角速度 一文读懂角速度传感器（陀螺仪）的应用场景

纸|传感器技术

我们对陀螺仪的起源、原理和类型有一个大致的了解。那么，它与我们的日常生活有什么关系呢？

陀螺仪器最初用于导航，但随着科学技术的发展，在航空空和航天工业中得到了广泛的应用。陀螺仪不仅可以用作指示仪器，还可以用作自动控制系统中的敏感元件，即信号传感器。

陀螺仪可以根据需要提供方位、水平、位置、速度、加速度等精确信号，使飞行员或自动导航员控制飞机、船舶或航天飞机沿一定路线飞行。在导弹、卫星运载器或空探空火箭的制导中，这些信号可以直接用来完成飞行器的姿态控制和轨道控制。

陀螺仪作为稳定器，可以使列车在单轨上运行，减小船舶在风浪中的摇摆，使安装在飞机或卫星上的摄像机相对于地面稳定。陀螺仪作为一种精密测试仪器，可以为地面设施、矿山隧道、地下铁路、石油钻井和导弹发射井提供精确的方位参考。

陀螺仪应用广泛，在现代国防建设和国民经济建设中发挥着重要作用。

陀螺仪在航空空飞行领域的应用

由于各种电子设备和计算机控制的高科技发展，现代各种飞机的设计大多是静态的、不稳定的，因此需要利用电子设备和计算机辅助控制，使飞机实现良好的飞行控制。

仅仅靠飞行员的手指控制这种飞机会更加困难。飞机虽然还能飞，但会有不同程度的摆动，始终处于不稳定的飞行状态。有时重心设置不准，略有差异，会使飞行不稳定。

空中有各种湍流，也会使飞机的飞行不稳定。这时候用陀螺仪增加稳定性，飞机会一直平稳飞行，让飞行员感觉更容易操控飞机，各种动作也更规范。

陀螺仪让飞行员觉得最明显的是降落的时候，最需要陀螺仪帮助的是飞机的降落。由于着陆飞机由于速度较慢，在失速点附近，更容易受到风的影响，导致机翼上下抖动。这时候就需要用手指不断调整飞机的姿态，保持水平，逐渐降低高度。很多新手飞行员有时候会做太多的修正，导致飞机抖动更多，容易进入失速，导致着陆失败。

但如果为了增加稳定性而开启陀螺仪，由于陀螺仪的传感器非常灵敏，机翼稍微下压，陀螺仪立刻发出指令，打副翼，使飞机水平返回。这个过程发生得如此之快，以至于你可能看不到机翼下压已经被陀螺仪校正了。所以你会看到飞机一直保持水平稳定，逐渐下降高度，对飞行员帮助很大。

对于战斗机飞行员来说，陀螺仪的锁定功能会大大增加飞行的乐趣。比如超低空反向飞行过场的情况下，当飞机性能良好或调整后，即使不动升降舵，飞机也能保持向前飞行。但是飞机向后飞的时候，通常需要稍微推一下升降舵才能保持向后飞。如果不是极其熟练，手指很难保持推舵量不变，使飞机保持同一个直线向后飞行。

这就是为什么大部分人敢做超低空前飞不敢做超低空反飞，或者说在前飞敢做很低但在反飞不敢做很低，因为在飞行的时候可以保持直线飞行不动手指，而在反飞的时候手指要一直推舵面。飞机速度快，高度低，稍有动静他们就可能触地炸鸡。这是使用陀螺仪的锁定状态，所以变得非常容易。

因为在倒飞状态下，陀螺仪会自动锁定倒飞姿态，升降舵操纵杆不会在中间移动，陀螺仪会自动保持飞机直线倒飞状态，不用担心手指推动的方向舵量是否准确。然后就可以安全的控制跑道远端的飞机进入超低空倒飞通过状态，然后就可以在没有太多控制的情况下保持飞机超低空倒飞通过状态。

陀螺仪在车辆导航设备中的应用

车载导航是在接收到GPS卫星信号进行成功定位后，确定目标，然后根据导航软件带来的数据库规划路线，再进行导航。因为GPS要求车辆导航系统在同步卫星的直接视线内工作，隧道、桥梁或高层建筑都会遮挡这种直接视线，使导航系统无法工作。

再者，导航系统利用三角形和几何定律计算汽车的位置，因此汽车必须同时在至少三颗同步卫星的视线下才能确定位置。导航系统的直接视线中同步卫星越多，定位就越精确。

当然，大多数同步卫星都位于人口密集的大都市空，所以当你远离市区的时候，导航系统就不会很好的工作，甚至根本无法工作。这就是所谓的“导航盲区”。

为了解决这个问题，一些导航厂商找到了解决方案，实现精确导航的秘诀在于一个小东西——陀螺仪。

陀螺仪应用于车辆导航时，导航精度大大提高。其功能如下:

1.陀螺仪可以在GPS信号不好的情况下继续发挥导航的作用，纠正GPS定位不准确的问题

在GPS信号不好的情况下，陀螺仪可以根据已知的方位、方向和速度继续精确导航，这也是惯性导航技术的基本原理。同时也可以在GPS信号不好的情况下，纠正定位偏差过大的问题。

2.陀螺仪可以提供比全球定位系统更灵敏和准确的方向和速度

GPS不能马上发现你车的速度和方向的变化，要跑很长一段距离才能检测到。因此，当你的车在没有导航的情况下改变方向时，就会出现像陈骁那样的情况，导航无法识别你车的转向，从而导致方向错误。陀螺仪可以在方向和速度发生变化时立即进行测量，以便导航软件能够及时修改导航路线

3.陀螺仪在立交桥上更灵敏、更准确

民用GPS的精度无法识别汽车是否上移，但陀螺仪可以检测汽车是否上移，以便导航软件及时修改导航路线。依靠GPS卫星信号导航和陀螺惯性导航，有效提高了导航精度。即使失去GPS信号，系统也可以通过自主计算继续导航，为车主提供准确的驾驶指令。

陀螺仪在无人机飞行控制系统中的应用

无人机飞行控制系统是其最重要的组成部分之一，稳定的姿态控制是无人机成功完成各项任务的有效方法。目前，在无人机的实际制造和应用中，一些无人机产品是基于三轴陀螺仪和倾斜传感器组成的全姿态稳定控制系统。

无人机姿态稳定控制属于内环控制，包括姿态保持与控制、速度控制等模式。内环控制是在利用三轴陀螺仪和倾角传感器获得无人机飞行姿态的基础上，通过控制升降舵和方向舵来稳定和控制无人机的飞行姿态。

其中，三轴陀螺仪主要用于测量无人机飞行中俯仰角、滚转角和偏航角的角速度，并根据角速度积分计算角度变化。通常，双轴倾斜传感器和三轴陀螺仪用于形成完整的姿态稳定控制回路。

利用陀螺仪测得的角速度信息作为反馈控制，增加稳定性，使飞机运行更加“慢”，从而可以通过倾角传感器测量飞机的滚转角和俯仰角。然后对陀螺仪测得的角速度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。这种复杂的捷联算法可以大大提高姿态精度。

陀螺仪在摄影/摄影领域的应用

我们拍视频或者拍照的时候，有见过面吗？通过一个装置，我们可以保证你的“摄像头”固定在同一个位置，无论你的手如何歪斜，身体如何颤抖，都可以让你的手机保持相对稳定。众所周知，只有当手机或相机相对“稳定”时，我们才能拍摄出漂亮的图片或视频。能让“相机稳定器”一直保持稳定的核心秘密是“加速度和陀螺仪”传感器。

为什么“加速度和陀螺仪”传感器是自拍神器的核心秘密？因为相机稳定器的核心是检测相机的姿态，然后根据相机的姿态变化，实时控制与相机相连的电机做出相应的动作，只要电机控制的足够快，相机始终可以稳定在固定的位置。无论你的手是左右摆动还是上下摆动，你的“相机”都不会在稳拍神器的控制下移动，从而拍出稳定的照片和画面。

稳定器的总体框架如下图所示，其中橙色部分为加速度和陀螺传感器工作部分。

它将“摄像设备”的姿态反馈给中央单片机处理单元，中央单片机单元根据检测到的“摄像设备”的姿态和运动来控制电机做相应的动作。电机动作使摄像设备保持稳定状态，使拍摄的照片更加清晰，录制的视频更加稳定。

陀螺仪在智能手机中的应用

最接近使用陀螺仪的是我们的手机。陀螺仪在手机中的应用主要体现在以下几个方面:

1.导航。

陀螺仪自发明以来一直用于导航。首先，德国人将其应用于V1和V2火箭。因此，有了GPS，手机的导航能力将达到前所未有的水平。

其实很多专业的手持GPS也装有陀螺仪。如果手机上安装了相应的软件，导航能力不亚于很多船舶、飞机上使用的导航仪。

还可以实现GPS惯性导航:当汽车行驶在隧道或高层城市建筑附近，没有GPS信号时，可以通过陀螺仪测量汽车的偏航或直线运动位移，从而继续导航。

2.可配合手机上的摄像头使用，如防抖，拍照时保持图像稳定，防止手抖影响拍照质量。按下快门时，记录手的晃动动作，并将手的晃动动作反馈给图像处理器，让手机捕捉到更清晰、更稳定的画面。

3.各种游戏的传感器，比如飞行类游戏、运动类游戏，甚至一些射击类游戏，从第一视角看，陀螺仪完全监控玩家手的位移，从而实现各种游戏操作效果。关于这一点，用过任天堂WII的网友都会有很深的感触。

4.它可以用作输入设备。陀螺仪相当于一个三维鼠标。这个功能类似于第三大应用中的游戏传感器，甚至可以算是一种类型。通过稍微倾斜和偏转手机，可以实现菜单和目录的选择以及操作的执行。、抗振性能好、启动快、可靠性高、数字输出。

此外，一些研究人员还提出用固体增益介质代替氦-氖气体可以使陀螺仪工作时间更长、成本更低、制造更简单。这种陀螺仪也被称为固态环形激光陀螺仪。

目前，基于He-Ne环形激光陀螺的惯性导航系统已广泛应用于导航空以及战略导弹的导航、导航、制导和控制，成为主要的高性能陀螺仪之一。

光纤陀螺仪

自20世纪60年代以来，美国海军研究办公室希望开发一种成本更低、制造工艺更简单、精度更高的光纤角速度传感器，而不是通常所说的氦氖激光陀螺仪。

目前最常见的光纤陀螺是相敏光纤陀螺，它通过测量一个光纤线圈中两个反向传播光束的相移来旋转敏感载体，进而计算其角速度。

所以光纤陀螺的精度主要取决于光纤和光电探测系统的类型，偏置值一般在每小时0.001-0.0002度之间。现在，光纤陀螺已经广泛应用于鱼雷、战术导弹、潜艇和航天器。

集成光学陀螺仪

随着集成光路的发展，非常复杂的功能可以在单个芯片上实现。直径为几毫米的集成环形腔激光器和光电检测电路可以集成在与集成光学陀螺敏感元件相同的芯片上，可以大大减小现有光学陀螺的质量和尺寸，降低成本和功耗，更好地控制热效应，提高可靠性。因此，利用集成光学技术制造的光学陀螺具有良好的发展前景。

目前，集成环形腔激光器得到了广泛的研究，但其关键技术有待突破。

此外，包括核磁共振和超流体在内的尖端技术也已得到验证，并将在未来应用于新的陀螺仪。

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