作者簡介

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

其實這種香爐中間用來點香的是一個特制的平臺，它四周圓形包裹。無論你怎么轉(zhuǎn)動這個容器，怎么滾動它，它內(nèi)部燃香的平臺永遠是朝上的。古代的中國人經(jīng)常用這個來驅(qū)蚊除臭，其實還可以拿來暖被窩。

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，其法后絕，至緩始更為之。為機環(huán)轉(zhuǎn)運四周，而爐體常平，可置之被褥，故以為名?！?/span>

這段話是說，漢武帝時，京城長安有位叫丁緩(公元前140～前80)的能工巧匠，他制成了當時已經(jīng)失傳的被中香爐。在香爐中貯存著香料，點燃以后，放在被褥之中，隨意滾動，香爐可以始終保持水平狀態(tài)，不會傾翻，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)明這個容器的人還要比這還要早的多。

如圖1-1所示，這個就是被中香爐。

圖1-1 被中香爐
分析原理其實這個結(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，每個個體圓環(huán)支架之間相互垂直，利用支架結(jié)構(gòu)使其各控制一個方向（XYz軸），無論如何旋轉(zhuǎn)都可以使內(nèi)部的轉(zhuǎn)子（相當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措施。所以無論這個香爐怎么轉(zhuǎn)動都不會把最內(nèi)部的燃香灑出。

這種結(jié)構(gòu)后來被推廣到了歐洲。1500年意大利科學家達·芬奇和卡丹(1501-1576)都做了類似萬象支架的相關(guān)設計。萬象支架就好比我們現(xiàn)在看書用的燈具，當你調(diào)節(jié)燈的方向的時候，就相當于對每個軸進行改變。

類似的應用還有焊臺的放大鏡架子，唱歌歌手的立式話筒架子，工廠里面的機械手也是類似原理。
萬象支架如圖1-3所示，如果在每個關(guān)節(jié)做個電機控制閥，那么這個支架就是四自由度，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
進動性
陀螺自身旋轉(zhuǎn)的時候，其實還會沿著另一個軸做旋轉(zhuǎn)運動。如圖1-4所示。玩過陀螺的同學肯定知道，當長時間不抽打陀螺的時候就會出現(xiàn)這種繞兩個旋轉(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 陀螺的進動

01
章動性
當陀螺速度由快變慢的時候，我們可以注意到陀螺會做一上一下的點頭運動，這就是章動性的體現(xiàn)。
1850年的物理學家萊昂·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傅科是如何設計地球自轉(zhuǎn)裝置的，獲取更多細節(jié)。（在本書中有很多這種AN的設計，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)陀螺的特性才設計出了陀螺儀，如圖1-5所示。

圖1-5 陀螺儀
來分析一下這個結(jié)構(gòu)。陀螺儀的三個軸（陀螺儀幀、萬向坐標系、旋轉(zhuǎn)軸）剛好對應我們之前所說的三軸（X-Y-Z）。中間那個轉(zhuǎn)子和旋轉(zhuǎn)軸對應的就是上面提到陀螺的特性中的兩個軸。以轉(zhuǎn)子和旋轉(zhuǎn)軸的交點為原點，建立分別平行于三個坐標的三個軸，這就是高中所學的空間向量XYZ坐標軸了。
沒錯，計算的時候要用到很多空間向量這方面的知識，所以曾經(jīng)說學數(shù)學沒用的同學可要打臉嘍。
在大航海時代，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行的傾斜度以便做出相應判斷，比如浪高或者浪的強度和方向等。
再后來有了飛機便開始在航空領域上廣泛使用。因為飛機在空中，是無法像地面一樣輕松靠肉眼來辨認方向和飛機是否水平飛行的，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的情況下。直接通過肉眼判斷危險性太高，所以陀螺儀迅速得到了應用，成為飛行儀表的核心。
沒體驗過的同學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。（此時你不容易判斷是知道飛機是前傾了一點兒還是后仰了一點兒，左偏還是右斜，就沒法保持絕對的水平。）
到了二戰(zhàn)，各個國家的科學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，這就是今天導彈的雛形。

圖1-6 導彈戰(zhàn)車

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

慣性制導系統(tǒng)主要就是通過陀螺儀來確定方向和角速度，通過加速度計來矯正導彈的飛行姿態(tài)，并通過計算，算出飛行的姿態(tài)和方向，在飛行的時候可以控制導彈的姿態(tài)，讓導彈能準確的飛到英國倫敦去。
這個方法和現(xiàn)在的火箭飛行的原理也類似，在火箭飛向太空的時候，需要不停地做姿態(tài)計算，從而不停地調(diào)整航道，讓火箭按照計劃的航道飛行。不過那時的硬件技術(shù)沒有那么好，內(nèi)部的儀器占用了不少空間和重量，所以導彈顯得笨重而粗大，不像現(xiàn)在都是微型導彈。
我們平時使用的智能手機里面其實也有陀螺儀傳感器。注意了，可不是里面真有個陀螺在那里在旋轉(zhuǎn)跳躍閉著眼。隨著科技的進步，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。（光傳播時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，從而達到陀螺儀的作用。

圖1-8 激光陀螺儀

激光陀螺儀其實也是通過算光程差來計算角速度，從而替代以前的陀螺儀測算方案。

圖1-9 微機電陀螺儀
微機電陀螺儀是利用物理學中的科里奧利力（對旋轉(zhuǎn)體系中進行直線運動的質(zhì)點由于慣性相對于旋轉(zhuǎn)體系產(chǎn)生的直線運動的偏移的一種描述?？评飱W利力來自于物體運動所具有的慣性。但這種力實際上是不存在的。），在內(nèi)部產(chǎn)生微小的電容變化，然后通過電容測量，計算出角速度，以替代陀螺儀。
幾乎現(xiàn)在大部分的移動終端設備（智能手機、智能手環(huán)、VR、AR設備等）里所用的陀螺儀，都是微機電陀螺儀（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行測量，所以你只需要讀取傳感器相應的寄存器值，并做相應的算法計算。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)實設備

現(xiàn)隨著移動互聯(lián)網(wǎng)（或物聯(lián)網(wǎng)）的崛起，導致了移動互聯(lián)網(wǎng)設備的崛起，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)和領域都要用到姿態(tài)傳感器。