本文我们将简单了解陀螺仪的构造、用途、原理、以及三大特性，最后用图来说明陀螺仪姿态的三个角度数据。
陀螺仪有什么用途？
陀螺仪经常出现在惯性决策单元（IMU）中。在上一篇文章（点击跳转）中我们提到了惯性导航系统INS，其中组成惯性导航系统的设备单元IMU就是由陀螺仪组成。它可以实现不依赖外界信息输入。惯性导航系统可以给自动驾驶汽车提供航向、姿态、速度、位置等导航参数，是高精度定位不可或缺的一部分。
陀螺仪不仅应用于自动驾驶定位，还广泛用于航海、航天、军事等各个领域，可以很好地测量旋转、偏转等运动，并可以感知飞行器姿态的变化旋转物体的角动量是恒定的，并将这些信息反馈给控制系统，从而实现飞行器的姿态控制和稳定飞行。
旋转陀螺仪
陀螺仪可以感知一个或多个轴的角速度英语作文，能够精确感知自由空间中的复杂运动，因此陀螺仪已成为追踪物体运动和旋转的必备运动传感器。与加速度计和电子罗盘不同，陀螺仪不需要重力、磁场等外力，可以自主工作，因此理论上仅使用陀螺仪就可以完成姿态导航任务。
陀螺仪
简单来说，陀螺仪是依据角动量守恒定律设计的，陀螺仪主要由位于轴心的可旋转转子组成，一旦陀螺仪开始旋转，由于转子的角动量，陀螺仪会倾向于抵抗方向的改变。
那么陀螺仪为什么会有这样的用途呢?说陀螺仪的原理，首先就要说陀螺仪的特点。
陀螺仪的特点有哪些？
1. 固定轴
陀螺仪在转动过程中不会倾倒，得益于它的第一个特性，即定轴性，即当陀螺仪轴不受外界力矩影响时，它的方向始终指向初始的恒定位置。
陀螺仪在旋转时，若作用于它的外力的力矩为零，则角动量定理表明，陀螺仪相对于支点的角动量守恒，运动过程中角动量的方向不变。陀螺仪上的每一点都在垂直于旋转轴的平面内沿圆周旋转。根据惯性定律，每个点总是试图沿圆周的一条切线离开圆周，但所有切线都与圆周本身处于同一平面内。因此，每个点在移动时，都尽力停留在垂直于旋转轴的平面上。
陀螺仪轴稳定性
2. 渐进式
陀螺仪的第二个特性是进动。当陀螺仪高速旋转时，陀螺仪的中心轴好像在绕着一根直立的杆子旋转。这种高速旋转物体的轴在空间旋转的现象就叫进动。这是因为当陀螺仪受到重力作用于支点的力矩时，根据角动量定理，角动量的矢量方向会跟随陀螺仪的旋转，描绘出一个圆锥体，如下图所示。
陀螺仪的进动
其实，我们在日常生活中经常可以看到进动现象，比如自行车在行驶过程中，如果稍微倾斜了，只要将车头稍微转向另一侧，自行车就能保持平衡，这是因为重力在轮胎支点上形成了一个进动力矩，使得自行车重新恢复平衡。
3. 章动
陀螺仪的第三个特性是章动。陀螺仪不可能一直旋转下去，当陀螺仪因摩擦而开始慢慢下落时，它所做的运动就是章动。章动是指刚体进动时，绕旋转轴的角动量倾斜角的变化。拉丁语中是点头的意思。陀螺仪进动时，陀螺仪的陀螺头也在点头。
章动与进动之间的关系
同样，章动也是天体中很常见的运动，地球也会章动，地球“点头”一次需要18.6年，中国古代历法以19年为一章，所以这种运动就叫章动。
对于定轴旋转，垂直于转轴方向的合成外力矩恒为零旋转物体的角动量是恒定的，刚体的转轴始终固定；对于定点旋转，刚体的进动与垂直于转轴方向的合成外力矩有关。当定点旋转刚体在垂直于进动方向有微小的偏差时，刚体在进动的同时就会伴随类似简谐振动的章动。[1]易厚晖，姚艳丽.从陀螺仪进动与章动分析谈大学物理中刚体部分的教学[J].师范大学理科学报，2016，36(10):43-45+54.
IMU 中的陀螺仪角度数据
IMU数据主要包括航向角（Phi）、俯仰角（Omega）、滚转角（Kappa）三个数据。
1. 航向角（Phi）：飞机或航天飞机的纵轴与地球北极之间的角度。
2、俯仰角（Omega）：平行于机身轴线并指向飞机前方的矢量与地面之间的夹角。
3、横滚角（Kappa）：横滚角又称侧滚角，是光轴与十圆之间的夹角。
往期亮点：
如果你觉得有用，请