作者簡介

研究一種新知識(shí)，如果對(duì)相關(guān)知識(shí)的歷史和發(fā)展有一些了解的話，會(huì)更加有利于我們對(duì)這種知識(shí)的掌握，也便于讓我們對(duì)于整個(gè)知識(shí)體系結(jié)構(gòu)有個(gè)規(guī)劃。
本章就我們就回溯過去，看看人類對(duì)于姿態(tài)認(rèn)知的科學(xué)技術(shù)是如何演變至今的。

其實(shí)這種香爐中間用來點(diǎn)香的是一個(gè)特制的平臺(tái)，它四周圓形包裹。無論你怎么轉(zhuǎn)動(dòng)這個(gè)容器，怎么滾動(dòng)它，它內(nèi)部燃香的平臺(tái)永遠(yuǎn)是朝上的。古代的中國人經(jīng)常用這個(gè)來驅(qū)蚊除臭，其實(shí)還可以拿來暖被窩。

其最早的記載被發(fā)現(xiàn)在《西京雜記》中：“長安巧工丁緩者……又作臥褥香爐，一名被中香爐，本出房風(fēng)，其法后絕，至緩始更為之。為機(jī)環(huán)轉(zhuǎn)運(yùn)四周，而爐體常平，可置之被褥，故以為名。”

這段話是說，漢武帝時(shí)，京城長安有位叫丁緩(公元前140～前80)的能工巧匠，他制成了當(dāng)時(shí)已經(jīng)失傳的被中香爐。在香爐中貯存著香料，點(diǎn)燃以后，放在被褥之中，隨意滾動(dòng)，香爐可以始終保持水平狀態(tài)，不會(huì)傾翻，所以得名叫被中香爐。此處說的是已經(jīng)失傳的被中香爐，說明發(fā)明這個(gè)容器的人還要比這還要早的多。

如圖1-1所示，這個(gè)就是被中香爐。

圖1-1 被中香爐
分析原理其實(shí)這個(gè)結(jié)構(gòu)有沒有大家可以參考如下圖1-2結(jié)構(gòu)的陀螺儀。

圖1-2 陀螺儀

如圖1-2所示，每個(gè)個(gè)體圓環(huán)支架之間相互垂直，利用支架結(jié)構(gòu)使其各控制一個(gè)方向（XYz軸），無論如何旋轉(zhuǎn)都可以使內(nèi)部的轉(zhuǎn)子（相當(dāng)于被中香爐放香料的地方）保持正面向上，再加上外面的球形的保護(hù)措施。所以無論這個(gè)香爐怎么轉(zhuǎn)動(dòng)都不會(huì)把最內(nèi)部的燃香灑出。

這種結(jié)構(gòu)后來被推廣到了歐洲。1500年意大利科學(xué)家達(dá)·芬奇和卡丹(1501-1576)都做了類似萬象支架的相關(guān)設(shè)計(jì)。萬象支架就好比我們現(xiàn)在看書用的燈具，當(dāng)你調(diào)節(jié)燈的方向的時(shí)候，就相當(dāng)于對(duì)每個(gè)軸進(jìn)行改變。

類似的應(yīng)用還有焊臺(tái)的放大鏡架子，唱歌歌手的立式話筒架子，工廠里面的機(jī)械手也是類似原理。
萬象支架如圖1-3所示，如果在每個(gè)關(guān)節(jié)做個(gè)電機(jī)控制閥，那么這個(gè)支架就是四自由度，你能數(shù)出來嗎？

圖1-3 現(xiàn)代支架
那為什么陀螺儀具有這樣“不倒”的特性？我們可以參考一下陀螺的原理，陀螺具有三大特性：
01

01
定軸性
陀螺在旋轉(zhuǎn)時(shí)中心軸的距離是一定保持不變的，也就是上面圖1-2所示的旋轉(zhuǎn)軸；

02
進(jìn)動(dòng)性
陀螺自身旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，其實(shí)還會(huì)沿著另一個(gè)軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。如圖1-4所示。玩過陀螺的同學(xué)肯定知道，當(dāng)長時(shí)間不抽打陀螺的時(shí)候就會(huì)出現(xiàn)這種繞兩個(gè)旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。就像地球不但自轉(zhuǎn)，而且還公轉(zhuǎn)一樣；

圖1-4 陀螺的進(jìn)動(dòng)

01
章動(dòng)性
當(dāng)陀螺速度由快變慢的時(shí)候，我們可以注意到陀螺會(huì)做一上一下的點(diǎn)頭運(yùn)動(dòng)，這就是章動(dòng)性的體現(xiàn)。
1850年的物理學(xué)家萊昂·傅科（J.Foucault）居然就根據(jù)陀螺的特性證明出了地球的自轉(zhuǎn)。你知道是怎么做的嗎？參閱附錄AA1傅科是如何設(shè)計(jì)地球自轉(zhuǎn)裝置的，獲取更多細(xì)節(jié)。（在本書中有很多這種AN的設(shè)計(jì)，涉及的內(nèi)容多半是雜談等，是可以了解也可以不了解的，如果感興趣的讀者可以看看。但和九軸的開發(fā)沒有什么太大的關(guān)系。）
這樣，人們根據(jù)陀螺的特性才設(shè)計(jì)出了陀螺儀，如圖1-5所示。

圖1-5 陀螺儀
來分析一下這個(gè)結(jié)構(gòu)。陀螺儀的三個(gè)軸（陀螺儀幀、萬向坐標(biāo)系、旋轉(zhuǎn)軸）剛好對(duì)應(yīng)我們之前所說的三軸（X-Y-Z）。中間那個(gè)轉(zhuǎn)子和旋轉(zhuǎn)軸對(duì)應(yīng)的就是上面提到陀螺的特性中的兩個(gè)軸。以轉(zhuǎn)子和旋轉(zhuǎn)軸的交點(diǎn)為原點(diǎn)，建立分別平行于三個(gè)坐標(biāo)的三個(gè)軸，這就是高中所學(xué)的空間向量XYZ坐標(biāo)軸了。
沒錯(cuò)，計(jì)算的時(shí)候要用到很多空間向量這方面的知識(shí)，所以曾經(jīng)說學(xué)數(shù)學(xué)沒用的同學(xué)可要打臉嘍。
在大航海時(shí)代，陀螺儀首先被利用在航海技術(shù)上，船長根據(jù)陀螺儀來判定船只運(yùn)行的傾斜度以便做出相應(yīng)判斷，比如浪高或者浪的強(qiáng)度和方向等。
再后來有了飛機(jī)便開始在航空領(lǐng)域上廣泛使用。因?yàn)轱w機(jī)在空中，是無法像地面一樣輕松靠肉眼來辨認(rèn)方向和飛機(jī)是否水平飛行的，高空的云層和天際線混為一色很容易讓人眼暈，特別是在海上開飛機(jī)的情況下。直接通過肉眼判斷危險(xiǎn)性太高，所以陀螺儀迅速得到了應(yīng)用，成為飛行儀表的核心。
沒體驗(yàn)過的同學(xué)可以去玩玩模擬飛行類型的游戲，然后把屏幕下方的水平儀表盤擋住，然后就知道沒有陀螺儀輔助是什么感覺了。（此時(shí)你不容易判斷是知道飛機(jī)是前傾了一點(diǎn)兒還是后仰了一點(diǎn)兒，左偏還是右斜，就沒法保持絕對(duì)的水平。）
到了二戰(zhàn)，各個(gè)國家的科學(xué)家開始拼命研究制造新式武器。其中德國研發(fā)了一種飛彈可以直接炸到英國本土，這就是今天導(dǎo)彈的雛形。

圖1-6 導(dǎo)彈戰(zhàn)車

但是德國離英國那么遠(yuǎn)的距離如何才能做到精準(zhǔn)打擊而不至于打偏呢？于是德國人研究出來了慣性制導(dǎo)系統(tǒng)。

慣性制導(dǎo)系統(tǒng)主要就是通過陀螺儀來確定方向和角速度，通過加速度計(jì)來矯正導(dǎo)彈的飛行姿態(tài)，并通過計(jì)算，算出飛行的姿態(tài)和方向，在飛行的時(shí)候可以控制導(dǎo)彈的姿態(tài)，讓導(dǎo)彈能準(zhǔn)確的飛到英國倫敦去。
這個(gè)方法和現(xiàn)在的火箭飛行的原理也類似，在火箭飛向太空的時(shí)候，需要不停地做姿態(tài)計(jì)算，從而不停地調(diào)整航道，讓火箭按照計(jì)劃的航道飛行。不過那時(shí)的硬件技術(shù)沒有那么好，內(nèi)部的儀器占用了不少空間和重量，所以導(dǎo)彈顯得笨重而粗大，不像現(xiàn)在都是微型導(dǎo)彈。
我們平時(shí)使用的智能手機(jī)里面其實(shí)也有陀螺儀傳感器。注意了，可不是里面真有個(gè)陀螺在那里在旋轉(zhuǎn)跳躍閉著眼。隨著科技的進(jìn)步，現(xiàn)在的傳感器早已經(jīng)脫離了以前那種粗大笨重的結(jié)構(gòu)。
就拿陀螺儀為例子，現(xiàn)在都是激光陀螺儀，光纖陀螺儀和微機(jī)電陀螺儀等，雖說他們名字都叫陀螺儀，但是原理和以前的陀螺儀已經(jīng)是兩碼事了，他們的體積和精密程度也不可同日而語了。

圖1-7 光纖陀螺儀

光纖陀螺儀利用的是薩格納克(Sagnac)效應(yīng)。（光傳播時(shí)與光路的長度半徑有關(guān)，而與介質(zhì)和相移無關(guān)）利用光傳播的特性，通過測量光程差計(jì)算出旋轉(zhuǎn)的角速度，起到陀螺儀測量角速度的作用，從而達(dá)到陀螺儀的作用。

圖1-8 激光陀螺儀

激光陀螺儀其實(shí)也是通過算光程差來計(jì)算角速度，從而替代以前的陀螺儀測算方案。

圖1-9 微機(jī)電陀螺儀
微機(jī)電陀螺儀是利用物理學(xué)中的科里奧利力（對(duì)旋轉(zhuǎn)體系中進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)由于慣性相對(duì)于旋轉(zhuǎn)體系產(chǎn)生的直線運(yùn)動(dòng)的偏移的一種描述?？评飱W利力來自于物體運(yùn)動(dòng)所具有的慣性。但這種力實(shí)際上是不存在的。），在內(nèi)部產(chǎn)生微小的電容變化，然后通過電容測量，計(jì)算出角速度，以替代陀螺儀。
幾乎現(xiàn)在大部分的移動(dòng)終端設(shè)備（智能手機(jī)、智能手環(huán)、VR、AR設(shè)備等）里所用的陀螺儀，都是微機(jī)電陀螺儀（MEMS）。
而在傳感器的開發(fā)上，分為模擬型和數(shù)字型。也就是說幾乎所有的傳感器都是把要測量的狀態(tài)轉(zhuǎn)化為電容，電壓或者電感的值來進(jìn)行測量，所以你只需要讀取傳感器相應(yīng)的寄存器值，并做相應(yīng)的算法計(jì)算。有些傳感器甚至已經(jīng)給你算好了值，直接讀取就可以使用了。因而開發(fā)反而變得簡單的多了呢。
圖1-10 虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備

現(xiàn)隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)（或物聯(lián)網(wǎng)）的崛起，導(dǎo)致了移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的崛起，從而使得MEMS傳感器的成本越來越低，其中涉及越來越多的行業(yè)和領(lǐng)域都要用到姿態(tài)傳感器。