前文我們大致了解陀螺儀的來(lái)歷，原理和種類(lèi)，那么，它與我們的日常生活有怎樣的關(guān)系呢？

陀螺儀器最早是用于航海導(dǎo)航，但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，它在航空和航天事業(yè)中也得到廣泛的應(yīng)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(dòng)控制系統(tǒng)中的一個(gè)敏感元件，即可作為信號(hào)傳感器。

根據(jù)需要，陀螺儀器能提供準(zhǔn)確的方位、水平、位置、速度和加速度等信號(hào)，以便駕駛員或用自動(dòng)導(dǎo)航儀來(lái)控制飛機(jī)、艦船或航天飛機(jī)等航行體按一定的航線(xiàn)飛行，而在導(dǎo)彈、衛(wèi)星運(yùn)載器或空間探測(cè)火箭等航行體的制導(dǎo)中，則直接利用這些信號(hào)完成航行體的姿態(tài)控制和軌道控制。

作為穩(wěn)定器，陀螺儀器能使列車(chē)在單軌上行駛，能減小船舶在風(fēng)浪中的搖擺，能使安裝在飛機(jī)或衛(wèi)星上的照相機(jī)相對(duì)地面穩(wěn)定等等。作為精密測(cè)試儀器，陀螺儀器能夠?yàn)榈孛嬖O(shè)施、礦山隧道、地下鐵路、石油鉆探以及導(dǎo)彈發(fā)射井等提供準(zhǔn)確的方位基準(zhǔn)。

陀螺儀器的應(yīng)用范圍是相當(dāng)廣泛的，它在現(xiàn)代化的國(guó)防建設(shè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中均占重要的地位。

陀螺儀在航空飛行領(lǐng)域的應(yīng)用

由于各種電子設(shè)備和電腦控制的高科技發(fā)展，各種現(xiàn)代飛機(jī)的設(shè)計(jì)大多數(shù)都是靜不穩(wěn)定的，必須利用電子設(shè)備和電腦來(lái)輔助控制來(lái)使飛機(jī)取得良好的飛行控制。

這種飛機(jī)單純依靠飛行員手指來(lái)控制難度會(huì)加大。飛機(jī)雖然仍能飛行，但是會(huì)出現(xiàn)不同程度的搖晃不定，總是處于一種不穩(wěn)定的飛行狀態(tài)。有時(shí)重心設(shè)定的不太準(zhǔn)確，稍微有差別，也會(huì)使飛機(jī)飛行不太穩(wěn)定。

空中有各種亂流，也會(huì)使飛機(jī)飛行不夠穩(wěn)定，這時(shí)就使用陀螺儀增穩(wěn)，飛機(jī)就會(huì)一直平穩(wěn)的飛行，讓飛行員感覺(jué)更容易操控飛機(jī)，做出各種動(dòng)作也更加標(biāo)準(zhǔn)。

陀螺儀讓飛行員感覺(jué)最明顯的是降落的時(shí)候，而最需要陀螺儀幫助的也是飛機(jī)的降落。因?yàn)榻德涞娘w機(jī)由于速度較慢，臨近失速點(diǎn)，這時(shí)更容易受風(fēng)的影響而導(dǎo)致機(jī)翼上下晃動(dòng)，這時(shí)就要不斷的用手指去調(diào)整飛機(jī)姿態(tài)使其保持水平不變而逐步下降高度，很多新手飛行員有時(shí)修正過(guò)多，飛機(jī)就會(huì)產(chǎn)生更大的晃動(dòng)，很容易進(jìn)入失速而導(dǎo)致降落失敗。

但是如果將陀螺儀打開(kāi)增穩(wěn)狀態(tài)，由于陀螺儀的傳感器非常敏感，機(jī)翼稍微有輕微下壓，陀螺儀立即發(fā)出指令讓打副翼讓飛機(jī)回平，這個(gè)過(guò)程發(fā)生的很快，以至于你都可能看不到機(jī)翼下壓就已經(jīng)被陀螺儀修正了。所以你將會(huì)看到飛機(jī)總是非常平穩(wěn)的保持水平不變而逐步下降高度，對(duì)飛行員有很大的幫助。

對(duì)戰(zhàn)斗機(jī)飛行員來(lái)說(shuō)，陀螺儀的鎖定功能將會(huì)大大的增加飛行樂(lè)趣。比如在戰(zhàn)機(jī)超低空倒飛通場(chǎng)情況下，飛機(jī)性能較好或者調(diào)整得當(dāng)時(shí)，通常在正飛狀態(tài)下，即使不動(dòng)升降舵飛機(jī)也能保持正飛。但是飛機(jī)倒飛時(shí)通常要稍微推升降舵才能保持倒飛，如果不是技術(shù)極其高超，手指很難保持推舵的舵量不變使飛機(jī)在倒飛狀態(tài)下保持飛機(jī)一直在同一直線(xiàn)倒飛。

這就是為什么大多數(shù)人敢做超低空正飛通常而不敢做超低空倒飛通場(chǎng)，或者正飛通場(chǎng)敢做的很低而倒飛通常不敢做的很低，因?yàn)檎w的時(shí)候手指可以不動(dòng)升降舵飛機(jī)都能保持直線(xiàn)飛行，而倒飛的時(shí)候手指要一直推著舵面，飛機(jī)速度快且高度低，手指稍微移動(dòng)就可能觸地炸雞。這是使用陀螺儀的鎖定狀態(tài)，就變得非常容易了。

因?yàn)樵诘癸w狀態(tài)下，陀螺儀會(huì)自動(dòng)鎖定倒飛的姿態(tài)，升降舵操縱桿回中不動(dòng)，陀螺儀都會(huì)自動(dòng)將飛機(jī)一直保持直線(xiàn)倒飛狀態(tài)，而不用擔(dān)心手指推舵的舵量是否準(zhǔn)確。那么你就可以放心的在跑道遠(yuǎn)端操控飛機(jī)進(jìn)入超低空倒飛通場(chǎng)狀態(tài)，然后可以不用怎么操控，飛機(jī)也能一直保持超低空倒飛通場(chǎng)了。?

陀螺儀在車(chē)載導(dǎo)航設(shè)備中的應(yīng)用

車(chē)載導(dǎo)航是通過(guò)接受GPS衛(wèi)星信號(hào)定位成功后，確定目標(biāo)再根據(jù)導(dǎo)航軟件自帶數(shù)據(jù)庫(kù)規(guī)劃路線(xiàn)，然后進(jìn)行導(dǎo)航。因?yàn)镚PS需要車(chē)載導(dǎo)航系統(tǒng)在同步衛(wèi)星的直接視線(xiàn)之內(nèi)才能工作，所以隧道、橋梁、或是高層建筑物都會(huì)擋住這直接視線(xiàn)，使得導(dǎo)航系統(tǒng)無(wú)法工作。

再者，導(dǎo)航系統(tǒng)是利用三角、幾何的法則來(lái)計(jì)算汽車(chē)位置的，所以汽車(chē)至少要同時(shí)在三個(gè)同步衛(wèi)星的視線(xiàn)之下，才能確定位置。在導(dǎo)航系統(tǒng)直接視線(xiàn)范圍內(nèi)的同步衛(wèi)星越多，定位就越準(zhǔn)確。

當(dāng)然，大多數(shù)的同步衛(wèi)星都是在人口密集的大都市的上空，所以當(dāng)你遠(yuǎn)離城區(qū)時(shí)，導(dǎo)航系統(tǒng)的效果就不會(huì)太好了甚至根本就不能工作。這就是所謂的“導(dǎo)航盲區(qū)”。

針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，有導(dǎo)航廠商尋找到了解決之道，而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)導(dǎo)航的奧妙在于一個(gè)小東西——陀螺儀。

當(dāng)陀螺儀應(yīng)用到車(chē)載導(dǎo)航上，便大幅度提升了導(dǎo)航的精準(zhǔn)度，它的作用體現(xiàn)在：

1、陀螺儀能在GPS信號(hào)不好時(shí)能繼續(xù)發(fā)揮導(dǎo)航的作用并修正GPS定位不準(zhǔn)的問(wèn)題

在GPS信號(hào)不好時(shí)，陀螺儀可根據(jù)已獲知的方位、方向和速度來(lái)繼續(xù)進(jìn)行精確導(dǎo)航，這也是慣性導(dǎo)航技術(shù)的基本原理。同時(shí)也可修正GPS信號(hào)不好時(shí)定位偏差過(guò)大的問(wèn)題。

2、陀螺儀能比GPS提供更靈敏準(zhǔn)確的方向和速度

GPS是無(wú)法即時(shí)發(fā)現(xiàn)車(chē)子速度和方向的改變的，要等跑了一段距離之后才能測(cè)出，因此當(dāng)你車(chē)子在非導(dǎo)航情況下轉(zhuǎn)變了方向后，就會(huì)出現(xiàn)小陳那樣的狀況，導(dǎo)航就無(wú)法辨識(shí)你車(chē)子的轉(zhuǎn)向，結(jié)果把方向?qū)уe(cuò)了。而陀螺儀能夠在方向和速度改變的瞬間即時(shí)測(cè)出，從而能讓導(dǎo)航軟件及時(shí)的修改導(dǎo)航路線(xiàn)

3、陀螺儀在上立交橋時(shí)更靈敏準(zhǔn)確的識(shí)別

民用GPS的精度是無(wú)法識(shí)別上沒(méi)上立交橋的，而陀螺儀卻可測(cè)出車(chē)子是否向上移動(dòng)了，從而能讓導(dǎo)航軟件及時(shí)的修改導(dǎo)航路線(xiàn)。依靠GPS衛(wèi)星的信號(hào)導(dǎo)航和陀螺儀的慣性導(dǎo)航，有效提高了導(dǎo)航精準(zhǔn)度，即使在失去GPS信號(hào)后，系統(tǒng)仍能通過(guò)自主推算來(lái)繼續(xù)導(dǎo)航，為車(chē)主提供準(zhǔn)確的行駛指示。

陀螺儀在無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

無(wú)人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)是其最主要的組成部分之一，而姿態(tài)的穩(wěn)定控制，則是對(duì)無(wú)人機(jī)順利執(zhí)行各項(xiàng)任務(wù)的有效方法。在目前的無(wú)人機(jī)實(shí)際制造與應(yīng)用中，有的無(wú)人機(jī)產(chǎn)品是基于三軸陀螺儀和傾角傳感器，來(lái)構(gòu)成全姿態(tài)增穩(wěn)控制系統(tǒng)的。

無(wú)人機(jī)姿態(tài)增穩(wěn)控制屬于內(nèi)回路控制，它包括姿態(tài)保持與控制、速度控制等模式。內(nèi)回路控制是在以三軸陀螺儀和傾角傳感器獲取無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)升降舵、方向舵的控制，完成飛行姿態(tài)的穩(wěn)定與控制。

其中，三軸陀螺儀主要用來(lái)測(cè)量無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中俯仰角、橫滾角和偏航角的角速度，并根據(jù)角速度積分計(jì)算角度的改變。而一般采用雙軸傾角傳感器，與三軸陀螺儀構(gòu)成全姿態(tài)增穩(wěn)控制回路。

陀螺儀測(cè)量得到的角速度信息用作增穩(wěn)反饋控制，使飛機(jī)操縱起來(lái)變的更“遲鈍”一些，從而利用傾角傳感器測(cè)得飛機(jī)橫滾角和俯仰角。然后將陀螺儀測(cè)得的角速率信息和傾角傳感器測(cè)得的姿態(tài)角進(jìn)行捷聯(lián)運(yùn)算，得到融合后的姿態(tài)信息。這種較為復(fù)雜的捷聯(lián)算法，能夠使姿態(tài)精度得到很大提高。

陀螺儀在照相/攝相領(lǐng)域的應(yīng)用

當(dāng)我們拍視頻或拍照時(shí)，有沒(méi)有相過(guò)，通過(guò)一種裝置，保證你的“相機(jī)”固定在同一位置，無(wú)論你的手怎么歪斜，身體怎么抖，他都能保持手機(jī)的相對(duì)穩(wěn)定。我們都知道，只有當(dāng)手機(jī)或攝像機(jī)相對(duì)“穩(wěn)定”我們才能拍出精美的畫(huà)面或視頻。而能夠讓“穩(wěn)拍器”始終保持穩(wěn)定的核心秘密就是“加速度和陀螺儀”傳感器。

為什么說(shuō)“加速度和陀螺儀”傳感器是自拍神器的核心秘密呢？因?yàn)榉€(wěn)拍器的核心就是對(duì)“相機(jī)”姿態(tài)的檢測(cè)，然后根據(jù)“相機(jī)”的姿態(tài)變化實(shí)時(shí)的控制與“相機(jī)”連接的電機(jī)做相應(yīng)動(dòng)作，只要電機(jī)控制的夠快，就能保證“相機(jī)”始終穩(wěn)定在固定位置。不管你的手左右晃動(dòng)還是上下晃動(dòng)，在穩(wěn)拍神器的控制下你的“相機(jī)”就會(huì)雷打不動(dòng)，從而拍出穩(wěn)定的照片和畫(huà)面。?

穩(wěn)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傳感器工作部分。

它將“攝像設(shè)備”的姿態(tài)反饋給中心MCU處理單元，中央MCU單元根據(jù)檢測(cè)到的“攝像設(shè)備”的姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)情況，去控制電機(jī)做相應(yīng)的動(dòng)作，電機(jī)動(dòng)作使“攝像設(shè)備”保持穩(wěn)雷打不動(dòng)的狀態(tài)，這樣拍出來(lái)的照片才更清楚，錄制的錄像才更穩(wěn)定。?

陀螺儀在智能手機(jī)中的應(yīng)用?

陀螺儀的使用距離我們最近的就是我們的手機(jī)，陀螺儀在手機(jī)中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1、導(dǎo)航。

陀螺儀自被發(fā)明開(kāi)始，就用于導(dǎo)航，先是德國(guó)人將其應(yīng)用在V1、V2火箭上，因此，如果配合GPS，手機(jī)的導(dǎo)航能力將達(dá)到前所未有的水準(zhǔn)。

實(shí)際上，很多專(zhuān)業(yè)手持式GPS上也裝了陀螺儀，如果手機(jī)上安裝了相應(yīng)的軟件，導(dǎo)航能力絕不亞于很多船舶、飛機(jī)上用的導(dǎo)航儀。

還可以實(shí)現(xiàn)GPS的慣性導(dǎo)航：當(dāng)汽車(chē)行駛到隧道或城市高大建筑物附近，沒(méi)有GPS訊號(hào)時(shí)，可以通過(guò)陀螺儀來(lái)測(cè)量汽車(chē)的偏航或直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)位移，從而繼續(xù)導(dǎo)航。

2、可以和手機(jī)上的攝像頭配合使用，比如防抖，在拍照時(shí)的維持圖像的穩(wěn)定，防止由于手的抖動(dòng)對(duì)拍照質(zhì)量的影響。在按下快門(mén)時(shí)，記錄手的抖動(dòng)動(dòng)作，將手的抖動(dòng)反饋給圖像處理器，可以讓手機(jī)捕捉到更清晰穩(wěn)定的畫(huà)面。

3、各類(lèi)游戲的傳感器，比如飛行游戲，體育類(lèi)游戲，甚至包括一些第一視角類(lèi)射擊游戲，陀螺儀完整監(jiān)測(cè)游戲者手的位移，從而實(shí)現(xiàn)各種游戲操作效果。有關(guān)這點(diǎn)，想必用過(guò)任天堂WII的網(wǎng)友會(huì)有很深的感受。

4、可以用作輸入設(shè)備，陀螺儀相當(dāng)于一個(gè)立體的鼠標(biāo)，這個(gè)功能和第三大用途中的游戲傳感器很類(lèi)似，甚至可以認(rèn)為是一種類(lèi)型。通過(guò)小幅度的傾斜，偏轉(zhuǎn)手機(jī)，實(shí)現(xiàn)菜單，目錄的選擇和操作的執(zhí)行。(比如前后傾斜手機(jī)，實(shí)現(xiàn)通訊錄條目的上下滾動(dòng);左右傾斜手機(jī)，實(shí)現(xiàn)瀏覽頁(yè)面的左右移動(dòng)或者頁(yè)面的放大或縮小。

5、也是未來(lái)最有前景和應(yīng)用范圍的用途。那就是可以幫助手機(jī)實(shí)現(xiàn)很多增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的功能。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是才冒出的概念，和虛擬現(xiàn)實(shí)一樣，是計(jì)算機(jī)的一種應(yīng)用。大意是可以通過(guò)手機(jī)或者電腦的處理能力，讓人們對(duì)現(xiàn)實(shí)中的一些物體有更深入的了解。

如果大家不理解，舉個(gè)例子，前面有一個(gè)大樓，用手機(jī)攝像頭對(duì)準(zhǔn)它，馬上就可以在屏幕上得到這座大樓的相關(guān)參數(shù)，比如樓的高度，寬度，海拔，如果連接到數(shù)據(jù)庫(kù)，甚至可以得到這座大廈的物主、建設(shè)時(shí)間、現(xiàn)在的用途、可容納的人數(shù)等。

陀螺儀最新技術(shù)簡(jiǎn)介和發(fā)展趨勢(shì)

目前，陀螺儀技術(shù)正在由傳統(tǒng)的機(jī)械轉(zhuǎn)子陀螺向以光學(xué)陀螺儀為代表的新型陀螺儀轉(zhuǎn)變，下面再簡(jiǎn)要介紹幾種處在技術(shù)領(lǐng)域前沿的新型陀螺儀技術(shù)，希望能夠幫助讀者開(kāi)闊視野，了解到國(guó)外陀螺儀技術(shù)的最新發(fā)展。

氦-氖環(huán)形激光陀螺儀

相比傳統(tǒng)的機(jī)械式轉(zhuǎn)子陀螺儀，主要優(yōu)點(diǎn)是無(wú)機(jī)械轉(zhuǎn)子，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單（少于20個(gè)部件），抗振動(dòng)性能好，啟動(dòng)快，可靠性高，數(shù)字輸出。

此外，一些研究人員還提出用固態(tài)增益介質(zhì)替換氦-氖氣體，能夠使陀螺儀的工作壽命更長(zhǎng)、成本更低和制造更簡(jiǎn)單，這種陀螺也被稱(chēng)為固態(tài)環(huán)形激光陀螺儀（固態(tài)RLG）。

目前，基于氦-氖環(huán)形激光陀螺儀的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在航空和航海導(dǎo)航、戰(zhàn)略導(dǎo)彈的導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制領(lǐng)域，成為主要的高性能陀螺儀之一。?

光纖陀螺儀

從20世紀(jì)60年代開(kāi)始，美國(guó)海軍研究辦公室希望發(fā)展一種比氦-氖環(huán)形激光陀螺儀的成本更低、制造流程更簡(jiǎn)單、精度更高的光纖角速度傳感器，也就是俗稱(chēng)的光纖陀螺。

目前，最為常見(jiàn)的光纖陀螺儀是相敏光纖陀螺儀，通過(guò)測(cè)量在一個(gè)光纖線(xiàn)圈中的兩束反向傳播光束的相移以敏感載體轉(zhuǎn)動(dòng)，從而計(jì)算出其角速率。

因此，光纖陀螺儀的精度主要取決于其采用的光纖種類(lèi)和光電檢測(cè)系統(tǒng)，偏值一般處于0.001度/時(shí)-0.0002度/時(shí)之間?，F(xiàn)在，光纖陀螺儀已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于魚(yú)雷、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、潛艇和航天器等。

集成光學(xué)陀螺儀

隨著集成光路的發(fā)展，可在單塊芯片上實(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜的功能，可以將幾毫米直徑的集成環(huán)形腔激光器、光電檢測(cè)電路都集成在同一芯片上，作為集成光學(xué)陀螺儀的敏感元件，這樣可以大大減小現(xiàn)有光學(xué)陀螺儀的質(zhì)量和尺寸，降低成本和功耗，更好地控制熱效應(yīng)，增加可靠性，因此利用集成光學(xué)技術(shù)制造的光學(xué)陀螺儀具有良好的發(fā)展前景。

目前，圍繞著集成環(huán)形腔激光器已經(jīng)展開(kāi)了廣泛的研究，但是關(guān)鍵技術(shù)還有待突破。

此外，包括核磁諧振和超流體等的尖端技術(shù)也已經(jīng)得到了驗(yàn)證，未來(lái)也將在新型陀螺儀上得到應(yīng)用。

審核編輯：劉清