前面介紹了慣性測(cè)量單元IMU在自動(dòng)駕駛和導(dǎo)航中的重要作用，也了解到了IMU里面重要的組成部分就是陀螺儀，那么什么是陀螺儀呢？接下來(lái)我們就從頭來(lái)了解一下陀螺儀的基本知識(shí)。

陀螺儀的另一種叫法又稱角速度傳感器，從定義上來(lái)看陀螺儀是測(cè)量載體角運(yùn)動(dòng)或者角速度的傳感器從應(yīng)用的角度上來(lái)看，陀螺儀多用于導(dǎo)航、定位等系統(tǒng)常用實(shí)例如手機(jī)GPS定位導(dǎo)航、衛(wèi)星三軸陀螺儀定位，其陀螺儀的精度在整個(gè)過(guò)程中起到了至關(guān)重要的作用，也就是高精度的陀螺儀直接決定了慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的精度以及制導(dǎo)和自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能品質(zhì)。

早在17世紀(jì)，在牛頓生活的年代，對(duì)于高速旋轉(zhuǎn)剛體的力學(xué)問(wèn)題已經(jīng)有了比較深入的研究，奠定了機(jī)械框架式陀螺儀的理論基礎(chǔ)。1852年，法國(guó)物理學(xué)家傅科為了驗(yàn)證地球的自轉(zhuǎn)，制造了最早的傅科陀螺儀，并正式提出了 “陀螺”這個(gè)術(shù)語(yǔ)。但是，由于當(dāng)時(shí)制造工藝水平低，陀螺儀的誤差很大，無(wú)法觀察、驗(yàn)證地球的自轉(zhuǎn)。到了19世紀(jì)末20世紀(jì)初，電動(dòng)機(jī)和滾珠軸承的發(fā)明，為制造高性能的陀螺儀提供了有力的物質(zhì)條件。同時(shí)，航海事業(yè)的發(fā)展推動(dòng)陀螺儀進(jìn)入了實(shí)用階段。在航海事業(yè)蓬勃發(fā)展的20世紀(jì)初期，德國(guó)探險(xiǎn)家安休茨想乘潛艇到北極去探險(xiǎn)，他于1904年制造出世界上第一個(gè)航海陀螺羅經(jīng)，開(kāi)辟了陀螺儀表在運(yùn)動(dòng)物體上指示方位的道路。與此同時(shí)，德國(guó)科學(xué)家舒勒創(chuàng)造了“舒勒調(diào)諧理論”，這成為陀螺羅經(jīng)和導(dǎo)航儀器的理論基礎(chǔ)。

中國(guó)是世界文明發(fā)達(dá)最早的國(guó)家之一，在陀螺技術(shù)方面，我國(guó)也有很多發(fā)明創(chuàng)造。比如在傳統(tǒng)雜技藝術(shù)中表演的快速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)碟節(jié)目，就是利用了高速旋轉(zhuǎn)的剛體具有穩(wěn)定性的特性。在將高速旋轉(zhuǎn)的剛體支承起來(lái)的萬(wàn)向架的應(yīng)用方面，西漢末年，就有人創(chuàng)造了與現(xiàn)在萬(wàn)向支架原理完全相同的“臥褥香爐”。這種香爐能“環(huán)轉(zhuǎn)四周而爐體常平，可置被褥中”。實(shí)際上是把這種香爐放在一個(gè)鏤空的球內(nèi)，用兩個(gè)圓環(huán)架起來(lái)，利用互相垂直的轉(zhuǎn)軸和香爐本身的質(zhì)量，在球體做任意滾動(dòng)時(shí)，香爐始終保持平穩(wěn)，而不會(huì)傾灑。

隨著航空事業(yè)的發(fā)展，到了20世紀(jì)30年代，航空氣動(dòng)陀螺地平儀、方向儀和轉(zhuǎn)彎儀等已經(jīng)被制造出來(lái)了。在第二次世界大戰(zhàn)末期，陀螺儀作為敏感元件被用于導(dǎo)彈的制導(dǎo)系統(tǒng)中。特別是20世紀(jì)60年代以來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，為了滿足現(xiàn)代航空、航海特別是宇宙航行的新要求，相繼出現(xiàn)了各種新型陀螺儀。目前，陀螺儀正朝著超高精度、長(zhǎng)壽命、小體積和低成本等方向發(fā)展。

那么，究竟什么是陀螺儀呢？傳統(tǒng)的陀螺儀定義是：對(duì)稱平衡的高速旋轉(zhuǎn)剛體（指外力作用下沒(méi)有形變的物體），用專(zhuān)門(mén)的懸掛裝置支承起來(lái)，使旋轉(zhuǎn)的剛體能繞著與自轉(zhuǎn)軸不相重合（或不相平行）的另一條（或兩條）軸轉(zhuǎn)動(dòng)的專(zhuān)門(mén)裝置。其中，陀螺儀的對(duì)稱軸亦即自轉(zhuǎn)軸，稱為陀螺主軸。研究這類(lèi)陀螺運(yùn)動(dòng)特性的理論就是動(dòng)力學(xué)中剛體繞定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)理論。

傳統(tǒng)陀螺儀的定義包括了一大類(lèi)陀螺儀，稱為機(jī)械轉(zhuǎn)子式陀螺儀，如框架式陀螺儀、液浮陀螺儀、撓性陀螺儀、靜電陀螺儀等，都是依靠轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)角速度信息的測(cè)量。

隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，多種新原理的陀螺被研制出來(lái)，它們具有嶄新的特性，使陀螺儀家族的陣營(yíng)在不斷擴(kuò)大。我們把能自主地測(cè)量物體角速度或角位移的器件也稱為陀螺儀，包括光學(xué)陀螺儀、振動(dòng)陀螺儀、硅微機(jī)械陀螺儀等。

自Sperry發(fā)明了全球第一個(gè)實(shí)用的陀螺儀至今，陀螺技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了近百年的發(fā)展。下圖為陀螺技術(shù)百年發(fā)展史的簡(jiǎn)單回顧。

回顧陀螺技術(shù)100年的發(fā)展，它們大致可分為以下三個(gè)階段：

階段Ⅰ：機(jī)械轉(zhuǎn)子式陀螺階段

始于20世紀(jì)40年代，當(dāng)時(shí)代表性的應(yīng)用是在第二次世界大戰(zhàn)末期德國(guó)研制的V-2導(dǎo)彈上。不管哪種機(jī)械轉(zhuǎn)子式陀螺，其基本工作原理都是依據(jù)牛頓第二定律（F=ma）。傳統(tǒng)的機(jī)械轉(zhuǎn)子式陀螺的發(fā)展過(guò)程，可以說(shuō)是與框架支承干擾力矩作斗爭(zhēng)的過(guò)程。此后很長(zhǎng)一段時(shí)間，提高陀螺性能的主要難題是如何克服作用在陀螺框架軸上的各種外干擾力矩，從而保持其旋轉(zhuǎn)軸在空間的精確指向。根據(jù)這一思路，人們先后研制成功了液浮陀螺、靜壓氣浮陀螺、動(dòng)壓氣浮陀螺、三浮陀螺以及靜電陀螺等。如下圖所示，列出了各類(lèi)機(jī)械轉(zhuǎn)子式陀螺儀的外觀照片。

階段Ⅱ：光學(xué)陀螺階段

20世紀(jì)60年代末70年代初，微型計(jì)算機(jī)技術(shù)開(kāi)始被引入慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，出現(xiàn)了把陀螺儀直接固聯(lián)在運(yùn)動(dòng)載體上的捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)采用數(shù)學(xué)平臺(tái)來(lái)代替原來(lái)的物理平臺(tái)，早期捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)采用的陀螺儀的典型代表是動(dòng)力調(diào)諧陀螺儀。

光學(xué)陀螺作為嶄新原理的全固態(tài)陀螺，它是根據(jù)愛(ài)因斯坦相對(duì)論原理（E=mc2）研制成功的。20世紀(jì)70年代中期，環(huán)形激光陀螺儀問(wèn)世，這是陀螺歷史上最大的技術(shù)進(jìn)步；20世紀(jì)80年代中期，干涉型光纖陀螺儀研制成功。激光陀螺和光纖陀螺的研制成功，開(kāi)拓了光學(xué)陀螺導(dǎo)航新時(shí)代的到來(lái)。光學(xué)陀螺這一稱謂是從機(jī)械轉(zhuǎn)子式陀螺延續(xù)下來(lái)的，它實(shí)際上是一種角速率傳感器。光學(xué)陀螺作為一種性能非常優(yōu)良的慣性傳感器，它的地位提升應(yīng)歸功于捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的出現(xiàn)，反之，也正是由于它的研制成功，才使捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)走向?qū)嵱谩?/p>

目前，光學(xué)陀螺主要包括環(huán)形激光陀螺和干涉型光纖陀螺兩大類(lèi)（見(jiàn)下圖），它們是捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的理想元件，已被應(yīng)用到幾乎各種類(lèi)型的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中。

階段Ⅲ：微機(jī)械陀螺階段

20世紀(jì)80年代初，在微米/納米（micro/nanotechnology，分別為10^-6/10^-9米量級(jí)）技術(shù)這一引人注目的前沿技術(shù)背景下，微機(jī)電系統(tǒng)（Micro ElectroMechanical systems，簡(jiǎn)稱MEMS）引起了人們廣泛的關(guān)注。微機(jī)電系統(tǒng)是指對(duì)微米/納米材料進(jìn)行設(shè)計(jì)、加工、制造、測(cè)量和控制的技術(shù)。它可將機(jī)械構(gòu)件、光學(xué)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)部件、電控系統(tǒng)集成為一個(gè)整體單元的微型系統(tǒng)。這種微機(jī)電系統(tǒng)不僅能夠采集、處理與發(fā)送信息或指令，還能夠按照所獲取的信息自主地或根據(jù)外部的指令采取行動(dòng)。它用微電子技術(shù)和微加工技術(shù)(包括硅體微加工、硅表面微加工、LIGA和晶片鍵合等技術(shù))相結(jié)合的制造工藝，制造出各種性能優(yōu)異、價(jià)格低廉、微型化的傳感器、執(zhí)行器、驅(qū)動(dòng)器和微系統(tǒng)。微機(jī)電（MEMS）是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型多學(xué)科交叉的技術(shù)，該技術(shù)將對(duì)未來(lái)人類(lèi)生活產(chǎn)生革命性的影響。它涉及機(jī)械、電子、化學(xué)、物理、光學(xué)、生物、材料等多學(xué)科。

在此基礎(chǔ)上，80年代中期，出現(xiàn)了微機(jī)械陀螺，即MEMS陀螺，也稱為硅微陀螺，它是采用微米/納米技術(shù)，在不足1毫米見(jiàn)方的硅芯片上，采用類(lèi)似半導(dǎo)體加工技術(shù)的微電子工藝進(jìn)行加工而成的。它的制作是通過(guò)采用半導(dǎo)體生產(chǎn)中成熟的沉積、蝕刻和摻雜等工藝，將機(jī)械裝置和電子線路集成在微小的硅芯片上完成的，最終形成的是一種集成電路芯片大小的微型陀螺儀。經(jīng)過(guò)多年的努力，1989年采用MEMS技術(shù)的第一個(gè)微機(jī)械陀螺問(wèn)世，漂移率達(dá)10度/小時(shí)。它的出現(xiàn)是MEMS技術(shù)中具有代表性的一項(xiàng)重大成果，更帶來(lái)了慣性技術(shù)領(lǐng)域的一次新變革。由于采用了成熟的半導(dǎo)體加工技術(shù)，這種陀螺從概念提出到批量投產(chǎn)，僅用了五六年時(shí)間。

微機(jī)械陀螺（MEMS陀螺），它與其他振動(dòng)陀螺一樣，都是基于哥氏效應(yīng)原理工作的。所有的微機(jī)械陀螺都是非旋轉(zhuǎn)裝置，通過(guò)獲取一個(gè)振動(dòng)機(jī)械元件上的哥氏加速度效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)角速率檢測(cè)。即一個(gè)驗(yàn)證質(zhì)量在一個(gè)平面內(nèi)做正弦振動(dòng)，如果此平面以角速率Ω旋轉(zhuǎn)，那么哥氏力就會(huì)使該質(zhì)量以垂直于該平面的方向做正弦振動(dòng)，其幅值正比于Ω。對(duì)哥氏力所引起的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，就可獲得Ω的信號(hào)，這就是微機(jī)械陀螺的基本工作原理。

低成本微機(jī)械陀螺的研制成功，使得慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域大為擴(kuò)展，許多以前不能實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，在軍用方面尤其加速了戰(zhàn)術(shù)武器制導(dǎo)化的進(jìn)程。目前在車(chē)載導(dǎo)航中應(yīng)用最廣的就是MEMS陀螺儀。