陀螺儀最初很可能是一種簡(jiǎn)單的兒童玩具——“陀螺”。也許將一根棍子插入橙子的底部并旋轉(zhuǎn)它是第一個(gè)旋轉(zhuǎn)的陀螺——當(dāng)旋轉(zhuǎn)得足夠快時(shí)，水果在棍子上保持平衡，直到它減慢速度，開(kāi)始搖晃，最后翻倒。魔法！很難推測(cè)是誰(shuí)、何時(shí)何地首次發(fā)現(xiàn)了這個(gè)看似反重力的奇跡，然而，它已經(jīng)經(jīng)歷了歲月的洗禮，并最終成為人類(lèi)導(dǎo)航的固有組成部分。
旋轉(zhuǎn)物體如何使其在一點(diǎn)上保持平衡的魔力讓世界各地的年輕人大開(kāi)眼界（至少在電視和數(shù)字時(shí)代的黎明之前），并引起了更成熟的思想家的濃厚興趣，他們?cè)噲D理解這一點(diǎn)奇跡般的、不可能的平衡有可能發(fā)生。陀螺儀如何保持直立和平衡（即使放置在傾斜的表面上）很可能引發(fā)了后來(lái)成為陀螺儀的想法。
使用中心有銷(xiāo)釘?shù)谋馄綀A盤(pán)作為旋轉(zhuǎn)陀螺使平衡現(xiàn)象更容易觀察到。增加圓盤(pán)的質(zhì)量，特別是當(dāng)其大部分重量朝向圓盤(pán)的外側(cè)時(shí)，并增加旋轉(zhuǎn)速率，延長(zhǎng)了旋轉(zhuǎn)引起的平衡的持續(xù)時(shí)間。圓盤(pán)旋轉(zhuǎn)得越快或轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越大，其角動(dòng)量就越大。
為了更仔細(xì)地觀察而開(kāi)發(fā)的方法是在機(jī)械框架內(nèi)捕捉旋轉(zhuǎn)的圓盤(pán)，這樣就可以在不接觸圓盤(pán)的情況下對(duì)其進(jìn)行操縱。為此，陀螺軸的每一端都使用軸承或其他方式連接到框架，以最大限度地減少軸和框架之間的摩擦。將框架中的圓盤(pán)旋轉(zhuǎn)起來(lái)，然后以不同角度握住框架，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)令人著迷的現(xiàn)象，旋轉(zhuǎn)的圓盤(pán)抵抗其重新定位。第一批觀察者不知道的是，這只“看不見(jiàn)的手”實(shí)際上是所謂的陀螺進(jìn)動(dòng)的效應(yīng)。
陀螺儀進(jìn)動(dòng)是旋轉(zhuǎn)物體對(duì)其旋轉(zhuǎn)軸傾斜的反應(yīng)。根據(jù)右手定則，旋轉(zhuǎn)物體以垂直于外部影響及其旋轉(zhuǎn)軸的扭矩響應(yīng)傾斜。雖然對(duì)于框架內(nèi)的圓盤(pán)來(lái)說(shuō)這可能很難可視化，但更直觀的例子是不平衡旋轉(zhuǎn)陀螺的行為。不平衡的頂部不會(huì)翻倒或自行恢復(fù)原狀，這兩種情況都會(huì)違反角動(dòng)量守恒定律，而是會(huì)以圓形模式移動(dòng)。更具體地，由于陀螺儀進(jìn)動(dòng)，反作用扭矩圍繞與重力施加的扭矩成90°的軸線作用，從而產(chǎn)生圓周運(yùn)動(dòng)。陀螺儀進(jìn)動(dòng)本質(zhì)上是如何，當(dāng)外部扭矩力施加到旋轉(zhuǎn)物體以使其旋轉(zhuǎn)軸傾斜時(shí)，否則該物體的旋轉(zhuǎn)軸會(huì)傾斜，反作用力不會(huì)像人們所期望的那樣直接抵抗該扭矩力。相反，該阻性扭矩發(fā)生在與力施加方向成 90° 的方向成 90° 的位置，直覺(jué)可能會(huì)導(dǎo)致影響圓盤(pán)旋轉(zhuǎn)軸的扭矩。有關(guān)陀螺儀進(jìn)動(dòng)的更多詳細(xì)信息超出了本文的范圍。有關(guān)陀螺儀進(jìn)動(dòng)的更多詳細(xì)信息超出了本文的范圍。有關(guān)陀螺儀進(jìn)動(dòng)的更多詳細(xì)信息超出了本文的范圍。
好奇的人們決定將旋轉(zhuǎn)盤(pán)安裝在萬(wàn)向節(jié)中將使他們能夠進(jìn)一步探索這種感覺(jué)。萬(wàn)向節(jié)（萬(wàn)向節(jié)的起源表明它是在公元前幾個(gè)世紀(jì)發(fā)明的）是一種支撐框架組件，允許萬(wàn)向節(jié)框架和附著在其上的物體之間獨(dú)立運(yùn)動(dòng)。在這種情況下，固定旋轉(zhuǎn)盤(pán)軸的內(nèi)萬(wàn)向架以 90°（正交）連接到外萬(wàn)向架。每個(gè)部件之間的每個(gè)連接點(diǎn)都以某種方式樞轉(zhuǎn)，以盡量減少部件之間的摩擦，否則會(huì)影響陀螺效應(yīng)。外萬(wàn)向節(jié)通過(guò)樞軸在頂部和底部連接到可安裝的框架上。這導(dǎo)致了我們可以將其稱(chēng)為經(jīng)典機(jī)械陀螺儀的組件，萬(wàn)向節(jié)能夠繞 X 軸旋轉(zhuǎn)，Y 軸和 Z 軸。
描繪經(jīng)典機(jī)械陀螺儀設(shè)計(jì)的圖像。旋轉(zhuǎn)盤(pán) ( A ) 安裝到內(nèi)萬(wàn)向節(jié) ( B ) 上，內(nèi)萬(wàn)向節(jié) ( B ) 與外萬(wàn)向節(jié) ( C )成 90° 安裝。
外萬(wàn)向節(jié)能夠相對(duì)安裝框架旋轉(zhuǎn)。這種布置提供了萬(wàn)向節(jié)的獨(dú)立旋轉(zhuǎn)，使旋轉(zhuǎn)盤(pán)能夠保持其原始旋轉(zhuǎn)軸，而不管陀螺儀的方向如何
陀螺運(yùn)動(dòng)是指旋轉(zhuǎn)物體保持其旋轉(zhuǎn)對(duì)齊的固有傾斜度。當(dāng)物體旋轉(zhuǎn)時(shí)，它會(huì)獲得角動(dòng)量，角動(dòng)量必須守恒。因此，物體反對(duì)對(duì)其旋轉(zhuǎn)軸的任何改變，因?yàn)檫@種改變會(huì)導(dǎo)致其角動(dòng)量的改變。
通過(guò)萬(wàn)向節(jié)布置，可以看出，即使陀螺儀在 3D 空間中旋轉(zhuǎn)或傾斜，旋轉(zhuǎn)盤(pán)的旋轉(zhuǎn)軸也保持相同的方向。這是旋轉(zhuǎn)盤(pán)的角動(dòng)量守恒以及陀螺儀方向改變時(shí)產(chǎn)生的合力。陀螺儀方向的變化會(huì)導(dǎo)致萬(wàn)向節(jié)的位置發(fā)生變化，因此旋轉(zhuǎn)盤(pán)保持其原始旋轉(zhuǎn)軸。請(qǐng)注意，圓盤(pán)旋轉(zhuǎn)得越快，其角動(dòng)量和改變方向的阻力就越大。對(duì)改變方向的反應(yīng)可能導(dǎo)致了能夠參考旋轉(zhuǎn)盤(pán)來(lái)測(cè)量方向的想法。
電動(dòng)機(jī)的出現(xiàn)使陀螺儀能夠保持圓盤(pán)持續(xù)高速旋轉(zhuǎn)，從而使陀螺儀的長(zhǎng)期實(shí)用化成為可能。在導(dǎo)航意義上，如果可以基于地球旋轉(zhuǎn)軸利用和控制相對(duì)于北的陀螺效應(yīng)，那么陀螺儀可以成為非磁性導(dǎo)航系統(tǒng)的一部分。
對(duì)于鋼殼船上的現(xiàn)代海員來(lái)說(shuō)，與真實(shí)/地理北方相關(guān)的非磁性航向源將大大提高導(dǎo)航精度。不僅如此，它還可以消除傳統(tǒng)天文導(dǎo)航的復(fù)雜性，或在黑色金屬（鋼、鐵等）存在的情況下與磁羅盤(pán)相關(guān)的誤差。另請(qǐng)注意，磁北幾乎總是與真北不同。為此，Hermann Anschütz-Kaempfe在 20 世紀(jì)初開(kāi)發(fā)了一種實(shí)用的“陀螺羅盤(pán)”。
Anschütz陀螺羅盤(pán)無(wú)需使用磁羅盤(pán)即可觀察船舶方向（航向）的變化。陀螺羅盤(pán)（后來(lái)被稱(chēng)為陀螺羅盤(pán)）可以通過(guò)多種方式實(shí)現(xiàn)。例如，用度數(shù)環(huán)圍繞萬(wàn)向節(jié)，使萬(wàn)向節(jié)旋轉(zhuǎn)以指向新方向（很像磁羅盤(pán)針）。另一種方法是捕獲萬(wàn)向節(jié)并測(cè)量陀螺儀方向變化時(shí)產(chǎn)生的扭矩，從而計(jì)算旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
自主革命的出現(xiàn)以及我們制造無(wú)需人工控制或干預(yù)即可運(yùn)行的車(chē)輛、機(jī)器和系統(tǒng)的能力，需要在導(dǎo)航、控制和安全方面具有非常高的可靠性。此類(lèi)系統(tǒng)的主要組成部分是導(dǎo)航系統(tǒng)；通常是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)。
典型的 INS 能夠?yàn)檐?chē)輛提供各種導(dǎo)航和方向數(shù)據(jù)。即設(shè)備/車(chē)輛的滾動(dòng)、俯仰和航向。這些數(shù)據(jù)由可以檢測(cè)每個(gè)軸的線性加速度變化的傳感器提供，當(dāng)然還有用于檢測(cè)繞每個(gè)軸的旋轉(zhuǎn)的陀螺儀。例如，航向可以由磁力計(jì)型傳感器或光纖陀螺儀提供。車(chē)輛/設(shè)備在世界上的絕對(duì)位置或定位數(shù)據(jù)通常是使用GNSS獲得的。在 GNSS 無(wú)法作為位置參考的情況或應(yīng)用中，INS 可以介入，根據(jù)估計(jì)運(yùn)動(dòng)變化提供導(dǎo)航數(shù)據(jù)，這稱(chēng)為航位推算。
現(xiàn)代電子、計(jì)算、光子學(xué)和制造業(yè)的巨大進(jìn)步對(duì)陀螺儀產(chǎn)生了不可磨滅的影響。陀螺儀的概念保持不變，但是，我們?nèi)绾螛?gòu)建和使用陀螺儀背后的技術(shù)在過(guò)去 100 年中已經(jīng)發(fā)生了巨大的發(fā)展和變化。我們開(kāi)發(fā)和采用新技術(shù)的愿望是提供卓越的精度、更小的尺寸、更輕的重量和更低的成本，這是跨越商業(yè)、工業(yè)和國(guó)防應(yīng)用領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新的驅(qū)動(dòng)力。
上述情況可能與我們對(duì)收集和分析數(shù)據(jù)日益增長(zhǎng)的貪得無(wú)厭的胃口相結(jié)合。傳感能力不斷發(fā)展，能夠以以前無(wú)法想象的水平捕獲高分辨率數(shù)據(jù)。這些活動(dòng)需要包含同樣精確陀螺儀的精確導(dǎo)航系統(tǒng)。此外，太空和海底探索、衛(wèi)星、機(jī)器人、小型化和無(wú)人駕駛車(chē)輛的時(shí)代正在創(chuàng)造新的機(jī)遇和行業(yè)，尋求降低成本、消除低效率、限制資源使用和減少溫室氣體排放?？梢韵喈?dāng)肯定地說(shuō)，上述所有系統(tǒng)都在某種程度上需要陀螺儀，并且根據(jù)定義，這些系統(tǒng)需要在許多方面遵循陀螺儀。
MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）是一種源自 20 世紀(jì) 60 年代集成電路 (IC) 制造的工藝技術(shù)，它將電氣和機(jī)械元件以極其微型的芯片狀態(tài)尺寸結(jié)合在一起。 MEMS 器件非常適合大規(guī)模生產(chǎn)，因此生產(chǎn)成本相對(duì)較低。MEMS 陀螺儀傳感器常見(jiàn)于商業(yè)、工業(yè)、戰(zhàn)術(shù)級(jí)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中。即使是典型的智能手機(jī)也會(huì)包含 MEMS 陀螺儀，用于檢測(cè)手機(jī)方向（縱向或橫向顯示）和導(dǎo)航應(yīng)用等。 MEMS 陀螺儀是一種由電氣和機(jī)械元件組合而成的組件，可指示單軸或多軸加速度。
最常見(jiàn)的 MEMS 陀螺儀技術(shù)利用科里奧利效應(yīng)。科里奧利效應(yīng)是由于地球自轉(zhuǎn)和緯度引起的運(yùn)動(dòng)物體的明顯偏轉(zhuǎn)。舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)一架飛機(jī)從赤道起飛并向正北飛行時(shí)，隨著飛機(jī)的飛行，地球正在旋轉(zhuǎn)。結(jié)果是飛機(jī)相對(duì)于地球表面沿左彎曲弧線飛行，盡管它是直線飛行的。在高緯度地區(qū)，由于地球周長(zhǎng)減小，科里奧利效應(yīng)變得更加普遍。
在典型的科里奧利效應(yīng) MEMS 陀螺儀中，質(zhì)量塊通過(guò)彈簧懸掛在框架中。檢驗(yàn)質(zhì)量在特定共振下振蕩——這是驅(qū)動(dòng)軸。該框架位于第二個(gè)框架中，彈簧與驅(qū)動(dòng)軸成 90°，以隔離兩個(gè)框架。第二框架的彈簧運(yùn)動(dòng)是感測(cè)軸。當(dāng)陀螺儀旋轉(zhuǎn)時(shí)，科里奧利效應(yīng)會(huì)引起沿傳感軸（垂直于驅(qū)動(dòng)軸）的二次振動(dòng)，使檢測(cè)質(zhì)量和內(nèi)部框架逆旋轉(zhuǎn)方向移動(dòng)，產(chǎn)生與科里奧利效應(yīng)成正比的電容變化力/感應(yīng)旋轉(zhuǎn)。
該圖描繪了簡(jiǎn)單 MEMS 科里奧利效應(yīng)陀螺儀的運(yùn)行情況。彈簧 ( A ) 將檢驗(yàn)質(zhì)量 ( B ) 固定在內(nèi)框架 ( C ) 內(nèi)的適當(dāng)位置，從而形成驅(qū)動(dòng)軸。
使用與驅(qū)動(dòng)軸成 90° 的彈簧 ( E )將內(nèi)部框架與外部框架 ( D ) 隔離，從而創(chuàng)建傳感軸。內(nèi)框架有幾個(gè)突出的指狀物( i )。
固定電極（ii）組成差分電容器，用一根從電容器電極之間的內(nèi)框伸出的手指。
在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，科里奧利效應(yīng)導(dǎo)致檢測(cè)質(zhì)量/內(nèi)框架逆旋轉(zhuǎn)方向移動(dòng)，從而導(dǎo)致與旋轉(zhuǎn)速率成比例的電容變化
請(qǐng)注意，MEMS 科里奧利效應(yīng)陀螺儀僅提供設(shè)備慣性參考系內(nèi)的旋轉(zhuǎn)信息。這意味著它們無(wú)法提供航向信息，只能提供設(shè)備的旋轉(zhuǎn)信息。需要輔助手段來(lái)達(dá)到目標(biāo)；例如，使用磁力計(jì)。
光纖陀螺儀 (FOG) 是一種基于光子/激光的陀螺儀技術(shù)，于 20 世紀(jì) 70 年代中期首次展示。光纖陀螺儀以極高的精度和抗漂移能力而聞名，這使得它們非常適合高端戰(zhàn)術(shù)、導(dǎo)航和戰(zhàn)略應(yīng)用。典型的基于 3 軸 FOG 的 INS 具有三個(gè)彼此正交（90°）放置的 X、Y 和 Z 軸光纖線圈、激光發(fā)射器或類(lèi)似的窄帶寬光源以及光接收器。
典型光纖陀螺儀的基本工作原理是激光發(fā)射的光照射到半反射鏡上，半反射鏡將光束分成兩束。然后，兩束光束進(jìn)入兩端的線圈繞組，并以相反的方向同時(shí)穿過(guò)線圈。離開(kāi)線圈后，光束進(jìn)入光接收器。光接收器結(jié)合兩束光束的波形——這稱(chēng)為波形干涉測(cè)量。當(dāng)光纖陀螺不旋轉(zhuǎn)時(shí)，光束將在光以完全相同的距離和速度傳播的同時(shí)到達(dá)光學(xué)接收器。如果發(fā)生旋轉(zhuǎn)，光沿一個(gè)方向傳播線圈所需的有效時(shí)間將與另一方向不同，從而導(dǎo)致兩個(gè)光束波形之間發(fā)生相移。這種光學(xué)現(xiàn)象稱(chēng)為薩尼亞克效應(yīng)。如果兩束光束之間存在任何相移，這在組合波形中會(huì)很明顯。光纖陀螺儀利用相移來(lái)高精度地計(jì)算旋轉(zhuǎn)。
您可以將薩格納克效應(yīng)視為一個(gè)圓形賽道，兩輛速度相同的汽車(chē)朝相反的方向行駛，實(shí)際的賽道和終點(diǎn)線在汽車(chē)下方旋轉(zhuǎn)。根據(jù)賽道旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致終點(diǎn)線移動(dòng)的方式和距離，一輛車(chē)將有效行駛更長(zhǎng)的距離才能到達(dá)終點(diǎn)線。
在圖中，F(xiàn)OG 繞 Z 軸旋轉(zhuǎn)。在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，光的相移可以看作兩束光束到達(dá)光接收器的時(shí)間差。
光的相移僅在旋轉(zhuǎn)期間發(fā)生；一旦旋轉(zhuǎn)停止，光線將再次同相。請(qǐng)注意，這僅用于說(shuō)明目的，不一定是對(duì)實(shí)際技術(shù)的描述
光纖陀螺儀通常比基于 MEMS 的陀螺儀技術(shù)更昂貴、更大、更重，但它們也有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。許多光纖陀螺儀能夠在沒(méi)有任何幫助的情況下進(jìn)行陀螺羅盤(pán)（根據(jù)地球自轉(zhuǎn)尋找真北）。 FOG 不受磁干擾的影響，因此對(duì)于不適合磁航向的應(yīng)用來(lái)說(shuō)是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。光纖陀螺儀不需要移動(dòng)部件，這消除了影響機(jī)械型陀螺儀的摩擦引起的漂移。此外，光纖陀螺運(yùn)行時(shí)不依賴(lài)慣性阻力，產(chǎn)生的電噪聲非常小，具有較低的漂移特性，并且對(duì)振動(dòng)、加速度和沖擊引起的誤差具有更強(qiáng)的抵抗力。
環(huán)形激光陀螺儀 (RLG) 于 20 世紀(jì) 60 年代初首次展示，可以被認(rèn)為是 FOG 的先驅(qū)光學(xué)陀螺儀技術(shù)。RLG 是基于薩尼亞克效應(yīng)和光波干涉測(cè)量法使用受控窄帶寬光來(lái)測(cè)量旋轉(zhuǎn)的開(kāi)創(chuàng)性應(yīng)用。 RLG 和 FOG 之間的主要區(qū)別在于，RLG 中光在諧振腔中傳播，而 FOG 中光通過(guò)光纖線圈傳播。
該圖描繪了環(huán)形激光陀螺儀的基本操作。激光源 ( A ) 在相反方向同時(shí)發(fā)射光束。光從鏡子 ( B ) 反射，將其引導(dǎo)至光學(xué)接收器 ( C )。
由于薩尼亞克效應(yīng)，設(shè)備的任何旋轉(zhuǎn)都會(huì)導(dǎo)致光束在不同時(shí)間到達(dá)光學(xué)接收器，這可以推斷為旋轉(zhuǎn)測(cè)量
典型的 RLG 使用兩束激光束，它們沿著鏡子定義的路徑以相反的方向發(fā)送。激光從一個(gè)鏡子反射到另一個(gè)鏡子，形成“環(huán)”，直到到達(dá)光學(xué)接收器。環(huán)形激光陀螺儀測(cè)量?jī)蓚€(gè)光波形之間的頻率差來(lái)定義角速度。
可以說(shuō)FOG優(yōu)于RLG，主要是因?yàn)楦L(zhǎng)的光路使其能夠提供更高分辨率的測(cè)量。然而，RLG 的生產(chǎn)和使用時(shí)間比 FOG 長(zhǎng)幾十年，這使其成為商用飛機(jī)制造等各個(gè)行業(yè)中長(zhǎng)期成熟的陀螺儀技術(shù)。
一些 FOG 和 RLG 可能僅用于單軸旋轉(zhuǎn)測(cè)量，這通常用于需要精確航向測(cè)量（繞 Z 軸旋轉(zhuǎn)）的應(yīng)用；例如，船舶和潛艇。其他設(shè)計(jì)可能會(huì)使用陀螺儀的混合設(shè)置來(lái)降低成本、尺寸和重量。通常在這種情況下，光學(xué)陀螺儀將用于航向，而更便宜、更小且精度較低的 MEMS 陀螺儀則用于橫滾（X 軸）和俯仰（Y 軸）旋轉(zhuǎn)測(cè)量。
? ML5-AR 工業(yè)傾斜和角速率傳感器
? MV5-AR 工業(yè)傾斜和角速率傳感器
? 3DM-CV7-AR 慣性測(cè)量單元和垂直參考單元
? 3DM-CX5-AR 高性能傾斜/垂直參考傳感器
? 3DM-GX5-AR 高性能傾斜/垂直參考傳感器
? 3DM-GV7-AR 戰(zhàn)術(shù)級(jí)加固 IMU/VRU
