陀螺仪发展历史
陀螺仪简介陀螺仪简介【编辑此段】绕一个支点高速旋转的刚体叫做陀螺。通常陀螺是对称陀螺，是质量分布均匀、轴对称形状的刚体，其几何对称轴是其旋转轴。它是从苍蝇的后翅仿生而来的(专门作为平衡杆)。在一定的初始条件和一定的外力矩下，陀螺会同时保持绕另一个固定轴旋转，这就是陀螺的进动，也叫陀螺效应。很多人小时候玩陀螺是日常生活中常见的现象。陀螺仪是人们利用陀螺的机械特性制成的一种具有各种功能的陀螺器件，广泛应用于科学、技术、军事等领域。例如:陀螺罗盘、方向指示器、炮弹的倾覆、陀螺仪的章动、地球在太阳(月亮)引力下的岁差(进动)等等。陀螺仪的原理【编辑此段】陀螺仪的原理是旋转物体的转轴在不受外力作用时所指向的方向不会改变。根据这个道理，人们用它来保持方向，做出来的东西叫陀螺仪。我们骑自行车的时候其实用的就是这个原理。轮子转得越快，就越不容易掉下来，因为车轴有保持水平的力。陀螺仪工作时要给它一个力，让它快速旋转，一般可以达到每分钟几十万转，可以长时间工作。然后通过各种方法读取轴指示的方向，数据信号自动传输到控制系统。现代陀螺仪【编辑此段】现代陀螺仪是一种能够精确确定运动物体方位的仪器。它是现代航空、航海、航天和国防工业中广泛使用的惯性导航仪器，它的发展对一个国家的工业、国防和其他高技术的发展具有重要的战略意义。传统的惯性陀螺仪主要是指机械陀螺仪，对工艺结构要求高，结构复杂，精度受到多方面的制约。自20世纪70年代以来，现代陀螺仪的发展进入了一个新阶段。1976等人提出了现代光纤陀螺的基本思想。80年代以后，现代光纤陀螺发展非常迅速，与此同时，激光谐振陀螺也有了很大发展。由于光纤陀螺具有结构紧凑、灵敏度高、工作可靠等优点，在许多领域已经完全取代了传统的机械陀螺，成为现代导航仪器中的关键部件。伴随着光纤陀螺的发展，不仅有环形激光陀螺，还有现代集成振动陀螺，集成度更高，体积更小，也是现代陀螺的一个重要发展方向。现代光纤陀螺包括干涉型陀螺和谐振型陀螺，这两种陀螺都是根据塞格尼克的理论发展起来的。塞格尼克理论的要点是这样的:当光束在环形通道中传播时，如果环形通道本身具有旋转速度，那么光束在通道旋转方向上的传播时间要比在相反方向上的传播时间长。也就是说，当光学回路旋转时，光学回路的光路会相对于静止时回路的光路在不同的方向上发生变化。利用这种光路的变化，如果通过干涉不同方向前进的光来测量环路的转速，就可以制造出干涉型光纤陀螺。如果利用这种光程的变化，即通过调节光纤环路中光的谐振频率，然后测量环路的转速来实现环路中循环光之间的干涉，就可以制造出谐振式光纤陀螺。从这个简单的介绍可以看出，干涉型陀螺仪的光程差较小，所以它要求的光源可以有较大的光谱宽度，而谐振型陀螺仪的光程差较大，所以它要求的光源必须具有良好的单色性。陀螺仪的用途[编辑此段]陀螺仪是一种古老而又至关重要的仪器。第一台真正实用的陀螺仪器问世已经半个多世纪了，但直到现在，它仍然在吸引着人们对它的研究，这是由它自身的特点决定的。陀螺仪最重要的基本特性是稳定性和进动性。人们早就从孩子们玩的地面陀螺仪中发现，高速旋转的陀螺仪能保持垂直，与地面垂直，这反映了陀螺仪的稳定性。研究陀螺仪运动特性的理论是刚体绕定点运动动力学的一个分支，以物体的惯性为基础研究旋转物体的动力学特性。陀螺仪器最早用于导航，但随着科学技术的发展，它也被广泛应用于航空和航天领域。陀螺仪表不仅可以作为指示器，更重要的是可以作为自动控制系统中的敏感元件，即作为信号传感器。陀螺仪表可以根据需要提供精确的方位、水平、位置、速度、加速度等信号，以便飞行员或自动导航员控制飞机、船舶或航天飞机沿一定路线飞行。在导弹、卫星运载器或空间探测火箭的制导中，这些信号被直接用来完成导航体的姿态控制和轨道控制。陀螺仪表作为稳定器，可以使列车在单轨上运行，减少船舶在风浪中的摇摆，使安装在飞机或卫星上的摄像机相对于地面稳定。陀螺仪器作为一种精密测试仪器，可以为地面设施、矿井隧道、地下铁路、石油钻井、导弹发射井等提供精确的方位参考。可见，陀螺仪器的应用范围相当广泛，在现代国防建设和国民经济建设中发挥着重要作用。陀螺仪的基本组成部分【编辑此段】从力学角度近似分析陀螺仪的运动时，可将其视为刚体。
从指南针到现代的陀螺罗盘有什么历史？中国在四千多年前的黄帝时代就发明了指南针，战国时期就开始使用新浪。大约在公元前1世纪，中国巫师用一个北斗七星形状的磁铁矿制成的勺子，放在一个光滑的铜天盘上，用来指示北极。大约在公元1090年，中国航海家将指南针应用于航海实践。欧洲直到公元11世纪才学会制作指南针。公元1190年，意大利航海家开始用一碗水漂提起一根铁针，用磁铁矿或天然磁铁将铁针磁化，根据铁针偏转的方向来检验自己对方向的估计是否正确。到了1250年左右，这种东西已经发展成了航海罗盘，由玻璃盒子里的刻度和支撑轴上处于平衡状态的指针组成。白天指示水平方向，晚上放在有灯光的罗盘柜里。14世纪初，意大利人乔亚(Gioia)首次将纸做的定向表盘与磁针连接起来进行传动。这是磁罗盘发展的一次飞跃。从此船不用手动转罗盘了。16世纪，意大利人卡尔登做了一个平衡环，当船摇晃时，它能使磁罗盘保持水平。陀螺罗盘，也叫陀螺罗盘，是一种提供真北参考的指向仪器。它是根据法国学者福柯1852提出的利用陀螺仪作为指向仪器的原理制作的。陀螺罗盘有两个优点:不会因为接近金属而偏转，指向真北而不是磁北。现代电罗经由主罗经和辅助仪器组成，正朝着体积小、重量轻、寿命长、维修方便、操作简单、适用于大、中、小型船舶的方向发展。其敏感部件一般做成密封球体，用特殊液体支撑，以提高其精度和可靠性。无论是它在恶劣环境条件下的可靠性，还是它的准确性，都远远超出了当年的指南针。
关于陀螺仪的起源、历史和发展没有详细的记载，但在新石器时代遗址中已有陀螺仪出土，如江苏常州出土的新石器时代马家窑文化木制陀螺仪和山西龙山文化遗址出土的陶制陀螺仪。目前的文史记载，大多是从宋代出现的一种类似陀螺的玩具开始，叫做“千千”(或称千千车)；那是一个圆盘状的物体，中心轴(铁做的)长约一英寸(直径约四英寸)，用手在圆盘内扭动，比拼谁转的时间长。这是当时在皇宫后院的嫔妃和宫女用来打发寂寞时光的游戏之一。台湾故宫博物院所藏宋代苏汉臣的《婴戏图》(凯丰人，北宋时曾在惠宗宣和画院当侍者，师从擅长讲解道教人物画尤其是婴戏图的柳宗谷)，图前有两个小孩在玩一个陀螺，也证实了当时确实有一个倒钟形的陀螺。从图片上看，当时的陀螺应该是木头做的，像个圆锥体，用的。当它慢下来的时候，用绳子不断拍打它的侧面，这样它就可以一直转。时至今日，大陆北方的孩子们在冬天和早春仍然很受欢迎，尤其是在厚厚的冰面上投掷和玩耍，更是其乐无穷。在苏汉臣的另一幅作品《秋庭戏婴》中，有一个推枣磨的道具。这是一个旋转和平衡的游戏。谁能保持枣磨平衡，转的时间长，谁就赢了。这幅画也可以证明当时有多种类型的陀螺玩具。据明代《帝都风光略》记载，陀螺似小空钟，木质，实心，无柄。它身上缠着一条没有竹尺的鞭子绳，在地下突出，它的鞭子急拉。当你按下按钮时，陀螺转动，没有声音。慢慢来一鞭，就没有回头路了。转着病，就像卓立的地面，顶光旋转，影子不动。对其小空钟形、中间无柄、鞭上绕绳的描述，证明明末的陀螺与今天的鞭陀螺无异。刘冬《杨柳火》诗中写道:杨柳火，鞭首陀罗，“陀螺”一词正式出现在这个时期。也被称为“叛徒”
关于陀螺的起源、历史和发展，由于历史久远，没有详细的资料记录可供进一步考虑。陀螺最早出现在后魏时期的史籍中，当时称为独乐。在一般的书籍或者网上的资料查询中，我们可以知道，在宋朝的时候，有一个类似陀螺游戏的小玩意，名叫千千，类似于今天的手扭陀螺造型。它由象牙制成，圆盘直径约4英寸，中心插有一根铁针作为轴心。这是古代女仆用来打发时间的贵族游戏。它的玩法是将一个长约3厘米的针状物体放入一个象牙盘中，用手扭动。
陀螺的发展历史陀螺又称sudra，是一种很受欢迎的儿童玩具。它的基本形式是把木头切割成一个圆锥面，底部平底，尖尖的，更优雅一点的是在尖尖的脚处安装了一个钢球。常见的玩法是用小鞭子的尖端缠在它的腰上，然后用力拉使它旋转，再不断地抽打使它旋转。所以，每当人们把这种游戏叫做旋转陀螺或者鞭打陀螺的时候，在南北方城乡的顽童们的嘴里，也有一些带有邪恶意味的常用名称，比如“鞭打廉价骨头”、“打懒婆娘”、“打冰猴”。
和陀螺昵称五颜六色的现象形成对比，关于这个游戏的时间和演变也有很多看法。
有人推测陀螺仪的发明和发展经历了手旋陀螺仪、鞭旋陀螺仪和鸣钟陀螺仪(即“空钟”)三个阶段。一个旋转的陀螺是一个圆盘，圆盘的中心穿过轴，然后用手转动轴，使圆盘旋转，就是宋《老武林》中所载的“千千大车、轮盘”等“儿戏之物”。据杭世俊《道堂集》记载，这种手摇陀螺在明代成为朝廷喜爱的游戏，被称为“妆场”。除了让它更优雅之外，还有一种新玩法:当它慢下来，有停下或倾斜的危险时，允许用袖子擦，也就是用外力补救。谁转的时间长谁就赢，游戏规则是不允许转出事先划定的界限。这个“袖击”动作后来变成了小绳鞭。写于明末的《京师风光略》一书，曾经记载了当时北京流行的一首童谣:“刘洋二活画陀螺”，并介绍了具体的玩法，与现代的鞭挞陀螺一模一样。据此可以推断，手摇陀螺产生于宋代，最后在明代“妆场”转场后发展为鞭旋陀螺，其具体时间约为明代中期或以后。
还有一个人引用了唐代文学家袁捷写的《恶圈》:“紫苑家有个奶妈，是个哄宝宝的转器，宝宝开心。妈妈们把孩子和孩子聚集在一起，帮助婴儿享受生活……”这个“旋转装置”能产生“聚儿聚女”的效果，说明玩起来很吸引人，估计是个旋转陀螺之类的。这样手纺陀螺的产生时间可以往前推几百年。
还有人指出:“首陀罗最迟在宋代就已十分流行，宋人留下的画中可见首陀罗和小鞭，证明当时首陀罗的形状与现在基本相同”(王连海《中国民间玩具简史》，北京工艺美术出版社，1997)。可惜的是，关于他们所依据的画作，评论家们并没有给出具体的解释。
此外，有人认为陀螺仪的发明和发展应该是先有鞭旋陀螺仪，后有手旋陀螺仪和鸣陀螺仪，而鞭旋陀螺仪早在原始社会就已出现，依据是20世纪20年代李记和袁敦礼提出的一份题为《尹喜村史前遗存》的考古报告。报道称，陕西夏县尹喜村仰韶文化遗址出土了一个小型陶瓷陀螺。这种“小型陶瓷陀螺”的形状和用途是否可以应用到玩具游戏的概念中，因为实物的丢失，似乎很难找到答案。如果这个实现了，陀螺生产的时间至少可以往前推四千年。至于手旋陀螺，批评者认为是在原始社会的鞭旋陀螺基础上发展而来的。最初的制作方法是选择一个重量较大的方孔，在孔内固定一个长度约一分钟的竹柄。虽然中国文献中没有这种游戏的记载，但毫无疑问，这种游戏一定是在钱币出现之后才出现的。最后发明了会唱歌的陀螺，但时间不晚于五代。日本史料证明了这一点:日本游戏的作者发现“念都乐”是“从中国经朝鲜”来到日本的。所谓“独乐”就是唱歌的陀螺，“念”就是唱歌，“独乐”和“陀螺”的声音差不多；据《日本人名集抄》记载，其原译名为《辨色》。该书是日本成平年间(931-938)出版的，因此推断我国出口朝鲜和日本的唱歌陀螺是在931年(后唐明帝长兴二年)之前。总之，这些资料可以弥补我国宋代以前文献的损失(狄华《陀螺游戏出国到韩日》，《中国体育史参考》，第6辑，1958)。
什么是陀螺仪？陀螺仪是飞机的核心制导设备，原理和日常生活中看到的差不多。无论载体如何运动，陀螺仪都能保持平衡。现代陀螺仪是一种能精确确定运动物体方位的仪器。是现代航空、航海、航天和国防工业中广泛使用的惯性导航仪器。它的发展对一个国家的工业、国防和其他高技术的发展具有重要的战略意义。传统的惯性陀螺仪主要是指机械陀螺仪，对工艺结构要求高，结构复杂，精度受到多方面的制约。自20世纪70年代以来，现代陀螺仪的发展进入了一个新阶段。1976等人提出了现代光纤陀螺的基本思想。80年代以后，现代光纤陀螺发展非常迅速，与此同时，激光谐振陀螺也有了很大发展。由于光纤陀螺具有结构紧凑、灵敏度高、工作可靠等优点，在许多领域已经完全取代了传统的机械陀螺，成为现代导航仪器中的关键部件。伴随着光纤陀螺的发展，不仅有环形激光陀螺，还有现代集成振动陀螺，集成度更高，体积更小，也是现代陀螺的一个重要发展方向。现代光纤陀螺包括干涉型陀螺和谐振型陀螺，这两种陀螺都是根据塞格尼克的理论发展起来的。塞格尼克理论的要点是这样的:当光束在环形通道中传播时，如果环形通道本身具有旋转速度，那么光束在通道旋转方向上的传播时间要比在相反方向上的传播时间长。也就是说，当光学回路旋转时，光学回路的光路会相对于静止时回路的光路在不同的方向上发生变化。利用这种光路的变化，如果通过在不同方向上前进的光之间的干涉来测量环路的旋转速度，则可以制造干涉型光纤陀螺仪。如果利用这种光程的变化，即通过调节光纤环路中光的谐振频率，然后测量环路的转速来实现环路中循环光之间的干涉，就可以制造出谐振式光纤陀螺。从这个简单的介绍可以看出，干涉型陀螺仪的光程差较小，所以它要求的光源可以有较大的光谱宽度，而谐振型陀螺仪的光程差较大，所以它要求的光源必须具有良好的单色性。。
从指南针到现代陀螺罗盘的发展历史是怎样的？中国在4000多年前的黄帝时代就发明了指南针，战国时期就使用了“司南”。大约在公元前1世纪，中国巫师用一个北斗七星形状的磁铁矿制成的勺子，放在一个光滑的铜天盘上，用来指示北极。大约在公元1090年，中国航海家将指南针应用于航海实践。
欧洲直到公元11世纪才学会制作指南针。公元1190年，意大利航海家开始用一碗水漂提起一根铁针，用磁铁矿或天然磁铁将铁针磁化，根据铁针偏转的方向来检验自己对方向的估计是否正确。到了1250左右，这种东西已经发展成了导航罗盘，由玻璃盒子里的刻度和支撑轴上处于平衡状态的指针组成。白天指示水平方向，晚上放在有灯光的罗盘柜里。
14世纪初，意大利人乔亚(Gioia)首次将纸做的定向表盘与磁针连接起来进行传动。这是磁罗盘发展的一次飞跃。从此船不用手动转罗盘了。16世纪，意大利人卡尔登做了一个平衡环，当船摇晃时，它能使磁罗盘保持水平。
陀螺罗盘，也叫陀螺罗盘，是一种提供真北参考的指向仪器。它是根据法国学者福柯1852提出的利用陀螺仪作为指向仪器的原理制作的。陀螺罗盘有两个优点:不会因为接近金属而偏转，指向真北而不是磁北。现代罗经由主罗经和辅助仪器组成，正朝着体积小、重量轻、寿命长、维修方便、操作简单、适用于大、中、小型船舶的方向发展。其敏感部件一般做成密封球体，用特殊液体支撑，以提高其精度和可靠性。无论是它在恶劣环境条件下的可靠性，还是它的准确性，都远远超出了当年的指南针。
有人知道惯性导航技术发展的历史进程吗？从广义上讲，引导导航载体从起点到目的地的过程称为导航。狭义的导航是指向导航载体提供实时姿态、速度和位置信息的技术和方法。早期，人们依靠地磁场、星光、太阳高度等天文和地理方法获取定位和方位信息。随着科学技术的发展，无线电导航、惯性导航、卫星导航等技术相继问世，并广泛应用于军事和民用领域。其中，惯性导航是利用载体上装载的陀螺仪和加速度计来确定载体的姿态、速度、位置等信息的技术方法。实现惯性导航的软硬件设备称为惯性导航系统，简称惯性导航系统。
捷联惯导系统是将加速度计和陀螺仪直接安装在载体上，在计算机中实时计算姿态矩阵，即计算载体坐标系和导航坐标系的关系，从而将载体坐标系中的加速度计信息转换为导航坐标系中的信息，进而进行导航计算。由于捷联惯导系统具有可靠性高、功能强、重量轻、成本低、精度高、使用灵活等优点，已成为惯性导航系统的主流。捷联惯性测量单元(IMU)是惯性导航系统的核心部件，IMU输出信息的精度很大程度上决定了系统的精度。
陀螺仪和加速度计是惯性导航系统中不可缺少的核心测量器件。现代高精度惯性导航系统对陀螺仪和加速度计提出了很高的要求，因为陀螺仪的漂移误差和加速度计的零偏是影响惯性导航系统精度的最直接、最重要的因素。因此，如何提高惯性器件的性能，提高惯性器件的测量精度，尤其是陀螺仪的测量精度，一直是惯性导航领域研究的重点。陀螺仪的发展经历了几个阶段。原始球轴承陀螺仪的漂移速率为(L-2)/h，通过克服惯性仪表支撑技术研制的气浮、液浮和磁浮陀螺仪的精度可达0.001/h·h，而静电支撑陀螺仪的精度可优于0.0001/h·h..自20世纪60年代以来，挠性陀螺的研究和发展就开始了，其漂移精度优于0.05°/h，最好的水平可以达到0.001°/h..
1960激光陀螺的首次研制成功，标志着光学陀螺开始主导陀螺市场。目前激光陀螺的零偏稳定度最高可达0.0005°/h，而激光陀螺面临的最大问题是制造工艺复杂，导致成本高，同时体积和重量过大，在一定程度上限制了其在某些领域的发展和应用，也促进了激光陀螺向低成本、小型化和三轴集成方向发展。另一种光学陀螺——光纤陀螺不仅具有激光陀螺的许多优点，而且具有制造工艺简单、成本低、重量轻的特点，正在成为目前发展最快的光学陀螺。
中国的发展
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中国的惯性导航技术近年来取得了长足的进步。液浮陀螺平台惯性导航系统和动力调谐陀螺四轴平台系统已应用于长征系列运载火箭。其他种类的小型化捷联惯性导航、光纤陀螺惯性导航、激光陀螺惯性导航和GPS改进型惯性导航装置也已广泛应用于战术制导武器、飞机、舰船、运载火箭、航天器等。例如，漂移率为0.01 ~ 0.02/h的新型激光陀螺捷联系统在新型战机上测试，漂移率低于0.05/h的光纤陀螺，捷联惯性导航在舰船、潜艇上的应用，小型化柔性捷联惯性导航在各种导弹制导武器上的应用，极大地提高了我军装备的性能。
微机电系统发展概述根据近几年国内文献，目前国内惯性导航研究中使用的陀螺仪按结构大致可分为三类:机械陀螺仪、光学陀螺仪和微机电系统。机械陀螺是指利用高速转子转轴的稳定性来测量载体正确方位的角度传感器。1910年以来，人们探索了多种机械陀螺仪。液浮陀螺仪、动力调谐陀螺仪和静电陀螺仪是三种技术成熟的刚体转子陀螺仪，其精度范围从10E-6度/小时到10e-4度/小时，在精密仪器领域达到较高水平。1965年，中国清华大学首先开始研制静电陀螺仪，应用背景是“高精度船用INS”。1967-1990，清华大学，常州航海仪器厂，上海交通大学等。已成功研制出静电陀螺工程样机，其零偏漂移误差小于0.5°/h，随机漂移误差小于0.001°/h·h，中、美、俄并列为世界上掌握静电陀螺技术的国家。随着光电技术的发展，激光陀螺和光纤陀螺应运而生。与激光陀螺相比，光纤陀螺成本更低，更适合批量生产。我国对光纤陀螺的研究起步较晚，但已经取得了许多可喜的成果。航天科工集团、航天科技集团、浙江大学、北方交通大学、北航等单位先后开展了光纤陀螺的研究。从目前掌握的信息来看，国产光纤陀螺的研制精度已经达到惯性导航系统的中低精度要求，有些技术甚至达到了国外同类产品的水平。20世纪以来，由于电子技术和微加工技术的发展，MEMS陀螺仪已经成为现实。自20世纪90年代以来，MEMS陀螺仪在民用产品中得到了广泛应用，其中一部分应用于低精度惯性导航产品中。我国MEMS陀螺仪的研究始于1989，现在已经研制出了几百微米的静电电机和3毫米的压电电机。清华大学导航与控制教研组的陀螺技术非常成熟，掌握了微机械加工和光波导陀螺技术。目前，微陀螺样机已经制作完成，并获得了一些数据。东南大学精密仪器与机械系科学研究中心还一直在开发和研究关键部件、微机电系统和新型惯性器件和GPS组合导航系统，满足军民两用市场的需求。总之，随着科技的发展，相对于静电陀螺仪的高成本，成本更低的光纤陀螺仪和微机械陀螺仪的精度越来越高，这是未来陀螺仪技术发展的大趋势。。