陀螺仪除了导航，还有这些关键技术会帮助机器人-转自人工智能机器人联盟

导语：乍一听，陀螺仪，这么高大上的东西一般不会有人了解，但是相信大多数人应该都听过陀螺，其实它们的原理是相似的。其实，无论是手机导航、运动记步、甚至测出你今天爬了几层楼，VR眼镜真实再现三维世界，无人机进行空中悬停……这些功能的实现都基于设备内部的一个组件——陀螺仪。它的三维定位准不准，偏差是多少？这些都直接影响到我们的生活。

那么，陀螺仪到底是什么东西呢，下面小编就为大家介绍下。

文/蓉蓉

1、陀螺仪的前世今生：陀螺仪是神马东东?

陀螺仪(角速率传感器)，维基百科解释“陀螺仪是一种用来传感与维持方向的装置，基于角动量守恒的理论设计出来的,主要是由一个位于轴心可以旋转的轮子构成。”这句话很好地解释了陀螺仪的作用在于测量和维持方向。陀螺仪分为:压电陀螺仪、微机械陀螺仪、光纤陀螺仪和激光陀螺仪，它们都是电子式的，并且可以和加速度计、磁阻芯片、GPS等，做成惯性导航控制系统。目前，人们普遍认为是1850年法国的物理学家莱昂·傅科（J.Foucault）为了研究地球自转，发明了陀螺仪。那个时代的陀螺仪可以理解成把一个高速旋转的陀螺放到一个万向支架上面，这样因为陀螺在高速旋转时保持稳定，人们就可以通过陀螺的方向来辨认方向，确定姿态，计算角速度。

万向支架可以保证无论怎么转动，陀螺都不会倒，万向支架这个东西最早可以追溯到中国几千年前的香炉。陀螺仪发明以后，首先被用在航海上（当年还没有发明飞机），后来被用在航空上。因为飞机飞在空中，是无法像地面一样靠肉眼辨认方向的，而飞行中方向都看不清楚危险性极高，所以陀螺仪迅速得到了应用，成为飞行仪表的核心。

到了第二次世界大战，各个国家都玩命的制造新式武器，德国人搞了飞弹去炸英国，这是今天导弹的雏形。从德国飞到英国，千里迢迢怎么让飞弹能飞到，还能落到目标呢？

于是，德国人搞出来惯性制导系统。惯性制导系统采用用陀螺仪确定方向和角速度，用加速度计测试加速度，然后通过数学计算，就可以算出飞弹飞行的距离和路线，然后控制飞行姿态，争取让飞弹落到想去的地方。

二战时候，计算机也好，仪器也好，精度都是不太够的，所以德国的飞弹偏差很大，想要炸伦敦，结果炸得到处都是，颇让英国人恐慌了一阵。

不过，从此以后，以陀螺仪为核心的惯性制导系统就被广泛应用于航空航天，今天的导弹里面依然有这套东西。但随着需求的刺激，陀螺仪也在不断进化。

2、陀螺仪的进化

最早的陀螺仪都是机械式的，里面真有高速旋转的陀螺，而机械的东西对加工精度有很高的要求，还怕震动，因此机械陀螺仪为基础的导航系统精度一直都不太高。

于是，人们开始寻找更好的办法。利用物理学上的进步，19世纪80年代，以光导纤维线圈为基础敏感元件的光纤陀螺仪流行起来，它通过光传播的路径变化计算角位移，相较机械陀螺仪寿命长、动态范围大、瞬时启动快、结构简单、尺寸小而轻。同时，激光陀螺仪、微机电陀螺仪等也相继发展出来。

光纤陀螺仪利用的是萨格纳克(Sagnac)效应，通过光传播的特性，测量光程差计算出旋转的角速度，起到陀螺仪的作用，替代陀螺仪的功能。

激光陀螺仪也是通过算光程差计算角速度，替代陀螺仪。最常见的是三轴陀螺仪，就是同时测定6个方向的位置，移动轨迹，加速。单轴的只能测量一个方向的量，也就是一个系统需要三个陀螺仪，而3轴的一个就能替代三个单轴的。3轴的体积小、重量轻、结构简单、可靠性好，是激光陀螺的发展趋势。

微机电陀螺仪则是利用物理学的科里奥利力，在内部产生微小的电容变化，然后测量电容，计算出角速度，替代陀螺仪。iPhone和我们的智能手机里面所用的陀螺仪，就是微机电陀螺仪（MEMS）。

目前，传统上的机械陀螺仪正在被淘汰，有高精度需求的地方用的是激光陀螺仪，而普及方面则是微机电陀螺仪。因为微机电陀螺仪（MEMS）属于微电子产品，发展迅速，而且成本越来越低，所以用途越来越广。智能手机因为有检测动态的需求，于是就用上了微机电陀螺仪（MEMS）。

虽然MEMS的精度并不如光纤和激光陀螺仪，需要参考其他传感器的数据才能实现功能，但其体积小、功耗低、易于数字化和智能化，特别是成本低，易于批量生产，非常适合手机、汽车牵引控制系统、医疗器材这些需要大规模生产的设备。

3、陀螺仪的应用：无处不在的陀螺仪

如果只是用在航空航天和导弹上，那么陀螺仪只能说是高大上的存在，但是因为微机电陀螺仪（MEMS）的出现，低成本的陀螺仪可以用在很多领域。

1）机器人产业也随处可见陀螺仪

不久前，科沃斯独家创新发布DG710陀螺仪规划扫地机器人。该扫地机器人采用创新的陀螺仪（smart move）技术，在工作的时候，每一次的方向改变都是90°转弯，对整个家庭实现等距离“弓”字型打扫，大大地减少了以往扫地机器人的清扫遗漏行为。同时配合植入的“记忆位置信息”的特有算法，DG710经过简单的行走与感知，可以在“脑海”里形成一张家居规划地图，可直接智能弥补漏扫的区域，在提高覆盖率的同时，大大减少清扫的重复性。此外，据日本媒体报道，松下AIS社将陀螺仪与加速度检测器完美组合，于今年7月19日开发出面向机器人及机器人产业用自主机械系统、重型机械等的传感检测模块。该模块可用在姿势检测及位置推算方面。

松下新品搭载了3轴陀螺仪和加速度检测器，检出的所有数据将传至内置处理器进行处理，实现XYZ方向的旋转、直线运动的6轴检测和姿势信息的输出功能。

2）汽车上也用了很多微机电陀螺仪，辅助GPS进行惯性导航。

在自动驾驶汽车中,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。特别是在没有GPS信号的隧道、桥梁或高楼附近，陀螺仪会测量运动的方向和速度，将速度乘以时间获得运动的距离，实现精确定位导航，并能修正导航线路。这也是目前导航仪和汽车上的标配了。

之前沃尔沃的自动驾驶汽车定位系统就是由GPS模块、三轴加速度传感器和三轴陀螺仪组成，通过结合传感器得出的360度信息，能够为车辆提供其位置和与周边物体的相对位置信息。

3）无人机也离不开陀螺仪

很简单一个问题，无人机为什么不会被风吹翻？无人机飞行首先要保持平衡，那么没有飞行员的无人机是怎么保持平衡的呢？

这便是伟大的陀螺仪赋予了无人机平衡感，无人机可以感知自己的姿态，通过自动控制系统就可以像有驾驶员一样保持平衡。除了装在机器本身，同样也可以装在云台上，令相机稳稳的呆住。

在紧急情况下，无人机还可以通过无线电遥控，让操作手像飞行员一样直接驾驶无人机。

最关键的是无人机为什么不会飞丢？答案是跟我们路痴一样。

业内普遍认为无人机与航模最大的区别就是拥有飞控(自动驾驶仪)、拥有自主飞行的能力。飞控被看做无人机的核心、也是最有技术含量的部分，其程序与算法被视作绝对机密。然而无人机的导航原理其实并不是那么高深，跟上文所述汽车用GPS原理类似，就跟我们路痴走路是一样的。无人机首选用GPS卫星定位知道自己在哪里

4）手机中无处不在的陀螺仪

将用于测量和维持方向的MEMS陀螺仪用在手机上有什么作用呢？

首先，在手机游戏等游戏控制里面，各种体感操作功能的背后都是微机电陀螺仪（MEMS）。相比传统重力感应器只能感应左右两个维度的（多轴的重力感应是可以检测到物体竖直方向的转动，但角度难判断）变化，陀螺仪通过对偏转、倾斜等动作角速度的测量，可以实现用手控制游戏主角的视野和方向。比如在飞行游戏中，手机即可作为方向盘控制飞机，只需变换不同角度倾斜手机，飞机就会相应做出上下左右前后的联动。类似的游戏主要以竞速和模拟驾驶类居多。

其次，可以帮助手机摄像头防抖。在我们按下快门时，陀螺仪测量出手机翻转的角度，将手抖产生的偏差反馈给图像处理器，用计算出的结果控制补偿镜片组，对镜头的抖动方向以及位移作出补偿，实现更清晰的拍照效果。

第三，还可协助用户界面实现动作感应。这也是最常见的功能，比如IOS的动态壁纸，之所以能随着手机角度调整发生偏移，就是靠陀螺仪检测完成的。另外，有些手机还能通过前后倾斜手机实现通讯录的上下滚动，左右倾斜手机实现浏览页面的左右移动或者放大缩小，都是相同的原理。

此外，可穿戴式设备（陀螺仪手套助帕金森患者减少手部震抖频率）、物联网，甚至现在热炒的工业4.0，互联网+上面……，同样离不开它，只要是需要检测运动状态的地方，就有微机电陀螺仪（MEMS）。

总结：总的说来，陀螺仪看似不起眼，但实用性却是非常高的。而目前主流的智能设备，手机、智能汽车、无人机、穿戴式设备，物联网……只要是需要检测运动状态的地方,基本都配备了陀螺仪，只是我们在日常使用中没有感受到它的作用罢了。

随着人工智能可实现的功能越来越多，陀螺仪也会配合其他传感器去完成各种任务，而对于我们用户来说，当然是坐享其成啦。原创声明：本文属中国人工智能机器人产业联盟（CAIA）原创专稿，转载请注明来源、出处，如转载后恶意删除或篡改文章来源者，一经发现，CAIA将保留追究法律责任的权利。