要了解姿态传感器的工作原理，就应当先了解陀螺仪、加速度计等的结构特性与工作原理，所以就从它们切入与展开。
1.三轴陀螺仪
在一定的初始条件和一定的外在力矩作用下，陀螺会在不停自转的同时，还绕着另一个固定的转轴不停地旋转，这就是陀螺的旋进，又称为回转效应[266]。陀螺旋进是日常生活中司空见惯的现象，人们耳熟能详的陀螺就是例子。人们利用陀螺的力学性质所制成的各种功能的陀螺装置称为陀螺仪（Gyroscope），它在国民经济建设各个领域都有着广泛的应用。
陀螺仪（见图3-38）是用高速回转体的动量矩来感受壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或两个轴的角运动检测装置[267]。利用其他原理制成的能起同样功能作用的角运动检测装置也称陀螺仪。三轴陀螺仪可同时测定物体在6个方向上的位置、移动轨迹和加速度，单轴陀螺仪只能测量两个方向的量[268]。也就是说，一个6自由度系统的测量需要用到三个单轴陀螺仪，而一个三轴陀螺仪就能替代三个单轴陀螺仪。三轴陀螺仪的体积小、重量轻、结构简单、可靠性好，在许多应用场合都能见到它的身影。
2.三轴加速度计
加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备。加速力就是物体在加速过程中作用在物体上的力，好比地球的引力[269]。加速力可以是常量，也可以是变量。加速度计有两种：一种是角加速度计，是由陀螺仪（角速度传感器）改进的；另一种是线加速度计。加速度计种类繁多，其中有一种是三轴加速度计（见图3-39），它同样是基于加速力的基本原理实现测量工作的。
图3-38 三轴陀螺仪
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图3-39 三轴加速度计
学过物理的同学都知道，加速度是个空间矢量，了解物体运动时的加速度情况对控制物体的精确运动十分重要。但要准确了解物体的运动状态，就必须测得其在三个坐标轴上的加速度分量。另一方面，在预先不知道物体运动方向的情况下，只有应用三轴加速度计来检测加速度信号，才有可能帮助人们破解物体如何运动之谜[270]。通过测量由于重力引起的加速度，人们可以计算出所用设备相对于水平面的倾斜角度；通过分析动态加速度，人们可以分析出所用设备移动的方式。加速度计可以帮助机器人了解它身处的环境和实时的状态，是在爬山？还是在下坡？摔倒了没有？对于飞行机器人来说，加速度计在改善其飞行姿态的控制效果方面也至为重要。
目前的三轴加速度计大多采用压阻式、压电式和电容式工作原理，产生的加速度正比于电阻、电压和电容的变化，通过相应的放大和滤波电路进行采集[271]。这个和普通的加速度计是基于同样的工作原理的，所以经过一定的技术加工，三个单轴加速度计就可以集成为一个三轴加速度计。
两轴加速度计已能满足多数应用设备的需求，但有些方面的应用还离不开三轴加速度计，例如在移动机器人和飞行机器人的姿态控制中，三轴加速度计能够起到不可或缺的作用，这是单轴或两轴加速度计所望尘莫及的。
3.MPU6050
MPU6050是美国INVENSENCE公司推出的一款组合有多种测量功能的传感器，具有低成本、低能耗和高性能的特点[272]。该传感器首次集成了三轴陀螺仪和三轴加速度计，拥有数字运动处理单元（DMP），可直接融合陀螺仪和加速度计采集的数据。其集成的陀螺仪最大能检测±2 000°/s，其集成的加速度计最大能检测±16g，最大能承受10 000g的外部冲击。MPU6050采用一种集成电路总线（IIC）协议与主控芯片STM32进行通信，工作效率很高，其实物图如图3-40所示。
图3-40 MPU6050 实物图
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