陀螺儀是個很神奇的物體，在很多場合都能看到，它是一個應用很廣的器件，在很多領域都有廣泛運用，今天筆者就給大家講解陀螺儀在平衡車上的應用講解陀螺儀的工作原理。

什么是陀螺儀？

陀螺儀是用高速回轉體的動量矩敏感殼體相對慣性空間繞正交于自轉軸的一個或二個軸的角運動檢測裝置。利用其他原理制成的角運動檢測裝置起同樣功能的也稱陀螺儀。

從力學的觀點近似的分析陀螺的運動時，可以把它看成是一個剛體，剛體上有一個萬向支點，而陀螺可以繞著這個支點作三個自由度的轉動，所以陀螺的運動是屬于剛體繞一個定點的轉動運動。更確切地說，一個繞對稱軸高速旋轉的飛輪轉子叫陀螺。將陀螺安裝在框架裝置上，使陀螺的自轉軸有角轉動的自由度，這種裝置的總體叫做陀螺儀。

陀螺儀的工作原理

陀螺儀多用于導航、定位等系統常用實例如手機GPS定位導航、衛星三軸陀螺儀定位。陀螺儀基本上就是運用物體高速旋轉時，角動量很大，旋轉軸會一直穩定指向一個方向的性質，所制造出來的定向儀器。不過它必需轉得夠快，或者慣量夠大（也可以說是角動量要夠大）。不然只要一個很小的力矩，就會嚴重影響到它的穩定性。

陀螺儀器最早是用于航海導航，但隨著科學技術的發展，它在航空和航天事業中也得到廣泛的應用。陀螺儀器不僅可以作為指示儀表，而更重要的是它可以作為自動控制系統中的一個敏感元件，即可作為信號傳感器。根據需要，陀螺儀器能提供準確的方位、水平、位置、速度和加速度等信號，以便駕駛員或用自動導航儀來控制飛機、艦船或航天飛機等航行體按一定的航線飛行，而在導彈、衛星運載器或空間探測火箭等航行體的制導中，則直接利用這些信號完成航行體的姿態控制和軌道控制。

作為穩定器，陀螺儀器能使列車在單軌上行駛，能減小船舶在風浪中的搖擺，能使安裝在飛機或衛星上的照相機相對地面穩定等等。作為精密測試儀器，陀螺儀器能夠為地面設施、礦山隧道、地下鐵路、石油鉆探以及導彈發射井等提供準確的方位基準。由此可見，陀螺儀器的應用范圍是相當廣泛的，它在現代化的國防建設和國民經濟建設中均占重要的地位。

1、隧道中心線測量的原理

在隧道等挖掘工程中，坑內的中心線測量一般采用難以保證精度的長距離導線。特別是進行盾構挖掘（shield tunnel）的情況，從立坑的短基準中心線出發必須有很高的測角精度和移站精度，測量中還要經常進行地面和地下的對應檢查，以確保測量的精度。特別是在密集的城市地區，不可能進行過多的檢測作業而遇到困難。如果使用陀螺經緯儀可以得到絕對高精度的方位基準，而且可減少耗費很高的檢測作業（檢查點最少），是一種效率很高的中心線測量方法。

2、通視障礙時的方向角獲取的原理

當有通視障礙，不能從已知點取得方向角時，可以采用天文測量或陀螺經緯儀測量的方法獲取方向角（根據建設省測量規范）。與天文測量比較，陀螺經緯儀測量的方法有很多優越性：對天氣的依賴少、云的多少無關、無須復雜的天文計算、在現場可以得到任意測線的方向角而容易計算閉合差。

陀螺儀在平衡車和獨輪車上的應用

平衡車之所以能這么風風火火，陀螺儀的作用不言而喻，我們騎行在車上，全憑它的感知，然后通過復雜的計算控制程序來確實各種平衡性，現在的電動獨輪車里面的陀螺儀也是一個電子元器件了，而不是一個硬件設備了。電動獨輪車內置陀螺儀傳感器，利用該傳感器，車載驅動電路上的CPU會以每秒200次的速度計算車身的前后平衡，如果身體重心向前傾斜，前方數值大于后方，此時CPU就會發出指令給驅動電路上的傳感器，調整電機轉動方向與速度，讓電機向后方轉動，車輛向前，反之，車輛向后，身體向前傾斜的越厲害，速度就越快；而向左和向右傾斜身體是轉彎。

平衡車是靠電機驅動的，采用陀螺儀與驅動電路控制保持不倒。把身體向前傾斜就可以啟動。速度則是由傾斜程度來控制的，想要加速則向前傾，減速則向后傾。有能力做到自身平衡是最令人吃驚的地方，而這一點也是操作的關鍵所在。要想弄明白這個系統的工作原理，最好考慮一下制作這個設備的模型——人體。

如果你站起來，向前傾身而失去了平衡，但是你可能不會摔個大馬趴。你的大腦知道你失去了平衡，因為你內耳中的液體移動了位置。因此，它促使你的腿向前邁，防止你摔倒。如果你的身體一直往前傾斜，你的大腦會持續讓你的腿向前邁，讓你保持直立姿勢。結果是你沒有摔倒，而是往前走了，一次走一步。

它的工作原理與此大體相同，不同的是它有輪子而不是人腿，有一個馬達而不是肌肉，有一組微處理器而不是大腦，有一套復雜的傾斜傳感器和陀螺傳感器而不是內耳平衡系統。如同你的大腦一樣，SegwayPT知道你什么時候身體向前傾斜。為了保持平衡，它以恰當的速度轉動輪子，這樣你就向前移動了。

陀螺儀在手機上的應用

陀螺儀自被發明開始，就用于導航，先是德國人將其應用在V1、V2火箭上，因此，如果配合GPS，手機的導航能力將達到前所未有的水準。實際上，很多專業手持式GPS上也裝了陀螺儀，如果手機上安裝了相應的軟件，導航能力絕不亞于很多船舶、飛機上用的導航儀。還可以實現GPS的慣性導航：當汽車行駛到隧道或城市高大建筑物附近，沒有GPS訊號時，可以通過陀螺儀來測量汽車的偏航或直線運動位移，從而繼續導航。

可以和手機上的攝像頭配合使用，比如防抖，在拍照時的維持圖像的穩定，防止由于手的抖動對拍照質量的影響。在按下快門時，記錄手的抖動動作，將手的抖動反饋給圖像處理器，可以讓手機捕捉到更清晰穩定的畫面。各類游戲的傳感器，比如飛行游戲，體育類游戲，甚至包括一些第一視角類射擊游戲，陀螺儀完整監測游戲者手的位移，從而實現各種游戲操作效果。有關這點，想必用過任天堂WII的網友會有很深的感受。

可以用作輸入設備，陀螺儀相當于一個立體的鼠標，這個功能和第三大用途中的游戲傳感器很類似，甚至可以認為是一種類型。通過小幅度的傾斜，偏轉手機，實現菜單，目錄的選擇和操作的執行。（比如前后傾斜手機，實現通訊錄條目的上下滾動；左右傾斜手機，實現瀏覽頁面的左右移動或者頁面的放大或縮小。）

陀螺儀也是未來最有前景和應用范圍的用途。那就是可以幫助手機實現很多增強現實的功能。增強現實是才冒出的概念，和虛擬現實一樣，是計算機的一種應用。大意是可以通過手機或者電腦的處理能力，讓人們對現實中的一些物體有更深入的了解。如果大家不理解，舉個例子，前面有一個大樓，用手機攝像頭對準它，馬上就可以在屏幕上得到這座大樓的相關參數，比如樓的高度，寬度，海拔，如果連接到數據庫，甚至可以得到這座大廈的物主、建設時間、現在的用途、可容納的人數等等。