我们就从最早的机械转子式陀螺仪来讲起。1850年，法国物理学家J.Foucault研究地球自转时发现，高速转动中的转子，在没有外力作用时，它的自转轴永远指向一个固定方向，并用陀螺仪命名这种装置。陀螺仪被发明以后，首先在航海领域崭露头角，随后在航空领域大放异彩，毕竟在万米高空，没有仪器辅助是很难靠肉眼辨别方向，而飞行中看不清方向的话，危险性又可想而知。

机械转子式陀螺仪最核心部分是高速旋转的陀螺转子和陀螺主轴，通过在陀螺主轴上加一内环架，便构成单自由度陀螺仪（总共两自由度）。在内环架外再加一外环架，便构成双自由度陀螺仪（共有三自由度）。再辅以驱动陀螺转子高速旋转的力矩马达，信号传感器等，便构成了一个完整的陀螺仪。

机械转子陀螺仪基于角动量守恒定律的两个重要特性来实现角速度测量：定轴性和进动性。

（1）定轴性是指陀螺转子高速旋转时，在没有任何外力作用在陀螺仪上时，陀螺仪的自转轴在惯性空间中的指向保持稳定不变，即指向一个固定的方向。

（2）进动性是指陀螺转子高速旋转时，若外力矩作用于外环轴，陀螺主轴将绕内环转动。若外力矩作用于内环轴，陀螺主轴将绕外环转动。转动角速度方向与外力矩作用方向相互垂直。

下面我们以单自由度陀螺仪解释角速度测量原理，单自由度陀螺仪简化模型如下图所示，x，y，z分别为陀螺仪的三个轴。假设基座是固定在汽车上，y轴为汽车的前进方向。当汽车绕y轴或z轴旋转时，内环具有隔离运动的作用，陀螺转轴不会随轮船转动而转动。但当汽车绕x轴转动时，会产生一对力F作用在内环上，形成力矩mx,沿x轴方向。由于陀螺仪没有该方向的转动自由度，力矩mx使陀螺主轴绕内环y轴进动。因此测量y轴的角速度即可测量汽车在x轴的角速度，具体建模求解过程需要基于动量矩定理，需要买本物理书来从头看起，笔者目前暂无精力再一点一点推导下去了。

随着物理学的不断进步，陀螺仪的类型也越来越多，精度也越来越高。目前熟知的有光纤陀螺仪、激光陀螺仪和MEMS陀螺仪。MEMS陀螺仪虽然精度不如光纤和激光陀螺仪，但其体积小、功耗低、成本低、易于批量生产等特点，使其成为自动驾驶领域非常重要的一块拼图。MEMS陀螺仪的角速度测量原理便是基于一种非真实存在的力—科里奥利力。这是一种非惯性参考系下引入的惯性力，引入之后便可以应用牛顿经典力学定律。我们假设一个黑色质量块以特定的速度V沿着一个方向移动，如下图橙红色箭头所示。当一个外部角速率被施加时，如绿色箭头所示。这个时候将产生一个力，如蓝色箭头所示，这个力将导致质量块发生相比于施加角速度方向的垂直位移。

一个接近真实MEMS陀螺仪的结构如下图所示，外侧的蓝色与黄色部分别为驱动电极，它们在驱动方向施加交变电压，使内部的红色质量块以及红色的测量电极沿着驱动方向作往返运动。红色质量块两头通过有弹簧性质的绿色长条结构与基底相连，红色的短栅与内侧蓝色的短栅为电容的极板。当基底发生如下图所示的绿色箭头旋转时，质量块在科里奥利力的作用下将产生下图黑色箭头所示垂直方向的运动。且质量块周期运动的幅值与施加的角速度成正比，通过测量质量块上的红色电极和固定在底座上蓝色电极之间的电容，便可以得到角速度的大小。