本文我們將簡單了解陀螺儀的構造、用途、原理、以及三大特性，最后用圖來說明陀螺儀姿態的三個角度數據。
陀螺儀有什么用途？
陀螺儀經常出現在慣性決策單元（IMU）中。在上一篇文章（點擊跳轉）中我們提到了慣性導航系統INS，其中組成慣性導航系統的設備單元IMU就是由陀螺儀組成。它可以實現不依賴外界信息輸入。慣性導航系統可以給自動駕駛汽車提供航向、姿態、速度、位置等導航參數，是高精度定位不可或缺的一部分。
陀螺儀不僅應用于自動駕駛定位，還廣泛用于航海、航天、軍事等各個領域，可以很好地測量旋轉、偏轉等運動，并可以感知飛行器姿態的變化旋轉物體的角動量是恒定的，并將這些信息反饋給控制系統，從而實現飛行器的姿態控制和穩定飛行。
旋轉陀螺儀
陀螺儀可以感知一個或多個軸的角速度英語作文，能夠精確感知自由空間中的復雜運動，因此陀螺儀已成為追蹤物體運動和旋轉的必備運動傳感器。與加速度計和電子羅盤不同，陀螺儀不需要重力、磁場等外力，可以自主工作，因此理論上僅使用陀螺儀就可以完成姿態導航任務。
陀螺儀
簡單來說，陀螺儀是依據角動量守恒定律設計的，陀螺儀主要由位于軸心的可旋轉轉子組成，一旦陀螺儀開始旋轉，由于轉子的角動量，陀螺儀會傾向于抵抗方向的改變。
那么陀螺儀為什么會有這樣的用途呢?說陀螺儀的原理，首先就要說陀螺儀的特點。
陀螺儀的特點有哪些？
1. 固定軸
陀螺儀在轉動過程中不會傾倒，得益于它的第一個特性，即定軸性，即當陀螺儀軸不受外界力矩影響時，它的方向始終指向初始的恒定位置。
陀螺儀在旋轉時，若作用于它的外力的力矩為零，則角動量定理表明，陀螺儀相對于支點的角動量守恒，運動過程中角動量的方向不變。陀螺儀上的每一點都在垂直于旋轉軸的平面內沿圓周旋轉。根據慣性定律，每個點總是試圖沿圓周的一條切線離開圓周，但所有切線都與圓周本身處于同一平面內。因此，每個點在移動時，都盡力停留在垂直于旋轉軸的平面上。
陀螺儀軸穩定性
2. 漸進式
陀螺儀的第二個特性是進動。當陀螺儀高速旋轉時，陀螺儀的中心軸好像在繞著一根直立的桿子旋轉。這種高速旋轉物體的軸在空間旋轉的現象就叫進動。這是因為當陀螺儀受到重力作用于支點的力矩時，根據角動量定理，角動量的矢量方向會跟隨陀螺儀的旋轉，描繪出一個圓錐體，如下圖所示。
陀螺儀的進動
其實，我們在日常生活中經常可以看到進動現象，比如自行車在行駛過程中，如果稍微傾斜了，只要將車頭稍微轉向另一側，自行車就能保持平衡，這是因為重力在輪胎支點上形成了一個進動力矩，使得自行車重新恢復平衡。
3. 章動
陀螺儀的第三個特性是章動。陀螺儀不可能一直旋轉下去，當陀螺儀因摩擦而開始慢慢下落時，它所做的運動就是章動。章動是指剛體進動時，繞旋轉軸的角動量傾斜角的變化。拉丁語中是點頭的意思。陀螺儀進動時，陀螺儀的陀螺頭也在點頭。
章動與進動之間的關系
同樣，章動也是天體中很常見的運動，地球也會章動，地球“點頭”一次需要18.6年，中國古代歷法以19年為一章，所以這種運動就叫章動。
對于定軸旋轉，垂直于轉軸方向的合成外力矩恒為零旋轉物體的角動量是恒定的，剛體的轉軸始終固定；對于定點旋轉，剛體的進動與垂直于轉軸方向的合成外力矩有關。當定點旋轉剛體在垂直于進動方向有微小的偏差時，剛體在進動的同時就會伴隨類似簡諧振動的章動。[1]易厚暉，姚艷麗.從陀螺儀進動與章動分析談大學物理中剛體部分的教學[J].師范大學理科學報，2016，36(10):43-45+54.
IMU 中的陀螺儀角度數據
IMU數據主要包括航向角（Phi）、俯仰角（Omega）、滾轉角（Kappa）三個數據。
1. 航向角（Phi）：飛機或航天飛機的縱軸與地球北極之間的角度。
2、俯仰角（Omega）：平行于機身軸線并指向飛機前方的矢量與地面之間的夾角。
3、橫滾角（Kappa）：橫滾角又稱側滾角，是光軸與十圓之間的夾角。
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