陀螺儀原理

　　乍一聽(tīng)，陀螺儀，這么高大上的東西一般不會(huì ) 有人了解，但是我相信大多數人應該都聽(tīng)過(guò)陀螺，如下圖，看過(guò)《盜夢(mèng)空間》的人肯定對這個(gè)陀螺印象深刻，其實(shí)它們的原理是相似的，但是陀螺儀到底是什么東西呢，下面我來(lái)為大家簡(jiǎn)單介紹一下。

1.陀螺儀原理：陀螺儀是神馬東東?

　　陀螺儀，是一種用來(lái)感測與維持方向的裝置，基於角動(dòng)量不滅的理論設計出來(lái)的。陀螺儀主要是由一個(gè)位於軸心可以旋轉的輪子構成。 陀螺儀一旦開(kāi)始旋轉，由於輪子的角動(dòng)量，陀螺儀有抗拒方向改變的趨向。陀螺儀多用於導航、定位等系統。

　　1850年法國的物理學(xué)家?？?J.Foucault)為了研究地球自轉，首先發(fā)現高速轉動(dòng)中的轉子(rotor)，由于慣性作用它的旋轉軸永遠指向一固定方向，他用希臘字gyro(旋轉)和skopein(看)兩字合為gyro scopei一字來(lái)命名這種儀表。

　　萬(wàn)萬(wàn)想不到的是雞頭就是一個(gè)非常完美的陀螺儀，無(wú)論你怎樣動(dòng)雞的身體，它總是能hold住自己的頭，太強大了!

　　既然雞頭天生是陀螺儀，老外就加了個(gè)攝像頭，拍出來(lái)畫(huà)面更是你想象不到的。

2.陀螺儀原理：陀螺儀的基本組成與分類(lèi)

　　2.1陀螺儀的基本組成

　　陀螺儀的裝置，一直是航空和航海上航行姿態(tài)及速率等最方便實(shí)用的參考儀表。從力學(xué)的觀(guān)點(diǎn)近似的分析陀螺的運動(dòng)時(shí)，可以把它看成是一個(gè)剛體，剛體上有一個(gè)萬(wàn)向支點(diǎn)，而陀螺可以繞著(zhù)這個(gè)支點(diǎn)作三個(gè)自由度的轉動(dòng)，所以陀螺的運動(dòng)是屬于剛體繞一個(gè)定點(diǎn)的轉動(dòng)運動(dòng)。更確切地說(shuō)，一個(gè)繞對稱(chēng)軸高速旋轉的飛輪轉子叫陀螺。將陀螺安裝在框架裝置上，使陀螺的自轉軸有角轉動(dòng)的自由度，這種裝置的總體叫做陀螺儀，陀螺儀的基本部件有：

　　(1) 陀螺轉子(常采用同步電機、磁滯電機、三相交流電機等拖動(dòng)方法來(lái)使陀螺轉子繞自轉軸高速旋轉，并見(jiàn)其轉速近似為常值)：

　　(2) 內、外框架(或稱(chēng)內、外環(huán)，它是使陀螺自轉軸獲得所需角轉動(dòng)自由度的結構);

　　(3) 附件(是指力矩馬達、信號傳感器等)。

　　2.2陀螺儀的分類(lèi)

　　按照轉子轉動(dòng)的自由度分成雙自由度陀螺儀(也稱(chēng)三自由度陀螺儀)和單自由度陀螺儀(也稱(chēng)二自由度陀螺儀)。前者用于測定飛行器的姿態(tài)角，后者用于測定姿態(tài)角速度，因此常稱(chēng)單自由度陀螺儀為。但通常多按陀螺儀中所采用的支承方式分類(lèi)。

　　滾珠軸承自由陀螺儀　它是經(jīng)典的陀螺儀。利用滾珠軸承支承是應用最早、最廣泛的支承方式。滾珠軸承靠直接接觸，摩擦力矩大，陀螺儀的精度不高，漂移率為每小時(shí)幾度，但工作可靠，迄今還用在精度要求不高的場(chǎng)合。一個(gè)自由轉子陀螺儀(雙自由度陀螺儀)靠?jì)拳h(huán)軸和外環(huán)軸角度傳感元件可以測量?jì)蓚€(gè)姿態(tài)角。

　　液浮陀螺儀　又稱(chēng)浮子陀螺。內框架(內環(huán))和轉子形成密封球形或圓柱形的浮子組件。轉子在浮子組件內高速旋轉,在浮子組件與殼體間充以浮液,用以產(chǎn)生所需要的浮力和阻尼。浮力與浮子組件的重量相等者，稱(chēng)為全浮陀螺;浮力小于浮子組件重量者稱(chēng)為半浮陀螺。由于利用浮力支承，摩擦力矩減小，陀螺儀的精度較高，但因不能定位仍有摩擦存在。為彌補這一不足，通常在液浮的基礎上增加磁懸浮，即由浮液承擔浮子組件的重量，而用磁場(chǎng)形成的推力使浮子組件懸浮在中心位置。此外，還可利用高速旋轉的轉子與內框架之間所形成的動(dòng)壓氣膜支承轉子，這種方式稱(chēng)為動(dòng)壓氣浮支承?，F代高精度的單自由度液浮陀螺常是液浮、磁浮和動(dòng)壓氣浮并用的三浮陀螺儀。這種陀螺儀比滾珠軸承陀螺儀的精度高,漂移率為0.01度/時(shí)。但液浮陀螺儀要求較高的加工精度、嚴格的裝配、精確的溫控，因而成本較高。

　　靜電陀螺儀　又稱(chēng)電浮陀螺。在金屬球形空心轉子的周?chē)b有均勻分布的高壓電極,對轉子形成靜電場(chǎng),用靜電力支承高速旋轉的轉子。這種方式屬于球形支承，轉子不僅能繞自轉軸旋轉，同時(shí)也能繞垂直于自轉軸的任何方向轉動(dòng)，故屬自由轉子陀螺儀類(lèi)型。靜電場(chǎng)僅有吸力，轉子離電極越近吸力就越大，這就使轉子處于不穩定狀態(tài)。用一套支承電路改變轉子所受的力，可使轉子保持在中心位置。靜電陀螺儀采用非接觸支承，不存在摩擦,所以精度很高,漂移率低達10 ～10 度/時(shí)。它不能承受較大的沖擊和振動(dòng)。它的缺點(diǎn)是結構和制造工藝復雜，成本較高。

　　撓性陀螺儀　轉子裝在彈性支承裝置上的陀螺儀。在撓性陀螺儀中應用較廣的是動(dòng)力調諧撓性陀螺儀。它由內撓性桿、外撓性桿、平衡環(huán)、轉子、驅動(dòng)軸和電機等組成。它靠平衡環(huán)扭擺運動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)力反作用力矩(陀螺力矩)來(lái)平衡撓性桿支承產(chǎn)生的彈性力矩，從而使轉子成為一個(gè)無(wú)約束的自由轉子，這種平衡就是調諧。撓性陀螺儀是60年代迅速發(fā)展起來(lái)的慣性元件，它因結構簡(jiǎn)單、精度高(與液浮陀螺相近)、成本低，在飛機和導彈上得到了廣泛應用。

　　激光陀螺儀　它的結構原理與上面幾種陀螺儀完全不同。激光陀螺實(shí)際上是一種環(huán)形激光器，沒(méi)有高速旋轉的機械轉子，但它利用激光技術(shù)測量物體相對于慣性空間的角速度，具有速率陀螺儀的功能。激光陀螺儀的結構和工作是：用熱膨脹系數極小的材料制成三角形空腔。在空腔的各頂點(diǎn)分別安裝三塊反射鏡，形成閉合光路。腔體被抽成真空，充以氦氖氣，并裝設電極，形成激光發(fā)生器。激光發(fā)生器產(chǎn)生兩束射向相反的激光。當環(huán)形激光器處于靜止狀態(tài)時(shí)，兩束激光繞行一周的光程相等，因而頻率相同，兩個(gè)頻率之差(頻差)為零，干涉條紋為零。當環(huán)形激光器繞垂直于閉合光路平面的軸轉動(dòng)時(shí)，與轉動(dòng)方向一致的那束光的光程延長(cháng)，波長(cháng)增大，頻率降低;另一束光則相反，因而出現頻差，形成干涉條紋。單位時(shí)間的干涉條紋數正比于轉動(dòng)角速度。激光陀螺的漂移率低達0.1～0.01度/時(shí)，可靠性高，不受線(xiàn)加速度等的影響，已在飛行器的慣性導航中得到應用，是很有發(fā)展前途的新型陀螺儀。

　　處在研制過(guò)程中的光導纖維陀螺儀正逐漸成為實(shí)用的儀表。其他新型原理的陀螺儀，如核子共振陀螺儀等，還處在研究階段。

3. 陀螺儀原理：陀螺儀原理與特性

　　3.1陀螺儀原理

　　陀螺儀是在動(dòng)態(tài)中保持相對跟蹤狀態(tài)的裝置，由于其原理的復雜性，我們借助于圖來(lái)看看陀螺儀的原理。

　　圖2                                                                  圖3

圖4

　　如圖所示，軸的底部被托住靜止但是能夠各個(gè)方向旋轉。當一個(gè)傾斜力作用在頂部的軸上的時(shí)候，質(zhì)點(diǎn)A向上運動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)C則向下運動(dòng)，如其中的子圖2。因為陀螺儀是順時(shí)針旋轉，在旋轉90度角之后，質(zhì)點(diǎn)A將會(huì )到達質(zhì)點(diǎn)B的位置。CD兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)的情況也是一樣的。子圖2中質(zhì)點(diǎn)A當處于如圖的90度位置的時(shí)候會(huì )繼續向上運動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)C也繼續向下。AC質(zhì)點(diǎn)的組合將導致軸在子圖3所示的運動(dòng)平面內運動(dòng)。一個(gè)陀螺儀的軸在一個(gè)合適的角度上旋轉，在這種情況下，如果陀螺儀逆時(shí)針旋轉，軸將會(huì )在運動(dòng)平面上向左運動(dòng)。如果在順時(shí)針的情況中，傾斜力是一個(gè)推力而不是拉力的話(huà)，運動(dòng)將會(huì )向左發(fā)生。在子圖4中，當陀螺儀旋轉了另一個(gè)90度的時(shí)候，質(zhì)點(diǎn)C在質(zhì)點(diǎn)A受力之前的位置。C質(zhì)點(diǎn)的向下運動(dòng)現在受到了傾斜力的阻礙并且軸不能在傾斜力平面上運動(dòng)。傾斜力推軸的力量越大，當邊緣旋轉大約180度時(shí)，另一側的邊緣推動(dòng)軸向回運動(dòng)。

　　實(shí)際上，軸在這個(gè)情況下將會(huì )在傾斜力的平面上旋轉。軸之所以會(huì )旋轉是因為質(zhì)點(diǎn)AC在向上和向下運動(dòng)的一些能量用盡導致軸在運動(dòng)平面內運動(dòng)。當質(zhì)點(diǎn)AC最后旋轉到大致上相反的位置上時(shí)，傾斜力比向上和向下的阻礙運動(dòng)的力要大。

　　3.2陀螺儀的特性

　　陀螺儀具有兩個(gè)特性：①定軸性：高速旋轉的轉子具有力圖保持其旋轉軸在慣性空間內的方向穩定性不變的特性。轉子角動(dòng)量即矢量H(圖5[陀螺儀的進(jìn)動(dòng)現象])是轉子繞自轉軸的轉動(dòng)慣量J和自轉角速度 的乘積(H=J )。定軸性是指矢量[kg2]H[kg2]力圖保持指向不變。②進(jìn)動(dòng)性：在外力矩作用下，旋轉的轉子力圖使其旋轉軸沿最短的路徑趨向外力矩的作用方向。圖3中陀螺儀轉子在重力G作用下不從支點(diǎn)掉下，而以角速度[kg2]ω[kg2]繞垂線(xiàn)不斷轉動(dòng)，這就是進(jìn)動(dòng)。進(jìn)動(dòng)角速度[kg2]ω=L/H,其中L為外力矩，這里指重力產(chǎn)生的力矩。干擾力矩引起轉子的進(jìn)動(dòng)角速度稱(chēng)為陀螺的漂移率，單位為度/時(shí)，是衡量陀螺儀性能的主要指標。

　　圖5 陀螺儀進(jìn)動(dòng)現象

4.陀螺儀原理：陀螺儀的應用

　　陀螺儀器最早是用于航海導航，但隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，它在航空和航天事業(yè)中也得到廣泛的應用。陀螺儀的使用距離我們最近的就是我們的手機，陀螺儀在手機中的作用主要體現在以下幾個(gè)方面：

　　第一大用途，導航。陀螺儀自被發(fā)明開(kāi)始，就用于導航，先是德國人將其應用在V1、V2火箭上，因此，如果配合GPS，手機的導航能力將達到前所未有的水準。目前很多專(zhuān)業(yè)手持式GPS上也裝了陀螺儀，如果手機上安裝了相應的軟件，其導航能力絕不亞于目前很多船舶、飛機上用的導航儀。

　　第二大用途，可以和手機上的攝像頭配合使用，比如防抖，這會(huì )讓手機的拍照攝像能力得到了很大的提升。

　　第三大用途，各類(lèi)游戲的傳感器，比如飛行游戲，體育類(lèi)游戲，甚至包括一些第一視角類(lèi)射擊游戲，陀螺儀完整監測游戲者手的位移，從而實(shí)現各種游戲操作效果。有關(guān)這點(diǎn)，想必用過(guò)任天堂WII的兄弟會(huì )有很深的感受。

　　第四大用途，可以用作輸入設備，陀螺儀相當于一個(gè)立體的鼠標，這個(gè)功能和第三大用途中的游戲傳感器很類(lèi)似，甚至可以認為是一種類(lèi)型。

　　第五大用途，也是未來(lái)最有前景和應用范圍的用途。下面重點(diǎn)說(shuō)說(shuō)。那就是可以幫助手機實(shí)現很多增強現實(shí)的功能。增強現實(shí)是近期才冒出的概念，和虛擬現實(shí)一樣，是計算機的一種應用。大意是可以通過(guò)手機或者電腦的處理能力，讓人們對現實(shí)中的一些物體有跟深入的了解。如果大家不理解，舉個(gè)例子，前面有一個(gè)大樓，用手機攝像頭對準它，馬上就可以在屏幕上得到這座大樓的相關(guān)參數，比如樓的高度，寬度，海拔，如果連接到數據庫，甚至可以得到這座大廈的物主、建設時(shí)間、現在的用途、可容納的人數等等。

陀螺儀原理—參考資料

　　1、陀螺儀原理

描述：陀螺儀原理的總結分析

　　2、MEMS陀螺儀的簡(jiǎn)單校準

　　描述：MEMS陀螺儀的簡(jiǎn)單校準

　　3、通過(guò)校準改善MEMS陀螺儀的精度和穩定性

　　描述：改善MEMS陀螺儀的精度和穩定性的方法