陀螺儀的介紹工作原理及創新應用

來源：ittbank

陀螺儀的名字由來

陀螺儀名字的來源具有悠久的歷史。據考證，1850年法國的物理學家萊昂·傅科（J.Foucault）為了研究地球自轉，首先發現高速轉動中地的轉子（rotor），由于它具有慣性，它的旋轉軸永遠指向一固定方向，因此傅科用希臘字 gyro（旋轉）和skopein（看）兩字合為“gyro scopei ”一字來命名該儀器儀表。

最早的陀螺儀的簡易制作方式如下：即將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，簡易圖如下圖所示。

其中，中間金色的轉子即為陀螺，它因為慣性作用是不會受到影響的，周邊的三個“鋼圈”則會因為設備的改變姿態而跟著改變，通過這樣來檢測設備當前的狀態，而這三個“鋼圈”所在的軸，也就是三軸陀螺儀里面的“三軸”，即X軸、y軸、Z軸，三個軸圍成的立體空間聯合檢測各種動作，然后用多種方法讀取軸所指示的方向，并自動將數據信號傳給控制系統。因此一開始，陀螺儀的最主要的作用在于可以測量角速度。

陀螺儀的基本組成

當前，從力學的觀點近似的分析陀螺的運動時，可以把它看成是一個剛體，剛體上有一個萬向支點，而陀螺可以繞著這個支點作三個自由度的轉動，所以陀螺的運動是屬于剛體繞一個定點的轉動運動，更確切地說，一個繞對稱軸高速旋轉的飛輪轉子叫陀螺。將陀螺安裝在框架裝置上，使陀螺的自轉軸有角轉動的自由度，這種裝置的總體叫做陀螺儀。

陀螺儀的基本部件有：陀螺轉子（常采用同步電機、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，并見其轉速近似為常值）；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）；附件（是指力矩馬達、信號傳感器等）。

陀螺儀的工作原理

陀螺儀偵測的是角速度。其工作原理基于科里奧利力的原理：當一個物體在坐標系中直線移動時，假設坐標系做一個旋轉，那么在旋轉的過程中，物體會感受到一個垂直的力和垂直方向的加速度。

臺風的形成就是基于這個原理，地球轉動帶動大氣轉動，如果大氣轉動時受到一個切向力，便容易形成臺風，而北半球和南半球臺風轉動的方向是不一樣的。用一個形象的比喻解釋了科里奧利力的原理。

具體來說，陀螺儀，是一個圓形的中軸的結合體。而事實上，靜止與運動的陀螺儀本身并無區別，如果靜止的陀螺儀本身絕對平衡的話，拋除外在因素陀螺儀是可以不依靠旋轉便能立定的。而如果陀螺儀本身尺寸不平衡的話，在靜止下就會造成陀螺儀模型傾斜跌倒，因此不均衡的陀螺儀必然依靠旋轉來維持平衡。

陀螺儀本身與引力有關，因為引力的影響，不均衡的陀螺儀，重的一端將向下運行，而輕的一端向上。在引力場中，重物下降的速度是需要時間的，物體墜落的速度遠遠慢于陀螺儀本身旋轉的速度時，將導致陀螺儀偏重點，在旋轉中不斷的改變陀螺儀自身的平衡，并形成一個向上旋轉的速度方向。當然，如果陀螺儀偏重點太大，陀螺儀自身的左右互作用力也將失效。

而在旋轉中，陀螺儀如果遇到外力導致，陀螺儀轉輪某點受力。陀螺儀會立刻傾斜，而陀螺儀受力點的勢能如果低于陀螺儀旋轉時速，這時受力點，會因為陀螺儀傾斜，在旋轉的推動下，陀螺儀受力點將從斜下角，滑向斜上角。而在向斜上角運行時，陀螺儀受力點的勢能還在向下運行。這就導致陀螺儀到達斜上角時，受力點的剩余勢能將會將在位于斜上角時，勢能向下推動。

而與受力點相反的直徑另一端，同樣具備了相應的勢能，這個勢能與受力點運動方向相反，受力點向下，而它向上，且管這個點叫“聯動受力點”。當聯動受力點旋轉180度，從斜上角到達斜下角，這時聯動受力點，將陀螺儀向上拉動。在受力點與聯動受力互作用力下，陀螺儀回歸平衡。

高速旋轉的物體的旋轉軸，對于改變其方向的外力作用有趨向于垂直方向的傾向。而且，旋轉物體在橫向傾斜時，重力會向增加傾斜的方向作用，而軸則向垂直方向運動，就產生了搖頭的運動（歲差運動）。當陀螺儀的陀螺旋轉軸以水平軸旋轉時，由于地球的旋轉而受到鉛直方向旋轉力，陀螺的旋轉體向水平面內的子午線方向產生歲差運動。當軸平行于子午線而靜止時可加以應用。

陀螺儀的作用

這陀螺儀和重力傳感器有什么區別呢？區別很多，但最大的區別就是重力傳感對于空間上的位移感受維較少，能做到6個方向的感應就已經很不錯了，而陀螺儀則是全方位的。這很重要，毫不夸張的說，這兩者不是一個級別上的產品。

可能看到這里，大家還是會覺得有些迷惑，既然陀螺儀很厲害，那么它在手機上到底有什么用呢？我們不妨來看看。

第一大用途，導航。 陀螺儀自被發明開始，就用于導航，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，目前很多專業手持式GPS上也裝了陀螺儀，如果手機上安裝了相應的軟件，其導航能力絕不亞于目前很多船舶、飛機上用的導航儀。

第二大用途，可以和手機上的攝像頭配合使用 ，比如防抖，這會讓手機的拍照攝像能力得到很大的提升。

第三大用途，各類游戲的傳感器，比如飛行游戲，體育類游戲，甚至包括一些第一視角類射擊游戲 ，陀螺儀完整監測游戲者手的位移，從而實現各種游戲操作效果。有關這點，想必用過任天堂WII的兄弟會有很深的感受。

第四大用途，可以用作輸入設備 ，陀螺儀相當于一個立體的鼠標，這個功能和第三大用途中的游戲傳感器很類似，甚至可以認為是一種類型。

第五大用途，也是未來最有前景和應用范圍的用途 。下面重點說說。那就是可以幫助手機實現很多增強現實的功能。增強現實是近期才冒出的概念，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跟深入的了解。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，如果連接到數據庫，甚至可以得到這座大廈的物主、建設時間、現在的用途、可容納的人數等等。

這種增強現實技術可不是用來滿足大家的好奇心，在實際生產上，其用途非常廣泛，比如蓋房子，用手機一照，就知道墻是否砌歪了？歪了多少？再比如，假如您是一位伊拉克抵抗美軍的戰士，平時只需要揣著一部此類手機，去基地那里轉轉，出來什么坦克，裝甲車或者直升機，用手機對準拍下，馬上就能判斷出武器的型號，速度、運動方向。

陀螺儀的兩大動力特性

陀螺儀是一種既古老而又很有生命力的儀器，從第一臺真正實用的陀螺儀器問世以來已有大半個世紀，直到現在，陀螺儀仍在吸引著人們對它進行研究，這是由于它本身具有的特性所決定的。陀螺儀最主要的基本特性是它的定軸性（inertia or rigidity）和進動性（precession），這兩種特性都是建立在角動量守恒的原則下。人們從兒童玩的地陀螺中早就發現高速旋轉的陀螺可以豎直不倒而保持與地面垂直，這就反映了陀螺的定軸性。研究陀螺儀運動特性的理論是繞定點運動剛體動力學的一個分支，它以物體的慣性為基礎，研究旋轉物體的動力學特性。

定軸性（inertia or rigidity）。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：轉子的轉動慣量愈大，穩定性愈好；轉子角速度愈大，穩定性愈好。

進動性（precession）。當轉子高速旋轉時，若外力矩作用于外環軸，陀螺儀將繞內環軸轉動；若外力矩作用于內環軸，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。進動角速度的方向取決于動量矩H的方向（與轉子自轉角速度矢量的方向一致）和外力矩M的方向，而且是自轉角速度矢量以最短的路徑追趕外力矩。

常見的七大陀螺儀

根據陀螺儀的定軸性（inertia or rigidity）和進動性（precession）制成的各種儀表或裝置，常見的陀螺儀主要有以下幾種：

陀螺羅盤。供航行和飛行物體作方向基準用的尋找并跟蹤地理子午面的三自由度陀螺儀。其外環軸鉛直，轉子軸水平置于子午面內，正端指北；其重心沿鉛垂軸向下或向上偏離支承中心。轉子軸偏離子午面時同時偏離水平面而產生重力矩使陀螺旋進到子午面，這種利用重力矩的陀螺羅盤稱擺式羅盤。21世紀發展為利用自動控制系統代替重力擺的電控陀螺羅盤，并創造出能同時指示水平面和子午面的平臺羅盤。

速率陀螺儀。用以直接測定運載器角速率的二自由度陀螺裝置。把均衡陀螺儀的外環固定在運載器上并令內環軸垂直于要測量角速率的軸。當運載器連同外環以角速度繞測量軸旋進時，陀螺力矩將迫使內環連同轉子一起相對運載器旋進。陀螺儀中有彈簧限制這個相對旋進，而內環的旋進角正比于彈簧的變形量。

由平衡時的內環旋進角即可求得陀螺力矩和運載器的角速率。積分陀螺儀與速率陀螺儀的不同處只在于用線性阻尼器代替彈簧約束。當運載器作任意變速轉動時，積分陀螺儀的輸出量是繞測量軸的轉角（即角速度的積分）。以上兩種陀螺儀在遠距離測量系統或自動控制、慣性導航平臺中使用較多。

陀螺穩定平臺。以陀螺儀為核心元件，使被穩定對象相對慣性空間的給定姿態保持穩定的裝置。穩定平臺通常利用由外環和內環構成制平臺框架軸上的力矩器以產生力矩與干擾力矩平衡使陀螺儀停止旋進的穩定平臺稱為動力陀螺穩定器。陀螺穩定平臺根據對象能保持穩定的轉軸數目分為單軸、雙軸和三軸陀螺穩定平臺。陀螺穩定平臺可用來穩定那些需要精確定向的儀表和設備，如測量儀器、天線等，并已廣泛用于航空和航海的導航系統及火控、雷達的萬向支架支承。根據不同原理方案使用各種類型陀螺儀為元件。其中利用陀螺旋進產生的陀螺力矩抵抗干擾力矩，然后輸出信號控、照相系統。

陀螺儀傳感器。陀螺儀傳感器是一個簡單易用的基于自由空間移動和手勢的定位和控制系統。在假象的平面上揮動鼠標，屏幕上的光標就會跟著移動，并可以繞著鏈接畫圈和點擊按鍵。當你正在演講或離開桌子時，這些操作都能夠很方便地實現。陀螺儀傳感器原本是運用到直升機模型上的，已經被廣泛運用于手機這類移動便攜設備上（IPHONE的三軸陀螺儀技術）。

光纖陀螺儀。光纖陀螺儀是以光導纖維線圈為基礎的敏感元件，由激光二極管發射出的光線朝兩個方向沿光導纖維傳播。光傳播路徑的變化，決定了敏感元件的角位移。光纖陀螺儀與傳統的機械陀螺儀相比，優點是全固態，沒有旋轉部件和摩擦部件，壽命長，動態范圍大，瞬時啟動，結構簡單，尺寸小，重量輕。與激光陀螺儀相比，光纖陀螺儀沒有閉鎖問題，也不用在石英塊精密加工出光路，成本低。

光纖陀螺儀知名廠家有：德國LITEF、法國IXSEA、美國AlliedSgnal、美國Northrop Grumman、美國Honeywell等。

激光陀螺儀。激光陀螺儀的原理是利用光程差來測量旋轉角速度（Sagnac效應）。在閉合光路中，由同一光源發出的沿順時針方向和反時針方向傳輸的兩束光和光干涉，利用檢測相位差或干涉條紋的變化，就可以測出閉合光路旋轉角速度。

激光陀螺儀知名廠家有：美國Northrop Grumman、美國Honeywell、美國Sperry、法國Sextant、俄羅斯Polus等。

MEMS陀螺儀?；贛EMS的陀螺儀價格相比光纖或者激光陀螺便宜很多，但使用精度非常低，需要使用參考傳感器進行補償，以提高使用精度。MEMS陀螺儀采用的是依賴于相互正交的震動和轉動引起的交變科里奧利力，MEMS陀螺儀利用coriolis，將旋轉物體的角速度轉換成與角速度成正比直流電壓信號，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。

MEMS陀螺儀

●陀螺儀的發展狀況

▲不同種類陀螺儀的精度范圍

▲2001年陀螺儀的發展狀況

▲2005年陀螺儀的發展狀況

▲2020年陀螺儀的發展狀況

陀螺儀廠家

Epson Toyocom

意法半導體（ST）

松下（Panasonic）

村田

Kionnix

InvenSense（應美盛）

亞德諾半導體（ADI）

索尼

Qorvo

瑞士Colibrys

深迪半導體

水木智芯

上海矽睿科技

蘇州明皜傳感

陀螺儀的應用

陀螺儀在航天航空中的應用

陀螺儀器最早是用于航海導航，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表，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，即可作為信號傳感器。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、艦船或航天飛機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、石油鉆探以及導彈發射井等提供準確的方位基準。

由此可見，陀螺儀器的應用范圍是相當廣泛的，它在現代化的國防建設和國民經濟建設中均占重要的地位。

陀螺儀在消費電子領域的創新應用

陀螺儀的出現，給了消費電子很大的應用發揮空間。比如就設備輸入的方式來說，在鍵盤、鼠標、觸摸屏之后，陀螺儀又給我們帶來了手勢輸入，由于它的高精度，甚至還可以實現電子簽名；還比如讓智能手機變得更智慧：除了移動上網、快速處理數據外，還能“察言觀色”，并提供相應的服務。

導航。陀螺儀自被發明開始，就用于導航，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，目前很多專業手持式GPS上也裝了陀螺儀，如果手機上安裝了相應的軟件，其導航能力絕不亞于目前很多船舶、飛機上用的導航儀。

相機防抖。陀螺儀可以和手機上的攝像頭配合使用，比如防抖，這會讓手機的拍照攝像能力得到很大的提升。

提升游戲體驗。各類手機游戲的傳感器，比如飛行游戲，體育類游戲，甚至包括一些第一視角類射擊游戲，陀螺儀完整監測游戲者手的位移，從而實現各種游戲操作效果，如橫屏改豎屏、賽車游戲拐彎等等。

作為輸入設備。陀螺儀還可以用作輸入設備，它相當于一個立體的鼠標，這個功能和第三大用途中的游戲傳感器很類似，甚至可以認為是一種類型。

同時，除了我們熟悉的智能手機以外，汽車上也用了很多微機電陀螺儀，在高檔汽車中，大約采用25至40只MEMS傳感器，用來檢測汽車不同部位的工作狀態，給行車電腦提供信息，讓用戶更好的控制汽車。