陀螺儀的應用與發展

一、調研背景

隨着科學技術的進步，手機已經不再僅僅是一個簡單的通信工具，而是一種具有多元化、智能化的便攜式電子設備。消費者可以使用手機聽音樂、看電影、拍照、看書、玩遊戲、收發郵件等，手機的功能日益強大：通信、娛樂、辦公，無所不能。智能手機已經成為日常生活中必不可少的工具，而讓手機具備這些強大功能的，就是觸摸屏、陀螺儀、加速度傳感器、光線傳感器、重力傳感器等各式各樣的傳感器。

現代的智能手機一個非常大的發展就在於，為了實現人機交互的多樣化與操作動作的直觀性，基於手機自身運動識別的傳感器開始應用於智能手機當中。搖一搖開始尋找好友、運動時記錄步數、刺激的賽車遊戲中把手機當作方向盤來操控，為了實現手機自身運動識別的功能，必須利用陀螺儀、加速度傳感器等運動傳感器，通過感知手機運動過程中的線性加速度、角加速度、運動方向、重力方向等物理量來實現。

二、人類感知

那麼人體是否也有一台類似這樣的機器？答案是肯定的，人體的精密程度並非手機電腦可以比的，人體同樣有芯片，有電路，有各種傳動軸，有發電站等等。在精細的活動中，光有動力和傳動是遠遠不夠的，更重要的就是神經感覺的支配能力。

耳蝸前庭系統傳遞運動和重力感覺。解剖上，它由迷路和前庭核組成，迷路作為特異感受器位於內耳，前庭核在腦幹。有關運動的信息還通過視覺系統和其他感覺系統傳遞，所以，從某種意義上講，前庭系統是運動感覺的一個亞系統。迷路由三個半規管和耳石組成。半規管充滿了內淋巴液，每個半規管有一終帽，像一個由毛細胞組成的子堆，毛細胞的膠質層覆蓋半規管的整個管徑。耳石包括兩類不同朝向的毛細胞，橢圓囊的毛細胞接近於水平朝向（上下重力運動），球囊的則呈垂直朝向（直線加速運動）。毛細胞的頂部覆蓋着一塊耳石，其比重較周圍組織大，任一直線加速都可引起耳石位置的改變。從而使下方細胞伸出的纖毛彎曲。重力持續地在垂直於地面的方向上施加直線勻加速。

三、原理及技術發展迭代

1． 陀螺儀

1.1陀螺儀的原理

陀螺儀，是一種基於角動量守恆原理，用來感測與維持方向的裝置。陀螺儀在工作時要給它一個力，使它快速旋轉起來。然後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，能判斷物體在幸間中的相對位置、方向、角度以及水平的變化作用。最終根據用户的動作輸出相對應的指令。機械結構的陀螺儀主要是由一個位於軸心且可旋轉的轉子構成。陀螺儀一旦開始旋轉，由於轉子的角動量，陀螺儀有抗拒方向改變的趨向。機械陀螺儀的主要部分是一個對旋轉軸以極高角速度旋轉的轉子，轉子裝在一支架內；在通過轉子中心軸上加一內環架，那麼陀螺儀就可環繞飛機兩軸作自由運動；然後，在內環架外加上一外環架；這個陀螺儀有兩個平衡環，可以環繞飛機三軸作自由運動，就是一個完整的太空陀螺儀。

性愈小。而逆動方向可根據逆動性原理取決於施力方向及轉子旋轉方向。

微機電陀螺儀

在智能手機中應用的陀螺儀不是機械陀螺儀，而是微機械（MEMS）陀螺儀。微機械MEMS是英文Micro Electro Mechanical systems的縮寫，即微電子機械系統。它可將機械構件、光學系統、驅動部件、電控系統集成為一個整體單元的微型系統。這種微電子機械系統不僅能夠採集、處理與發送信息或指令，還能夠按照所獲取的信息自主地或根據外部的指令採取行動。傳統的陀螺儀主要是利用角動量守恆原理，因此它主要是一個不停轉動的物體。但是微機械陀螺儀的工作原理不是這樣的，因為要用微機械技術在硅片襯底上加工出一個可轉動的結構並不是一件容易的事。微機械陀螺儀利用科里奧利力——旋轉物體在有徑向運動時所受到的切向力。

如果物體在圓盤上沒有徑向運動，科里奧利力就不會產生。因此，在MEMS陀螺儀的設計上，這個物體被驅動，不停地來回做徑向運動或者震盪，與此對應的科里奧利力就是不停地在橫向來回變化，並有可能使物體在橫向作微小震盪，相位正好與驅動力差90度。MEMS陀螺儀通常有兩個方向的可移動電容板。徑向的電容板加震盪電壓迫使物體作徑向運動，橫向的電容板測量由於橫向科里奧利運動帶來的電容變化。因為科里奧利力正比於角速度，所以由電容的變化可以計算出角速度。

相比於傳統的機械陀螺,MEMS陀螺儀具有成本低、體積小、質量輕、可靠性高、温度漂移小、抗衝擊力強、測量範圍大等優點。三軸MEMS陀螺儀最早由蘋果iPhone 4採用，它能夠分別測量X, Y, Z三個方面的加速度值，X方向值的大小代表手機水平移動，Y方向值的大小代表手機垂直移動，Z方向值的大小代表手機的空間垂直方向，然後把相關的加速度值傳輸給操作系統，通過判斷其大小變化。

四、前沿發展

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傳感器，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

隨着集成光路的發展，可在單塊芯片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芯片上，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。

五、將來的應用與影響

（1）對將來導航、無人駕駛的協助

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，結果把方向導錯了。而陀螺儀能夠在方向和速度改變的瞬間即時測出，從而能讓導航軟件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，從而能讓導航軟件及時的修改導航路線。依靠GPS衞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。

（2）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傳感器，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傳感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。

六、總結

陀螺儀是一種既古老而又很有生命力的儀器，從第一台真正實用的陀螺儀器問世以來已有大半個世紀，但直到現在，陀螺儀仍在吸引着人們對它進行研究，這是由於它本身具有的特性所決定的。