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　　陀螺仪又称角速度传感器，是利用高速旋转体的动量矩敏感壳相对于惯性空间绕一个或两个与旋转轴正交的轴旋转的角运动检测装置。同时，由其他原理制成的角运动检测装置也具有同样的功能，也称为陀螺仪。

　　陀螺仪名称的由来

　　陀螺仪名称的由来由来已久。据考证，1850年，法国物理学家J福柯为了研究地球自转，首先发现了高速旋转中的转子。由于它的惯性，它的旋转轴总是指向一个固定的方向，所以福柯把希腊文字“陀螺”和“斯科佩因”组合起来给这个仪器命名。

　　陀螺仪最早的简单方式是这样的：将一个高速旋转的陀螺仪放在一个万向节上，通过陀螺仪的方向计算角速度。下图显示了这个简单的图表。

　　其中，中间的金色转子就是陀螺，不会因为惯性而受到影响，周围的三个“钢圈”会随着设备姿态的变化而变化，从而检测出设备的当前状态。这三个“钢圈”所在的轴，也就是三轴陀螺中的“三轴”，即X轴、Y轴和Z轴，共同检测三轴围成的三维空间中的各种动作。所以，首先，陀螺仪最重要的作用是可以测量角速度。

　　陀螺仪的基本组成

　　目前从力学的角度近似分析陀螺的运动时，可以把它看成一个具有万向支点的刚体，陀螺可以绕这个支点做三个自由度的转动，所以陀螺的运动属于刚体绕固定点的转动。更具体地说，围绕对称轴高速旋转的飞轮转子称为陀螺仪。陀螺仪安装在框架装置上，使陀螺仪的旋转轴具有角度旋转的自由度。这种设备通常被称为陀螺仪。

　　陀螺仪的基本元件是：陀螺转子(常用同步电机、磁滞电机、三相交流电机驱动陀螺转子绕旋转轴高速旋转，转速近似恒定)；内外框架(或称内外环，是使陀螺自转轴在角旋转中获得所需自由度的结构)；附件(指力矩电机、信号传感器等。).

　　陀螺仪的工作原理

　　陀螺仪检测角速度。它的工作原理是基于科里奥利力的原理：当物体在坐标系中做直线运动时，假设坐标系旋转，物体在旋转过程中会感受到一个垂直方向的力和垂直方向的加速度。

　　台风的形成就是基于这个原理。地球的旋转带动了大气的旋转。如果大气旋转时受到一个切向力，就容易形成台风。然而，北半球和南半球的台风旋转方向不同。用一个形象的比喻解释科里奥利力的原理。

　　具体来说，陀螺仪是圆形中心轴的组合。事实上，静止的陀螺仪和运动的陀螺仪没有区别。如果静止陀螺仪是绝对平衡的，那么在排除外界因素的情况下，陀螺仪可以不依赖旋转而被设置。但如果陀螺仪本身大小不平衡，就会导致陀螺仪模型在静止状态下发生倾斜和坠落，所以不平衡的陀螺仪必须依靠旋转来维持平衡。

　　陀螺仪本身和重力有关。由于重力的影响，不平衡陀螺仪的重端会向下运行，而轻端会向上运行。在重力场中，重量下降需要时间。当物体的下落速度比陀螺仪本身的旋转速度慢很多时，就会造成陀螺仪偏离焦点，在旋转过程中不断改变陀螺仪本身的平衡，形成向上的旋转速度方向。当然，如果陀螺仪太偏，陀螺仪本身的左右相互作用力也会失效。

　　在旋转中，如果陀螺仪遇到外力，滚轮会在某一点受力。陀螺仪会立刻倾斜，如果陀螺仪受力点的势能低于陀螺仪的转速，那么受力点就会因为陀螺仪而倾斜。在旋转的推动下，陀螺仪的受力点会从斜下角滑向斜上角。但当陀螺仪运行在向斜上角时，陀螺仪受力点的势能仍在向下运行。这就导致了当陀螺仪到达斜上角时，应力点的剩余势能会将位于斜上角时的势能向下推。

　　直径与应力点相对的另一端也有相应的势能。这个势能与受力点的运动方向相反，受力点是向下的，但它是向上的，这个点叫做联动受力点。当联动受力点旋转180度，从斜上角到斜下角，那么联动受力点就把陀螺仪向上拉。在受力点和连杆应力的相互作用下，陀螺仪回到平衡状态。

　　高速旋转物体的旋转轴倾向于垂直于改变其方向的外力。而且当旋转的物体横向倾斜时，重力会作用在增加倾斜的方向，而轴会在垂直方向移动，产生摇头的运动(进动)。当陀螺的旋转轴在水平轴上旋转时，由于地球自转而受到垂直旋转力的作用，陀螺的旋转体在水平面内产生子午线方向的进动运动。重要官员可以适用于当它平行于经络和休息。

　　陀螺仪的功能

　　这个陀螺仪和重力传感器有什么区别？区别很多，但最大的区别是重力感应对于空间中的位移的感应维度更少，能够感应六个方向就已经相当不错了，而陀螺仪是全方位的。这一点非常重要。毫不夸张的说，两者不是一个级别的产品。

　　看到这里你可能还是会觉得有点迷茫。既然陀螺仪很厉害，那它在手机上有什么用呢？让我们来看看。

　　第一大用处，导航。陀螺仪自发明以来一直用于导航。首先，德国人将其应用于V1和V2火箭。因此，如果使用GPS，手机的导航能力将达到前所未有的水平。事实上，目前很多专业手持GPS都配备了陀螺仪。如果在手机上安装相应的软件，其导航能力并不亚于目前很多船舶、飞机上使用的导航仪。

　　二是可以配合手机上的摄像头使用，比如防抖，会让手机的拍照能力非常好。

　　大的提升。

　　第三大用途，各类游戏的传感器，比如飞行游戏，体育类游戏，甚至包括一些第一视角类射击游戏，陀螺仪完整监测游戏者手的位移，从而实现各种游戏操作效果。有关这点，想必用过任天堂WII的兄弟会有很深的感受。

　　第四大用途，可以用作输入设备，陀螺仪相当于一个立体的鼠标，这个功能和第三大用途中的游戏传感器很类似，甚至可以认为是一种类型。

　　第五大用途，也是未来最有前景和应用范围的用途。下面重点说说。那就是可以帮助手机实现很多增强现实的功能。增强现实是近期才冒出的概念，和虚拟现实一样，是计算机的一种应用。大意是可以通过手机或者电脑的处理能力，让人们对现实中的一些物体有跟深入的了解。如果大家不理解，举个例子，前面有一个大楼，用手机摄像头对准它，马上就可以在屏幕上得到这座大楼的相关参数，比如楼的高度，宽度，海拔，如果连接到数据库，甚至可以得到这座大厦的物主、建设时间、现在的用途、可容纳的人数等等。

　　这种增强现实技术可不是用来满足大家的好奇心，在实际生产上，其用途非常广泛，比如盖房子，用手机一照，就知道墙是否砌歪了？歪了多少？再比如，假如您是一位伊拉克抵抗美军的战士，平时只需要揣着一部此类手机，去基地那里转转，出来什么坦克，装甲车或者直升机，用手机对准拍下，马上就能判断出武器的型号，速度、运动方向。

　　陀螺仪的两大动力特性

　　陀螺仪是一种既古老而又很有生命力的仪器，从第一台真正实用的陀螺仪器问世以来已有大半个世纪，直到现在，陀螺仪仍在吸引着人们对它进行研究，这是由于它本身具有的特性所决定的。陀螺仪最主要的基本特性是它的定轴性（inertia or rigidity）和进动性（precession），这两种特性都是建立在角动量守恒的原则下。人们从儿童玩的地陀螺中早就发现高速旋转的陀螺可以竖直不倒而保持与地面垂直，这就反映了陀螺的定轴性。研究陀螺仪运动特性的理论是绕定点运动刚体动力学的一个分支，它以物体的惯性为基础，研究旋转物体的动力学特性。

　　定轴性（inertia or rigidity）。当陀螺转子以高速旋转时，在没有任何外力矩作用在陀螺仪上时，陀螺仪的自转轴在惯性空间中的指向保持稳定不变，即指向一个固定的方向；同时反抗任何改变转子轴向的力量。这种物理现象称为陀螺仪的定轴性或稳定性。其稳定性随以下的物理量而改变：转子的转动惯量愈大，稳定性愈好；转子角速度愈大，稳定性愈好。

　　进动性（precession）。当转子高速旋转时，若外力矩作用于外环轴，陀螺仪将绕内环轴转动；若外力矩作用于内环轴，陀螺仪将绕外环轴转动。其转动角速度方向与外力矩作用方向互相垂直，这种特性，叫做陀螺仪的进动性。进动角速度的方向取决于动量矩H的方向(与转子自转角速度矢量的方向一致)和外力矩M的方向，而且是自转角速度矢量以最短的路径追赶外力矩。

　　MEMS陀螺仪

　　常见的七大陀螺仪

　　根据陀螺仪的定轴性（inertia or rigidity）和进动性（precession）制成的各种仪表或装置，常见的陀螺仪主要有以下几种:

　　陀螺罗盘。供航行和飞行物体作方向基准用的寻找并跟踪地理子午面的三自由度陀螺仪。其外环轴铅直，转子轴水平置于子午面内，正端指北；其重心沿铅垂轴向下或向上偏离支承中心。转子轴偏离子午面时同时偏离水平面而产生重力矩使陀螺旋进到子午面，这种利用重力矩的陀螺罗盘称摆式罗盘。21世纪发展为利用自动控制系统代替重力摆的电控陀螺罗盘，并创造出能同时指示水平面和子午面的平台罗盘。

　　速率陀螺仪。用以直接测定运载器角速率的二自由度陀螺装置。把均衡陀螺仪的外环固定在运载器上并令内环轴垂直于要测量角速率的轴。当运载器连同外环以角速度绕测量轴旋进时，陀螺力矩将迫使内环连同转子一起相对运载器旋进。陀螺仪中有弹簧限制这个相对旋进，而内环的旋进角正比于弹簧的变形量。由平衡时的内环旋进角即可求得陀螺力矩和运载器的角速率。积分陀螺仪与速率陀螺仪的不同处只在于用线性阻尼器代替弹簧约束。当运载器作任意变速转动时，积分陀螺仪的输出量是绕测量轴的转角（即角速度的积分）。以上两种陀螺仪在远距离测量系统或自动控制、惯性导航平台中使用较多。

　　陀螺稳定平台。以陀螺仪为核心元件，使被稳定对象相对惯性空间的给定姿态保持稳定的装置。稳定平台通常利用由外环和内环构成制平台框架轴上的力矩器以产生力矩与干扰力矩平衡使陀螺仪停止旋进的稳定平台称为动力陀螺稳定器。陀螺稳定平台根据对象能保持稳定的转轴数目分为单轴、双轴和三轴陀螺稳定平台。陀螺稳定平台可用来稳定那些需要精确定向的仪表和设备，如测量仪器、天线等，并已广泛用于航空和航海的导航系统及火控、雷达的万向支架支承。根据不同原理方案使用各种类型陀螺仪为元件。其中利用陀螺旋进产生的陀螺力矩抵抗干扰力矩，然后输出信号控、照相系统。

　　陀螺仪传感器。陀螺仪传感器是一个简单易用的基于自由空间移动和手势的定位和控制系统。在假象的平面上挥动鼠标，屏幕上的光标就会跟着移动，并可以绕着链接画圈和点击按键。当你正在演讲或离开桌子时，这些操作都能够很方便地实现。陀螺仪传感器原本是运用到直升机模型上的，已经被广泛运用于手机这类移动便携设备上（IPHONE的三轴陀螺仪技术）。

　　光纤陀螺仪。光纤陀螺仪是以光导纤维线圈为基础的敏感元件， 由激光二极管发射出的光线朝两个方向沿光导纤维传播。光传播路径的变化，决定了敏感元件的角位移。光纤陀螺仪与传统的机械陀螺仪相比，优点是全固态，没有旋转部件和摩擦部件，寿命长，动态范围大，瞬时启动，结构简单，尺寸小，重量轻。与激光陀螺仪相比，光纤陀螺仪没有闭锁问题，也不用在石英块精密加工出光路，成本低。

　　激光陀螺仪。激光陀螺仪的原理是利用光程差来测量旋转角速度（Sagnac效应）。在闭合光路中，由同一光源发出的沿顺时针方向和反时针方向传输的两束光和光干涉，利用检测相位差或干涉条纹的变化，就可以测出闭合光路旋转角速度。

　　MEMS陀螺仪。基于MEMS的陀螺仪价格相比光纤或者激光陀螺便宜很多，但使用精度非常低，需要使用参考传感器进行补偿，以提高使用精度。MEMS陀螺仪采用的是依赖于相互正交的震动和转动引起的交变科里奥利力，MEMS陀螺仪利用coriolis，将旋转物体的角速度转换成与角速度成正比直流电压信号，其核心部件通过掺杂技术、光刻技术、腐蚀技术、LIGA技术、封装技术等批量生产的。

　　陀螺仪的应用

　　陀螺仪在航天航空中的应用

　　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。

　　陀螺仪在消费电子领域的创新应用

　　陀螺仪的出现，给了消费电子很大的应用发挥空间。比如就设备输入的方式来说，在键盘、鼠标、触摸屏之后，陀螺仪又给我们带来了手势输入，由于它的高精度，甚至还可以实现电子签名；还比如让智能手机变得更智慧：除了移动上网、快速处理数据外，还能“察言观色”，并提供相应的服务。

　　导航。陀螺仪自被发明开始，就用于导航，先是德国人将其应用在V1、V2火箭上，因此，如果配合GPS，手机的导航能力将达到前所未有的水准。实际上，目前很多专业手持式GPS上也装了陀螺仪，如果手机上安装了相应的软件，其导航能力绝不亚于目前很多船舶、飞机上用的导航仪。

　　相机防抖。陀螺仪可以和手机上的摄像头配合使用，比如防抖，这会让手机的拍照摄像能力得到很大的提升。

　　提升游戏体验。各类手机游戏的传感器，比如飞行游戏，体育类游戏，甚至包括一些第一视角类射击游戏，陀螺仪完整监测游戏者手的位移，从而实现各种游戏操作效果，如横屏改竖屏、赛车游戏拐弯等等。

　　作为输入设备。陀螺仪还可以用作输入设备，它相当于一个立体的鼠标，这个功能和第三大用途中的游戏传感器很类似，甚至可以认为是一种类型。

　　同时，除了我们熟悉的智能手机以外，汽车上也用了很多微机电陀螺仪，在高档汽车中，大约采用25至40只MEMS传感器，用来检测汽车不同部位的工作状态，给行车电脑提供信息，让用户更好的控制汽车。

　　手机陀螺仪

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