陀螺儀除了導航,還有這些關鍵技術會幫助機器人

　　乍一聽，陀螺儀，這麼高大上的東西一般不會有人了解，但是相信大多數人應該都聽過陀螺，其實它們的原理是相似的。其實，無論是手機導航、運動記步、甚至測出你今天爬了幾層樓，VR眼鏡真實再現三維世界，無人機進行空中懸停……這些功能的實現都基於設備內部的一個組件——陀螺儀。它的三維定位準不準，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，基於角動量守恆的理論設計出來的，主要是由一個位於軸心可以旋轉的輪子構成。」這句話很好地解釋了陀螺儀的作用在於測量和維持方向。陀螺儀分為：壓電陀螺儀、微機械陀螺儀、光纖陀螺儀和雷射陀螺儀，它們都是電子式的，並且可以和加速度計、磁阻晶片、GPS等，做成慣性導航控制系統。陀螺儀除了導航，還有這些關鍵技術會幫助機器人目前，人們普遍認為是1850年法國的物理學家萊昂·傅科（J.Foucault）為了研究地球自轉，發明了陀螺儀。那個時代的陀螺儀可以理解成把一個高速旋轉的陀螺放到一個萬向支架上面，這樣因為陀螺在高速旋轉時保持穩定，人們就可以通過陀螺的方向來辨認方向，確定姿態，計算角速度。

　　萬向支架可以保證無論怎麼轉動，陀螺都不會倒，萬向支架這個東西最早可以追溯到中國幾千年前的香爐。陀螺儀除了導航，還有這些關鍵技術會幫助機器人陀螺儀發明以後，首先被用在航海上（當年還沒有發明飛機），後來被用在航空上。因為飛機飛在空中，是無法像地面一樣靠肉眼辨認方向的，而飛行中方向都看不清楚危險性極高，所以陀螺儀迅速得到了應用，成為飛行儀表的核心。

　　

　　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，這是今天飛彈的雛形。從德國飛到英國，千裡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。

　　二戰時候，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，今天的飛彈裡面依然有這套東西。但隨著需求的刺激，陀螺儀也在不斷進化。

　　2、陀螺儀的進化

　　最早的陀螺儀都是機械式的，裡面真有高速旋轉的陀螺，而機械的東西對加工精度有很高的要求，還怕震動，因此機械陀螺儀為基礎的導航系統精度一直都不太高。

　　於是，人們開始尋找更好的辦法。利用物理學上的進步，19世紀80年代，以光導纖維線圈為基礎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算角位移，相較機械陀螺儀壽命長、動態範圍大、瞬時啟動快、結構簡單、尺寸小而輕。同時，雷射陀螺儀、微機電陀螺儀等也相繼發展出來。

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

　　

　　陀螺儀除了導航，還有這些關鍵技術會幫助機器人雷射陀螺儀也是通過算光程差計算角速度，替代陀螺儀。最常見的是三軸陀螺儀，就是同時測定6個方向的位置，移動軌跡，加速。單軸的只能測量一個方向的量，也就是一個系統需要三個陀螺儀，而3軸的一個就能替代三個單軸的。3軸的體積小、重量輕、結構簡單、可靠性好，是雷射陀螺的發展趨勢。

　　微機電陀螺儀則是利用物理學的科裡奧利力，在內部產生微小的電容變化，然後測量電容，計算出角速度，替代陀螺儀。iPhone和我們的智慧型手機裡面所用的陀螺儀，就是微機電陀螺儀（MEMS）。

　　目前，傳統上的機械陀螺儀正在被淘汰，有高精度需求的地方用的是雷射陀螺儀，而普及方面則是微機電陀螺儀。陀螺儀除了導航，還有這些關鍵技術會幫助機器人因為微機電陀螺儀（MEMS）屬於微電子產品，發展迅速，而且成本越來越低，所以用途越來越廣。智慧型手機因為有檢測動態的需求，於是就用上了微機電陀螺儀（MEMS）。

　　

　　雖然MEMS的精度並不如光纖和雷射陀螺儀，需要參考其他傳感器的數據才能實現功能，但其體積小、功耗低、易於數位化和智能化，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。

　　3、陀螺儀的應用：無處不在的陀螺儀

　　如果只是用在航空航天和飛彈上，那麼陀螺儀只能說是高大上的存在，但是因為微機電陀螺儀（MEMS）的出現，低成本的陀螺儀可以用在很多領域。

　　1）機器人產業也隨處可見陀螺儀

　　不久前，科沃斯獨家創新發布DG710陀螺儀規劃掃地機器人。該掃地機器人採用創新的陀螺儀（smartmove）技術，在工作的時候，每一次的方向改變都是90°轉彎，對整個家庭實現等距離「弓」字型打掃，大大地減少了以往掃地機器人的清掃遺漏行為。同時配合植入的「記憶位置信息」的特有算法，DG710經過簡單的行走與感知，可以在「腦海」裡形成一張家居規劃地圖，可直接智能彌補漏掃的區域，在提高覆蓋率的同時，大大減少清掃的重複性。陀螺儀除了導航，還有這些關鍵技術會幫助機器人此外，據日本媒體報導，松下AIS社將陀螺儀與加速度檢測器完美組合，於今年7月19日開發出面向機器人及機器人產業用自主機械系統、重型機械等的傳感檢測模塊。該模塊可用在姿勢檢測及位置推算方面。

　　

　　松下新品搭載了3軸陀螺儀和加速度檢測器，檢出的所有數據將傳至內置處理器進行處理，實現XYZ方向的旋轉、直線運動的6軸檢測和姿勢信息的輸出功能。

　　2）汽車上也用了很多微機電陀螺儀，輔助GPS進行慣性導航。

　　在自動駕駛汽車中，大約採用25至40隻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。特別是在沒有GPS信號的隧道、橋梁或高樓附近，陀螺儀會測量運動的方向和速度，將速度乘以時間獲得運動的距離，實現精確定位導航，並能修正導航線路。這也是目前導航儀和汽車上的標配了。陀螺儀除了導航，還有這些關鍵技術會幫助機器人

　　陀螺儀除了導航，還有這些關鍵技術會幫助機器人之前沃爾沃的自動駕駛汽車定位系統就是由GPS模塊、三軸加速度傳感器和三軸陀螺儀組成，通過結合傳感器得出的360度信息，能夠為車輛提供其位置和與周邊物體的相對位置信息。

　　

　　

　　

　　3）無人機也離不開陀螺儀

　　很簡單一個問題，無人機為什麼不會被風吹翻？無人機飛行首先要保持平衡，那麼沒有飛行員的無人機是怎麼保持平衡的呢？

　　這便是偉大的陀螺儀賦予了無人機平衡感，無人機可以感知自己的姿態，通過自動控制系統就可以像有駕駛員一樣保持平衡。陀螺儀除了導航，還有這些關鍵技術會幫助機器人除了裝在機器本身，同樣也可以裝在雲臺上，令相機穩穩的呆住。

　　

　　陀螺儀除了導航，還有這些關鍵技術會幫助機器人在緊急情況下，無人機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。

　　最關鍵的是無人機為什麼不會飛丟？答案是跟我們路痴一樣。

　　業內普遍認為無人機與航模最大的區別就是擁有飛控（自動駕駛儀）、擁有自主飛行的能力。飛控被看做無人機的核心、也是最有技術含量的部分，其程序與算法被視作絕對機密。然而無人機的導航原理其實並不是那麼高深，跟上文所述汽車用GPS原理類似，就跟我們路痴走路是一樣的。

　　4）手機中無處不在的陀螺儀

　　將用於測量和維持方向的MEMS陀螺儀用在手機上有什麼作用呢？

　　首先，在手機遊戲等遊戲控制裡面，各種體感操作功能的背後都是微機電陀螺儀（MEMS）。相比傳統重力感應器只能感應左右兩個維度的（多軸的重力感應是可以檢測到物體豎直方向的轉動，但角度難判斷）變化，陀螺儀通過對偏轉、傾斜等動作角速度的測量，可以實現用手控制遊戲主角的視野和方向。比如在飛行遊戲中，手機即可作為方向盤控制飛機，只需變換不同角度傾斜手機，飛機就會相應做出上下左右前後的聯動。類似的遊戲主要以競速和模擬駕駛類居多。

　　其次，可以幫助手機攝像頭防抖。在我們按下快門時，陀螺儀測量出手機翻轉的角度，將手抖產生的偏差反饋給圖像處理器，用計算出的結果控制補償鏡片組，對鏡頭的抖動方向以及位移作出補償，實現更清晰的拍照效果。

　　第三，還可協助用戶界面實現動作感應。這也是最常見的功能，比如IOS的動態壁紙，之所以能隨著手機角度調整發生偏移，就是靠陀螺儀檢測完成的。另外，有些手機還能通過前後傾斜手機實現通訊錄的上下滾動，左右傾斜手機實現瀏覽頁面的左右移動或者放大縮小，都是相同的原理。

　　此外，可穿戴式設備（陀螺儀手套助帕金森患者減少手部震抖頻率）、物聯網，甚至現在熱炒的工業4.0，網際網路+上面……，同樣離不開它，只要是需要檢測運動狀態的地方，就有微機電陀螺儀（MEMS）。

　　

　　總結：總的說來，陀螺儀看似不起眼，但實用性卻是非常高的。而目前主流的智能設備，手機、智能汽車、無人機、穿戴式設備，物聯網……只要是需要檢測運動狀態的地方，基本都配備了陀螺儀，只是我們在日常使用中沒有感受到它的作用罷了。

　　隨著人工智慧可實現的功能越來越多，陀螺儀也會配合其他傳感器去完成各種任務，而對於我們用戶來說，當然是坐享其成啦。陀螺儀除了導航，還有這些關鍵技術會幫助機器人

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