如何看懂陀螺仪（福玛特一文带你了解神奇的小小陀螺仪）

2017-08-23 16:31:00 作者：吕东兴

2010年，英国导演克里斯托弗诺兰以一部《盗梦空间》席卷全球影院。电影讲述了一个关于梦境与意识的科幻故事。在其中，人们常常会因为梦境过于真实而迷失自我。所以每个潜入梦境的“筑梦师”都需要一个“图腾”帮助自己分辨虚实。

由莱昂纳多·迪卡普里奥饰演的主角的图腾是一枚小小的陀螺，当他身处于梦境时，陀螺会一直旋转、永不停歇，像个小型永动机。时隔几年，这个片中的小道具的“后辈”——陀螺仪火了起来。

陀螺仪是神马东东？

陀螺仪并不仅仅是掌中“肤浅”的玩物，它甚至已经改变了我们一代人的生活状态，是与智能科技、工业制造密不可分的存在，是一种用来感测与维持方向的装置，基於角动量不灭的理论设计出来的。陀螺仪主要是由一个位於轴心可以旋转的轮子构成，一旦开始旋转，由于轮子的角动量，陀螺仪有抗拒方向改变的趋向。陀螺仪多用於导航、定位等系统。

1852年，法国科学家傅科制作了一套能显示地球转动的仪器，命名为陀螺仪。

1914年，陀螺仪开始作为惯性基准构成飞机的电动陀螺稳定装置。

20世纪20年代起，陀螺仪广泛应用于船舶、飞机的自动控制、导航系统。

1975年，激光陀螺仪研制成功，它可靠性高，不受重力加速度的影响，在飞机的惯性导航中得到广泛应用。

80年代以后，陀螺仪技术进入到一个全新的阶段，光纤陀螺仪、激光谐振陀螺仪逐渐取代了传统机械式陀螺仪。

而现代陀螺仪是一种能够精密地确定运动物体方位的仪器，不仅作为指示仪表，更是成为自动控制系统中的信号传感器、稳定器、测试仪器等等，根据需要提供准确的方位、水平、位置、速度和加速度等信号、控制及方位支持。

陀螺仪的基本组成

陀螺仪的装置，一直是航空和航海上航行姿态及速率等最方便实用的参考仪表。从力学的观点近似的分析陀螺的运动时，可以把它看成是一个刚体，刚体上有一个万向支点，而陀螺可以绕着这个支点作三个自由度的转动，所以陀螺的运动是属于刚体绕一个定点的转动运动。更确切地说，一个绕对称轴高速旋转的飞轮转子叫陀螺。将陀螺安装在框架装置上，使陀螺的自转轴有角转动的自由度，这种装置的总体叫做陀螺仪，陀螺仪的基本部件有：

(1) 陀螺转子(常采用同步电机、磁滞电机、三相交流电机等拖动方法来使陀螺转子绕自转轴高速旋转，并见其转速近似为常值)

(2) 内、外框架(或称内、外环，它是使陀螺自转轴获得所需角转动自由度的结构);

(3) 附件(是指力矩马达、信号传感器等)。

陀螺仪的应用

陀螺仪器最早是用于导航，谈到导航我们可能第一时间想到的是高德地图、百度地图等等手机导航软件。实际上从航空航天的激光陀螺仪，到焊接行业的激光导航焊接系统；从船舶激光导航，到自动导航车激光引导技术；从激光导航无人机……导航技术正在逐步普及，逐渐从高精尖行业转化到越来越多的领域，如今甚至被整合到了小小的智能扫地机器人中。

目前，以市面上的扫地机器人为例，最先进的陀螺仪为日本爱普生陀螺仪，在机器运行过程中，能准确检测出机器的运行方向和转弯角度，及时检测出机器现有的运行状况提供给主控软件，保证软件算法的准确实施。

但是，只配备单一的陀螺仪是难以做到机器行进时为精准的弓字形路线，不偏不倚，全屋覆盖的，因为每台扫地机器人的算法高低不同，越是牛的扫地机，其算法也更科学智能。那么什么是算法呢？

扫地机器人的算法

对于扫地机器人来说，最需要明确的三个问题是：

自己在哪里？

自己所在的位置是什么地方？

怎么才能离开这里？

这三个问题所对应的分别为：定位、建图、路径规划。而解决这三个问题就不得不提到SLAM，它的英文全称为simultaneous localization and mapping，中文翻译为同步定位与建图。SLAM就是地图探测的过程，在机器的行进过程中会同步修正位置信息并与建立的地图进行匹配，确保机器人在行进过程中不会因累积误差而找不到路。

SLAM就是最基本的算法，搭配陀螺仪，可以初步使扫地机具备规划的功能，但仍容易出现偏差。经过不断迭代，目前业内最先进的算法是福玛特机器人的F-SLAM III惯导技术。

福玛特F-SLAM III惯导技术

惯导系统是目前广泛运用在航天飞机、军事导弹及无人机等科技领域的技术。福玛特以此为依托，研发出的 F-SLAM III 惯导系统，是具备控制 负反馈的闭环控制体系，能做到精准高效矩阵式清扫。

福玛特F-SLAM III 惯导系统采用全坐标算法控制 （Full Coordinate Arithmetic Control），依靠主动轮组上霍尔系统精准控制机器在行走过程中的全过程坐标定位（无论机器走到哪里，机器都能准确知道自己当下的准确坐标值），主控软件借助此坐标值能精准地驱使机器在坐标平面内无重复高效率覆盖所需要清扫的地面。

加之日本爱普生陀螺仪的运用，实时监控机器人清扫中的坐标定位、运行方向、转弯角度,引导自身安全行驶，直至目标位置。因此，具备福玛特F-SLAM III 惯导系统的扫地机器人才能做到真规划、不漏扫。