體的角速度轉換成與角速度成正比的直流電壓信號，其核心部件通過摻雜技術、光刻技術、腐蝕技術、LIGA技術、封裝技術等批量生產的。
它主要特點：
1、體積小、重量輕，其邊長都小於1mm，器件核心的重量僅為1.2mg。2、成本低。3、可靠性好，工作壽命超過10萬小時，能承受1000g的衝擊。
4、測量範圍大。一百多年以前，萊昂·傅科發明陀螺儀是為了科學研究。如今，這個小東西卻讓我們的生活有了翻天覆地的改變。陀螺儀器不僅可以作為指示儀錶，而更重要的是它可以作為自動控制系統中的一個敏感元件，即可作為信號感測器。根據需要，陀螺儀器能提供準確的方位、水平、位置、速度和加速度等信號，以便駕駛員或用自動導航儀來控制飛機、艦船或太空梭等航行體按一定的航線飛行，而在導彈、衛星運載器或空間探測火箭等航行體的制導中，則直接利用這些信號完成航行體的姿態控制和軌道控制。作為穩定器，陀螺儀器能使列車在單軌上行駛，能減小船舶在風浪中的搖擺，能使安裝在飛機或衛星上的照相機相對地面穩定等等。作為精密測試儀器，陀螺儀器能夠為地面設施、礦山隧道、地下鐵路、石油鑽探以及導彈發射井等提供準確的方位基準。如果沒有它，就沒有飛機，沒有火箭，沒有現代生活，這恐怕是他的發明者都沒有想到的。小小的陀螺儀，讓我們的世界變得更美好。在接下來的內容中，我們將更多地了解陀螺儀在國民生活應用中的表現。我們大致了解陀螺儀的來歷，原理和種類，那麼，它與我們的日常生活有怎樣的關係呢？陀螺儀器最早是用於航海導航，但隨著科學技術的發展，它在航空和航天事業中也得到廣泛的應用。陀螺儀器不僅可以作為指示儀錶，而更重要的是它可以作為自動控制系統中的一個敏感元件，即可作為信號感測器。根據需要，陀螺儀器能提供準確的方位、水平、位置、速度和加速度等信號，以便駕駛員或用自動導航儀來控制飛機、艦船或太空梭等航行體按一定的航線飛行，而在導彈、衛星運載器或空間探測火箭等航行體的制導中，則直接利用這些信號完成航行體的姿態控制和軌道控制。
作為穩定器，陀螺儀器能使列車在單軌上行駛，能減小船舶在風浪中的搖擺，能使安裝在飛機或衛星上的照相機相對地面穩定等等。作為精密測試儀器，陀螺儀器能夠為地面設施、礦山隧道、地下鐵路、石油鑽探以及導彈發射井等提供準確的方位基準。
陀螺儀在航空飛行領域的應用
由於各種電子設備和電腦控制的高科技發展，各種現代飛機的設計大多數都是靜不穩定的，必須利用電子設備和電腦來輔助控制來使飛機取得良好的飛行控制。這種飛機單純依靠飛行員手指來控制難度會加大。飛機雖然仍能飛行，但是會出現不同程度的搖晃不定，總是處於一種不穩定的飛行狀態。有時重心設定的不太準確，稍微有差別，也會使飛機飛行不太穩定。空中有各種亂流，也會使飛機飛行不夠穩定，這時就使用陀螺儀增穩，飛機就會一直平穩的飛行，讓飛行員感覺更容易操控飛機，做出各種動作也更加標準。
陀螺儀讓飛行員感覺最明顯的是降落的時候，而最需要陀螺儀幫助的也是飛機的降落。因為降落的飛機由於速度較慢，臨近失速點，這時更容易受風的影響而導致機翼上下晃動，這時就要不斷的用手指去調整飛機姿態使其保持水平不變而逐步下降高度，很多新手飛行員有時修正過多，飛機就會產生更大的晃動，很容易進入失速而導致降落失敗。
但是如果將陀螺儀打開增穩狀態，由於陀螺儀的感測器非常敏感，機翼稍微有輕微下壓，陀螺儀立即發出指令讓打副翼讓飛機回平，這個過程發生的很快，以至於你都可能看不到機翼下壓就已經被陀螺儀修正了。所以你將會看到飛機總是非常平穩的保持水平不變而逐步下降高度，對飛行員有很大的幫助。
當陀螺儀應用到車載導航上，便大幅度提升了導航的精準度，它的作用體現在：
1、陀螺儀能在GPS信號不好時能繼續發揮導航的作用並修正GPS定位不準的問題
在GPS信號不好時，陀螺儀可根據已獲知的方位、方向和速度來繼續進行精確導航，這也是慣性導航技術的基本原理。同時也可修正GPS信號不好時定位偏差過大的問題。2、陀螺儀能比GPS提供更靈敏準確的方向和速度GPS是無法即時發現車子速度和方向的改變的，要等跑了一段距離之後才能測出，因此當你車子在非導航情況下轉變了方向後，就會出現小陳那樣的狀況，導航就無法辨識你車子的轉向，結果把方嚮導錯了。而陀螺儀能夠在方向和速度改變的瞬間即時測出，從而能讓導航軟體及時的修改導航路線3、陀螺儀在上立交橋時更靈敏準確的識別民用GPS的精度是無法識別上沒上立交橋的，而陀螺儀卻可測出車子是否向上移動了，從而能讓導航軟體及時的修改導航路線。依靠GPS衛星的信號導航和陀螺儀的慣性導航，有效提高了導航精準度，即使在失去GPS信號後，系統仍能通過自主推算來繼續導航，為車主提供準確的行駛指示。陀螺儀在無人機飛行控制系統中的應用無人機的飛行控制系統是其最主要的組成部分之一，而姿態的穩定控制，則是對無人機順利執行各項任務的有效方法。在目前的無人機實際製造與應用中，有的無人機產品是基於三軸陀螺儀和傾角感測器，來構成全姿態增穩控制系統的。
無人機姿態增穩控制屬於內迴路控制，它包括姿態保持與控制、速度控制等模式。內迴路控制是在以三軸陀螺儀和傾角感測器獲取無人機飛行姿態的基礎上，通過對升降舵、方向舵的控制，完成飛行姿態的穩定與控制。
其中，三軸陀螺儀主要用來測量無人機在飛行過程中俯仰角、橫滾角和偏航角的角速度，並根據角速度積分計算角度的改變。而一般採用雙軸傾角感測器，與三軸陀螺儀構成全姿態增穩控制迴路。
陀螺儀測量得到的角速度信息用作增穩反饋控制，使飛機操縱起來變的更「遲鈍」一些，從而利用傾角感測器測得飛機橫滾角和俯仰角。然後將陀螺儀測得的角速率信息和傾角感測器測得的姿態角進行捷聯運算，得到融合後的姿態信息。這種較為複雜的捷聯演算法，能夠使姿態精度得到很大提高。陀螺儀在照相/攝相領域的應用當我們拍視頻或拍照時，有沒有相過，通過一種裝置，保證你的「相機」固定在同一位置，無論你的手怎麼歪斜，身體怎麼抖，他都能保持手機的相對穩定。我們都知道，只有當手機或攝像機相對「穩定」我們才能拍出精美的畫面或視頻。而能夠讓「穩拍器」始終保持穩定的核心秘密就是「加速度和陀螺儀」感測器。
為什麼說「加速度和陀螺儀」感測器是自拍神器的核心秘密呢？因為穩拍器的核心就是對「相機」姿態的檢測，然後根據「相機」的姿態變化實時的控制與「相機」連接的電機做相應動作，只要電機控制的夠快，就能保證「相機」始終穩定在固定位置。不管你的手左右晃動還是上下晃動，在穩拍神器的控制下你的「相機」就會雷打不動，從而拍出穩定的照片和畫面。
穩拍器的整體大致框架如下圖所示，其中橘黃色部分就是加速度和陀螺儀感測器工作部分。
陀螺儀在智能手機中的應用
陀螺儀的使用距離我們最近的就是我們的手機，陀螺儀在手機中的應用主要體現在以下幾個方面：
1、導航。
陀螺儀自被發明開始，就用於導航，先是德國人將其應用在V1、V2火箭上，因此，如果配合GPS，手機的導航能力將達到前所未有的水準。實際上，很多專業手持式GPS上也裝了陀螺儀，如果手機上安裝了相應的軟體，導航能力絕不亞於很多船舶、飛機上用的導航儀。還可以實現GPS的慣性導航：當汽車行駛到隧道或城市高大建築物附近，沒有GPS訊號時，可以通過陀螺儀來測量汽車的偏航或直線運動位移，從而繼續導航。
2、可以和手機上的攝像頭配合使用。
比如防抖，在拍照時的維持圖像的穩定，防止由於手的抖動對拍照質量的影響。在按下快門時，記錄手的抖動動作，將手的抖動反饋給圖像處理器，可以讓手機捕捉到更清晰穩定的畫面。
3、各類遊戲的感測器。比如飛行遊戲，體育類遊戲，甚至包括一些第一視角類射擊遊戲，陀螺儀完整監測遊戲者手的位移，從而實現各種遊戲操作效果。有關這點，想必用過任天堂WII的網友會有很深的感受。
4、可以用作輸入設備。
陀螺儀相當於一個立體的滑鼠，這個功能和第三大用途中的遊戲感測器很類似，甚至可以認為是一種類型。通過小幅度的傾斜，偏轉手機，實現菜單，目錄的選擇和操作的執行。(比如前後傾斜手機，實現通訊錄條目的上下滾動;左右傾斜手機，實現瀏覽頁面的左右移動或者頁面的放大或縮小。
5、也是未來最有前景和應用範圍的用途。
那就是可以幫助手機實現很多增強現實的功能。增強現實是才冒出的概念，和虛擬現實一樣，是計算機的一種應用。大意是可以通過手機或者電腦的處理能力，讓人們對現實中的一些物體有更深入的了解。
如果大家不理解，舉個例子，前面有一個大樓，用手機攝像頭對準它，馬上就可以在屏幕上得到這座大樓的相關參數，比如樓的高度，寬度，海拔，如果連接到資料庫，甚至可以得到這座大廈的物主、建設時間、現在的用途、可容納的人數等。陀螺儀最新技術簡介和發展趨勢目前，陀螺儀技術正在由傳統的機械轉子陀螺向以光學陀螺儀為代表的新型陀螺儀轉變，下面再簡要介紹幾種處在技術領域前沿的新型陀螺儀技術，希望能夠幫助讀者開闊視野，了解到國外陀螺儀技術的最新發展。氦-氖環形激光陀螺儀相比傳統的機械式轉子陀螺儀，主要優點是無機械轉子，結構簡單（少於20個部件），抗振動性能好，啟動快，可靠性高，數字輸出。
此外，一些研究人員還提出用固態增益介質替換氦-氖氣體，能夠使陀螺儀的工作壽命更長、成本更低和製造更簡單，這種陀螺也被稱為固態環形激光陀螺儀（固態RLG）。
目前，基於氦-氖環形激光陀螺儀的慣性導航系統已經廣泛應用在航空和航海導航、戰略導彈的導航、制導與控制領域，成為主要的高性能陀螺儀之一。光纖陀螺儀從20世紀60年代開始，美國海軍研究辦公室希望發展一種比氦-氖環形激光陀螺儀的成本更低、製造流程更簡單、精度更高的光纖角速度感測器，也就是俗稱的光纖陀螺。
目前，最為常見的光纖陀螺儀是相敏光纖陀螺儀，通過測量在一個光纖線圈中的兩束反向傳播光束的相移以敏感載體轉動，從而計算出其角速率。
因此，光纖陀螺儀的精度主要取決於其採用的光纖種類和光電檢測系統，偏值一般處於0.001度/時-0.0002度/時之間。現在，光纖陀螺儀已經被廣泛應用於魚雷、戰術導彈、潛艇和航天器等。集成光學陀螺儀隨著集成光路的發展，可在單塊晶元上實現非常複雜的功能，可以將幾毫米直徑的集成環形腔激光器、光電檢測電路都集成在同一晶元上，作為集成光學陀螺儀的敏感元件，這樣可以大大減小現有光學陀螺儀的質量和尺寸，降低成本和功耗，更好地控制熱效應，增加可靠性，因此利用集成光學技術製造的光學陀螺儀具有良好的發展前景。目前，圍繞著集成環形腔激光器已經展開了廣泛的研究，但是關鍵技術還有待突破。此外，包括核磁諧振和超流體等的尖端技術也已經得到了驗證，未來也將在新型陀螺儀上得到應用。（完）股市有風險，投資需謹慎。本文僅供受眾參考，不代表任何投資建議，任何參考本文所作的投資決策皆為受眾自行獨立作出，造成的經濟、財務或其他風險均由受眾自擔。
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