一文读懂角速度传感器（陀螺仪）的应用场景

文 | 传感器技术（WW_CGQJS）

前文我们大致了解陀螺仪的来历，原理和种类，那么，它与我们的日常生活有怎样的关系呢？

陀螺仪器最早是用于航海导航，但随着科学技术的发展，它在航空和航天事业中也得到广泛的应用。陀螺仪器不仅可以作为指示仪表，而更重要的是它可以作为自动控制系统中的一个敏感元件，即可作为信号传感器。

根据需要，陀螺仪器能提供准确的方位、水平、位置、速度和加速度等信号，以便驾驶员或用自动导航仪来控制飞机、舰船或航天飞机等航行体按一定的航线飞行，而在导弹、卫星运载器或空间探测火箭等航行体的制导中，则直接利用这些信号完成航行体的姿态控制和轨道控制。

作为稳定器，陀螺仪器能使列车在单轨上行驶，能减小船舶在风浪中的摇摆，能使安装在飞机或卫星上的照相机相对地面稳定等等。作为精密测试仪器，陀螺仪器能够为地面设施、矿山隧道、地下铁路、石油钻探以及导弹发射井等提供准确的方位基准。

陀螺仪器的应用范围是相当广泛的，它在现代化的国防建设和国民经济建设中均占重要的地位。

陀螺仪在航空飞行领域的应用

由于各种电子设备和电脑控制的高科技发展，各种现代飞机的设计大多数都是静不稳定的，必须利用电子设备和电脑来辅助控制来使飞机取得良好的飞行控制。

这种飞机单纯依靠飞行员手指来控制难度会加大。飞机虽然仍能飞行，但是会出现不同程度的摇晃不定，总是处于一种不稳定的飞行状态。有时重心设定的不太准确，稍微有差别，也会使飞机飞行不太稳定。

空中有各种乱流，也会使飞机飞行不够稳定，这时就使用陀螺仪增稳，飞机就会一直平稳的飞行，让飞行员感觉更容易操控飞机，做出各种动作也更加标准。

陀螺仪让飞行员感觉最明显的是降落的时候，而最需要陀螺仪帮助的也是飞机的降落。因为降落的飞机由于速度较慢，临近失速点，这时更容易受风的影响而导致机翼上下晃动，这时就要不断的用手指去调整飞机姿态使其保持水平不变而逐步下降高度，很多新手飞行员有时修正过多，飞机就会产生更大的晃动，很容易进入失速而导致降落失败。

但是如果将陀螺仪打开增稳状态，由于陀螺仪的传感器非常敏感，机翼稍微有轻微下压，陀螺仪立即发出指令让打副翼让飞机回平，这个过程发生的很快，以至于你都可能看不到机翼下压就已经被陀螺仪修正了。所以你将会看到飞机总是非常平稳的保持水平不变而逐步下降高度，对飞行员有很大的帮助。

对战斗机飞行员来说，陀螺仪的锁定功能将会大大的增加飞行乐趣。比如在战机超低空倒飞通场情况下，飞机性能较好或者调整得当时，通常在正飞状态下，即使不动升降舵飞机也能保持正飞。但是飞机倒飞时通常要稍微推升降舵才能保持倒飞，如果不是技术极其高超，手指很难保持推舵的舵量不变使飞机在倒飞状态下保持飞机一直在同一直线倒飞。

这就是为什么大多数人敢做超低空正飞通常而不敢做超低空倒飞通场，或者正飞通场敢做的很低而倒飞通常不敢做的很低，因为正飞的时候手指可以不动升降舵飞机都能保持直线飞行，而倒飞的时候手指要一直推着舵面，飞机速度快且高度低，手指稍微移动就可能触地炸鸡。这是使用陀螺仪的锁定状态，就变得非常容易了。

因为在倒飞状态下，陀螺仪会自动锁定倒飞的姿态，升降舵操纵杆回中不动，陀螺仪都会自动将飞机一直保持直线倒飞状态，而不用担心手指推舵的舵量是否准确。那么你就可以放心的在跑道远端操控飞机进入超低空倒飞通场状态，然后可以不用怎么操控，飞机也能一直保持超低空倒飞通场了。 

陀螺仪在车载导航设备中的应用

车载导航是通过接受GPS卫星信号定位成功后，确定目标再根据导航软件自带数据库规划路线，然后进行导航。因为GPS需要车载导航系统在同步卫星的直接视线之内才能工作，所以隧道、桥梁、或是高层建筑物都会挡住这直接视线，使得导航系统无法工作。

再者，导航系统是利用三角、几何的法则来计算汽车位置的，所以汽车至少要同时在三个同步卫星的视线之下，才能确定位置。在导航系统直接视线范围内的同步卫星越多，定位就越准确。

当然，大多数的同步卫星都是在人口密集的大都市的上空，所以当你远离城区时，导航系统的效果就不会太好了甚至根本就不能工作。这就是所谓的“导航盲区”。

针对这个问题，有导航厂商寻找到了解决之道，而实现精准导航的奥妙在于一个小东西——陀螺仪。

当陀螺仪应用到车载导航上，便大幅度提升了导航的精准度，它的作用体现在：

1、陀螺仪能在GPS信号不好时能继续发挥导航的作用并修正GPS定位不准的问题

在GPS信号不好时，陀螺仪可根据已获知的方位、方向和速度来继续进行精确导航，这也是惯性导航技术的基本原理。同时也可修正GPS信号不好时定位偏差过大的问题。

2、陀螺仪能比GPS提供更灵敏准确的方向和速度

GPS是无法即时发现车子速度和方向的改变的，要等跑了一段距离之后才能测出，因此当你车子在非导航情况下转变了方向后，就会出现小陈那样的状况，导航就无法辨识你车子的转向，结果把方向导错了。而陀螺仪能够在方向和速度改变的瞬间即时测出，从而能让导航软件及时的修改导航路线

3、陀螺仪在上立交桥时更灵敏准确的识别

民用GPS的精度是无法识别上没上立交桥的，而陀螺仪却可测出车子是否向上移动了，从而能让导航软件及时的修改导航路线。依靠GPS卫星的信号导航和陀螺仪的惯性导航，有效提高了导航精准度，即使在失去GPS信号后，系统仍能通过自主推算来继续导航，为车主提供准确的行驶指示。

陀螺仪在无人机飞行控制系统中的应用

无人机的飞行控制系统是其最主要的组成部分之一，而姿态的稳定控制，则是对无人机顺利执行各项任务的有效方法。在目前的无人机实际制造与应用中，有的无人机产品是基于三轴陀螺仪和倾角传感器，来构成全姿态增稳控制系统的。

无人机姿态增稳控制属于内回路控制，它包括姿态保持与控制、速度控制等模式。内回路控制是在以三轴陀螺仪和倾角传感器获取无人机飞行姿态的基础上，通过对升降舵、方向舵的控制，完成飞行姿态的稳定与控制。

其中，三轴陀螺仪主要用来测量无人机在飞行过程中俯仰角、横滚角和偏航角的角速度，并根据角速度积分计算角度的改变。而一般采用双轴倾角传感器，与三轴陀螺仪构成全姿态增稳控制回路。

陀螺仪测量得到的角速度信息用作增稳反馈控制，使飞机操纵起来变的更“迟钝”一些，从而利用倾角传感器测得飞机横滚角和俯仰角。然后将陀螺仪测得的角速率信息和倾角传感器测得的姿态角进行捷联运算，得到融合后的姿态信息。这种较为复杂的捷联算法，能够使姿态精度得到很大提高。

陀螺仪在照相/摄相领域的应用

当我们拍视频或拍照时，有没有相过，通过一种装置，保证你的“相机”固定在同一位置，无论你的手怎么歪斜，身体怎么抖，他都能保持手机的相对稳定。我们都知道，只有当手机或摄像机相对“稳定”我们才能拍出精美的画面或视频。而能够让“稳拍器”始终保持稳定的核心秘密就是“加速度和陀螺仪”传感器。

为什么说“加速度和陀螺仪”传感器是自拍神器的核心秘密呢？因为稳拍器的核心就是对“相机”姿态的检测，然后根据“相机”的姿态变化实时的控制与“相机”连接的电机做相应动作，只要电机控制的够快，就能保证“相机”始终稳定在固定位置。不管你的手左右晃动还是上下晃动，在稳拍神器的控制下你的“相机”就会雷打不动，从而拍出稳定的照片和画面。 

稳拍器的整体大致框架如下图所示，其中橘黄色部分就是加速度和陀螺仪传感器工作部分。

它将“摄像设备”的姿态反馈给中心MCU处理单元，中央MCU单元根据检测到的“摄像设备”的姿态和运动情况，去控制电机做相应的动作，电机动作使“摄像设备”保持稳雷打不动的状态，这样拍出来的照片才更清楚，录制的录像才更稳定。 

陀螺仪在智能手机中的应用 

陀螺仪的使用距离我们最近的就是我们的手机，陀螺仪在手机中的应用主要体现在以下几个方面：

1、导航。

陀螺仪自被发明开始，就用于导航，先是德国人将其应用在V1、V2火箭上，因此，如果配合GPS，手机的导航能力将达到前所未有的水准。

实际上，很多专业手持式GPS上也装了陀螺仪，如果手机上安装了相应的软件，导航能力绝不亚于很多船舶、飞机上用的导航仪。

还可以实现GPS的惯性导航：当汽车行驶到隧道或城市高大建筑物附近，没有GPS讯号时，可以通过陀螺仪来测量汽车的偏航或直线运动位移，从而继续导航。

2、可以和手机上的摄像头配合使用，比如防抖，在拍照时的维持图像的稳定，防止由于手的抖动对拍照质量的影响。在按下快门时，记录手的抖动动作，将手的抖动反馈给图像处理器，可以让手机捕捉到更清晰稳定的画面。

3、各类游戏的传感器，比如飞行游戏，体育类游戏，甚至包括一些第一视角类射击游戏，陀螺仪完整监测游戏者手的位移，从而实现各种游戏操作效果。有关这点，想必用过任天堂WII的网友会有很深的感受。

4、可以用作输入设备，陀螺仪相当于一个立体的鼠标，这个功能和第三大用途中的游戏传感器很类似，甚至可以认为是一种类型。通过小幅度的倾斜，偏转手机，实现菜单，目录的选择和操作的执行。(比如前后倾斜手机，实现通讯录条目的上下滚动;左右倾斜手机，实现浏览页面的左右移动或者页面的放大或缩小。

5、也是未来最有前景和应用范围的用途。那就是可以帮助手机实现很多增强现实的功能。增强现实是才冒出的概念，和虚拟现实一样，是计算机的一种应用。大意是可以通过手机或者电脑的处理能力，让人们对现实中的一些物体有更深入的了解。

如果大家不理解，举个例子，前面有一个大楼，用手机摄像头对准它，马上就可以在屏幕上得到这座大楼的相关参数，比如楼的高度，宽度，海拔，如果连接到数据库，甚至可以得到这座大厦的物主、建设时间、现在的用途、可容纳的人数等。

陀螺仪最新技术简介和发展趋势

目前，陀螺仪技术正在由传统的机械转子陀螺向以光学陀螺仪为代表的新型陀螺仪转变，下面再简要介绍几种处在技术领域前沿的新型陀螺仪技术，希望能够帮助读者开阔视野，了解到国外陀螺仪技术的最新发展。

氦-氖环形激光陀螺仪

相比传统的机械式转子陀螺仪，主要优点是无机械转子，结构简单（少于20个部件），抗振动性能好，启动快，可靠性高，数字输出。

此外，一些研究人员还提出用固态增益介质替换氦-氖气体，能够使陀螺仪的工作寿命更长、成本更低和制造更简单，这种陀螺也被称为固态环形激光陀螺仪（固态RLG）。

目前，基于氦-氖环形激光陀螺仪的惯性导航系统已经广泛应用在航空和航海导航、战略导弹的导航、制导与控制领域，成为主要的高性能陀螺仪之一。 

光纤陀螺仪

从20世纪60年代开始，美国海军研究办公室希望发展一种比氦-氖环形激光陀螺仪的成本更低、制造流程更简单、精度更高的光纤角速度传感器，也就是俗称的光纤陀螺。

目前，最为常见的光纤陀螺仪是相敏光纤陀螺仪，通过测量在一个光纤线圈中的两束反向传播光束的相移以敏感载体转动，从而计算出其角速率。

因此，光纤陀螺仪的精度主要取决于其采用的光纤种类和光电检测系统，偏值一般处于0.001度/时-0.0002度/时之间。现在，光纤陀螺仪已经被广泛应用于鱼雷、战术导弹、潜艇和航天器等。

集成光学陀螺仪

随着集成光路的发展，可在单块芯片上实现非常复杂的功能，可以将几毫米直径的集成环形腔激光器、光电检测电路都集成在同一芯片上，作为集成光学陀螺仪的敏感元件，这样可以大大减小现有光学陀螺仪的质量和尺寸，降低成本和功耗，更好地控制热效应，增加可靠性，因此利用集成光学技术制造的光学陀螺仪具有良好的发展前景。

目前，围绕着集成环形腔激光器已经展开了广泛的研究，但是关键技术还有待突破。

此外，包括核磁谐振和超流体等的尖端技术也已经得到了验证，未来也将在新型陀螺仪上得到应用。

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