陀螺儀除了導航，還有這些關(guān)鍵技術(shù)會幫助機器人

　　乍一聽，陀螺儀，這么高大上的東西一般不會有人了解，但是相信大多數(shù)人應(yīng)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(xiàn)三維世界，無人機進行空中懸?！@些功能的實現(xiàn)都基于設(shè)備內(nèi)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，基于角動量守恒的理論設(shè)計出來的，主要是由一個位于軸心可以旋轉(zhuǎn)的輪子構(gòu)成?！边@句話很好地解釋了陀螺儀的作用在于測量和維持方向。陀螺儀分為：壓電陀螺儀、微機械陀螺儀、光纖陀螺儀和激光陀螺儀，它們都是電子式的，并且可以和加速度計、磁阻芯片、GPS等，做成慣性導航控制系統(tǒng)。陀螺儀除了導航，還有這些關(guān)鍵技術(shù)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(zhuǎn)，發(fā)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(zhuǎn)的陀螺放到一個萬向支架上面，這樣因為陀螺在高速旋轉(zhuǎn)時保持穩(wěn)定，人們就可以通過陀螺的方向來辨認方向，確定姿態(tài)，計算角速度。

　　萬向支架可以保證無論怎么轉(zhuǎn)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(guān)鍵技術(shù)會幫助機器人陀螺儀發(fā)明以后，首先被用在航海上（當年還沒有發(fā)明飛機），后來被用在航空上。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(yīng)用，成為飛行儀表的核心。

　　到了第二次世界大戰(zhàn)，各個國家都玩命的制造新式武器，德國人搞了飛彈去炸英國，這是今天導彈的雛形。從德國飛到英國，千里迢迢怎么讓飛彈能飛到，還能落到目標呢？

　　于是，德國人搞出來慣性制導系統(tǒng)。慣性制導系統(tǒng)采用用陀螺儀確定方向和角速度，用加速度計測試加速度，然后通過數(shù)學計算，就可以算出飛彈飛行的距離和路線，然后控制飛行姿態(tài)，爭取讓飛彈落到想去的地方。

　　二戰(zhàn)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(jié)果炸得到處都是，頗讓英國人恐慌了一陣。

　　不過，從此以后，以陀螺儀為核心的慣性制導系統(tǒng)就被廣泛應(yīng)用于航空航天，今天的導彈里面依然有這套東西。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，里面真有高速旋轉(zhuǎn)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(chǔ)的導航系統(tǒng)精度一直都不太高。

　　于是，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(chǔ)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(tài)范圍大、瞬時啟動快、結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小而輕。同時，激光陀螺儀、微機電陀螺儀等也相繼發(fā)展出來。

　　光纖陀螺儀利用的是薩格納克（Sagnac）效應(yīng)，通過光傳播的特性，測量光程差計算出旋轉(zhuǎn)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(guān)鍵技術(shù)會幫助機器人激光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(tǒng)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(jié)構(gòu)簡單、可靠性好，是激光陀螺的發(fā)展趨勢。

　　微機電陀螺儀則是利用物理學的科里奧利力，在內(nèi)部產(chǎn)生微小的電容變化，然后測量電容，計算出角速度，替代陀螺儀。iPhone和我們的智能手機里面所用的陀螺儀，就是微機電陀螺儀（MEMS）。

　　目前，傳統(tǒng)上的機械陀螺儀正在被淘汰，有高精度需求的地方用的是激光陀螺儀，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(guān)鍵技術(shù)會幫助機器人因為微機電陀螺儀（MEMS）屬于微電子產(chǎn)品，發(fā)展迅速，而且成本越來越低，所以用途越來越廣。智能手機因為有檢測動態(tài)的需求，于是就用上了微機電陀螺儀（MEMS）。

　　雖然MEMS的精度并不如光纖和激光陀螺儀，需要參考其他傳感器的數(shù)據(jù)才能實現(xiàn)功能，但其體積小、功耗低、易于數(shù)字化和智能化，特別是成本低，易于批量生產(chǎn)，非常適合手機、汽車牽引控制系統(tǒng)、醫(yī)療器材這些需要大規(guī)模生產(chǎn)的設(shè)備。

　　3、陀螺儀的應(yīng)用：無處不在的陀螺儀

　　如果只是用在航空航天和導彈上，那么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(xiàn)，低成本的陀螺儀可以用在很多領(lǐng)域。

　　1）機器人產(chǎn)業(yè)也隨處可見陀螺儀

　　不久前，科沃斯獨家創(chuàng)新發(fā)布DG710陀螺儀規(guī)劃掃地機器人。該掃地機器人采用創(chuàng)新的陀螺儀（smartmove）技術(shù)，在工作的時候，每一次的方向改變都是90°轉(zhuǎn)彎，對整個家庭實現(xiàn)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(jīng)過簡單的行走與感知，可以在“腦?！崩镄纬梢粡埣揖右?guī)劃地圖，可直接智能彌補漏掃的區(qū)域，在提高覆蓋率的同時，大大減少清掃的重復性。陀螺儀除了導航，還有這些關(guān)鍵技術(shù)會幫助機器人此外，據(jù)日本媒體報道，松下AIS社將陀螺儀與加速度檢測器完美組合，于今年7月19日開發(fā)出面向機器人及機器人產(chǎn)業(yè)用自主機械系統(tǒng)、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(shù)據(jù)將傳至內(nèi)置處理器進行處理，實現(xiàn)XYZ方向的旋轉(zhuǎn)、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(tài)，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(xiàn)精確定位導航，并能修正導航線路。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(guān)鍵技術(shù)會幫助機器人

　　陀螺儀除了導航，還有這些關(guān)鍵技術(shù)會幫助機器人之前沃爾沃的自動駕駛汽車定位系統(tǒng)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(jié)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，無人機為什么不會被風吹翻？無人機飛行首先要保持平衡，那么沒有飛行員的無人機是怎么保持平衡的呢？

　　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(tài)，通過自動控制系統(tǒng)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(guān)鍵技術(shù)會幫助機器人除了裝在機器本身，同樣也可以裝在云臺上，令相機穩(wěn)穩(wěn)的呆住。

　　陀螺儀除了導航，還有這些關(guān)鍵技術(shù)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(guān)鍵的是無人機為什么不會飛丟？答案是跟我們路癡一樣。

　　業(yè)內(nèi)普遍認為無人機與航模最大的區(qū)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(shù)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并不是那么高深，跟上文所述汽車用GPS原理類似，就跟我們路癡走路是一樣的。

　　4）手機中無處不在的陀螺儀

　　將用于測量和維持方向的MEMS陀螺儀用在手機上有什么作用呢？

　　首先，在手機游戲等游戲控制里面，各種體感操作功能的背后都是微機電陀螺儀（MEMS）。相比傳統(tǒng)重力感應(yīng)器只能感應(yīng)左右兩個維度的（多軸的重力感應(yīng)是可以檢測到物體豎直方向的轉(zhuǎn)動，但角度難判斷）變化，陀螺儀通過對偏轉(zhuǎn)、傾斜等動作角速度的測量，可以實現(xiàn)用手控制游戲主角的視野和方向。比如在飛行游戲中，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(yīng)做出上下左右前后的聯(lián)動。類似的游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(zhuǎn)的角度，將手抖產(chǎn)生的偏差反饋給圖像處理器，用計算出的結(jié)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(xiàn)更清晰的拍照效果。

　　第三，還可協(xié)助用戶界面實現(xiàn)動作感應(yīng)。這也是最常見的功能，比如IOS的動態(tài)壁紙，之所以能隨著手機角度調(diào)整發(fā)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后傾斜手機實現(xiàn)通訊錄的上下滾動，左右傾斜手機實現(xiàn)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(shè)備（陀螺儀手套助帕金森患者減少手部震抖頻率）、物聯(lián)網(wǎng)，甚至現(xiàn)在熱炒的工業(yè)4.0，互聯(lián)網(wǎng)+上面……，同樣離不開它，只要是需要檢測運動狀態(tài)的地方，就有微機電陀螺儀（MEMS）。

　　總結(jié)：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(shè)備，手機、智能汽車、無人機、穿戴式設(shè)備，物聯(lián)網(wǎng)……只要是需要檢測運動狀態(tài)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。

　　隨著人工智能可實現(xiàn)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(wù)，而對于我們用戶來說，當然是坐享其成啦。陀螺儀除了導航，還有這些關(guān)鍵技術(shù)會幫助機器人