陀螺儀原理

2021-11-28 18:20:05|

來(lái)源：電子產(chǎn)品世界作者：

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(shù)人應(yīng)該都聽(tīng)過(guò)陀螺，如下圖，看過(guò)《盜夢(mèng)空間》的人肯定對(duì)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。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/268081.htm

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(cè)與維持方向的裝置，基於角動(dòng)量不滅的理論設(shè)計(jì)出來(lái)的。陀螺儀主要是由一個(gè)位於軸心可以旋轉(zhuǎn)的輪子構(gòu)成。陀螺儀一旦開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，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(dǎo)航、定位等系統(tǒng)。

1850年法國(guó)的物理學(xué)家?？?J.Foucault)為了研究地球自轉(zhuǎn)，首先發(fā)現(xiàn)高速轉(zhuǎn)動(dòng)中的轉(zhuǎn)子(rotor)，由于慣性作用它的旋轉(zhuǎn)軸永遠(yuǎn)指向一固定方向，他用希臘字gyro(旋轉(zhuǎn))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(qiáng)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)的觀點(diǎn)近似的分析陀螺的運(yùn)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)，而陀螺可以繞著這個(gè)支點(diǎn)作三個(gè)自由度的轉(zhuǎn)動(dòng)，所以陀螺的運(yùn)動(dòng)是屬于剛體繞一個(gè)定點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。更確切地說(shuō)，一個(gè)繞對(duì)稱(chēng)軸高速旋轉(zhuǎn)的飛輪轉(zhuǎn)子叫陀螺。將陀螺安裝在框架裝置上，使陀螺的自轉(zhuǎn)軸有角轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子(常采用同步電機(jī)、磁滯電機(jī)、三相交流電機(jī)等拖動(dòng)方法來(lái)使陀螺轉(zhuǎn)子繞自轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn)，并見(jiàn)其轉(zhuǎn)速近似為常值)：

(2) 內(nèi)、外框架(或稱(chēng)內(nèi)、外環(huán)，它是使陀螺自轉(zhuǎn)軸獲得所需角轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的結(jié)構(gòu));

(3) 附件(是指力矩馬達(dá)、信號(hào)傳感器等)。

2.2陀螺儀的分類(lèi)

按照轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)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(cè)定飛行器的姿態(tài)角，后者用于測(cè)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(yīng)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(zhuǎn)子陀螺儀(雙自由度陀螺儀)靠?jī)?nèi)環(huán)軸和外環(huán)軸角度傳感元件可以測(cè)量?jī)蓚€(gè)姿態(tài)角。

液浮陀螺儀　又稱(chēng)浮子陀螺。內(nèi)框架(內(nèi)環(huán))和轉(zhuǎn)子形成密封球形或圓柱形的浮子組件。轉(zhuǎn)子在浮子組件內(nèi)高速旋轉(zhuǎn),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(bǔ)這一不足，通常在液浮的基礎(chǔ)上增加磁懸浮，即由浮液承擔(dān)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(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子與內(nèi)框架之間所形成的動(dòng)壓氣膜支承轉(zhuǎn)子，這種方式稱(chēng)為動(dòng)壓氣浮支承?，F(xiàn)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(yán)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(zhuǎn)子的周?chē)b有均勻分布的高壓電極,對(duì)轉(zhuǎn)子形成靜電場(chǎng),用靜電力支承高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子。這種方式屬于球形支承，轉(zhuǎn)子不僅能繞自轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，同時(shí)也能繞垂直于自轉(zhuǎn)軸的任何方向轉(zhuǎn)動(dòng)，故屬自由轉(zhuǎn)子陀螺儀類(lèi)型。靜電場(chǎng)僅有吸力，轉(zhuǎn)子離電極越近吸力就越大，這就使轉(zhuǎn)子處于不穩(wěn)定狀態(tài)。用一套支承電路改變轉(zhuǎn)子所受的力，可使轉(zhuǎn)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(dá)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(jié)構(gòu)和制造工藝復(fù)雜，成本較高。

撓性陀螺儀　轉(zhuǎn)子裝在彈性支承裝置上的陀螺儀。在撓性陀螺儀中應(yīng)用較廣的是動(dòng)力調(diào)諧撓性陀螺儀。它由內(nèi)撓性桿、外撓性桿、平衡環(huán)、轉(zhuǎn)子、驅(qū)動(dòng)軸和電機(jī)等組成。它靠平衡環(huán)扭擺運(yùn)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(zhuǎn)子成為一個(gè)無(wú)約束的自由轉(zhuǎn)子，這種平衡就是調(diào)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高(與液浮陀螺相近)、成本低，在飛機(jī)和導(dǎo)彈上得到了廣泛應(yīng)用。

激光陀螺儀　它的結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)的機(jī)械轉(zhuǎn)子，但它利用激光技術(shù)測(cè)量物體相對(duì)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(jié)構(gòu)和工作是：用熱膨脹系數(shù)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(shè)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(dāng)環(huán)形激光器處于靜止?fàn)顟B(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(dāng)環(huán)形激光器繞垂直于閉合光路平面的軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，與轉(zhuǎn)動(dòng)方向一致的那束光的光程延長(zhǎng)，波長(zhǎng)增大，頻率降低;另一束光則相反，因而出現(xiàn)頻差，形成干涉條紋。單位時(shí)間的干涉條紋數(shù)正比于轉(zhuǎn)動(dòng)角速度。激光陀螺的漂移率低達(dá)0.1～0.01度/時(shí)，可靠性高，不受線加速度等的影響，已在飛行器的慣性導(dǎo)航中得到應(yīng)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(dǎo)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(duì)跟蹤狀態(tài)的裝置，由于其原理的復(fù)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(zhuǎn)。當(dāng)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(yùn)動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)C則向下運(yùn)動(dòng)，如其中的子圖2。因?yàn)橥勇輧x是順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，在旋轉(zhuǎn)90度角之后，質(zhì)點(diǎn)A將會(huì)到達(dá)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(dāng)處于如圖的90度位置的時(shí)候會(huì)繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)C也繼續(xù)向下。AC質(zhì)點(diǎn)的組合將導(dǎo)致軸在子圖3所示的運(yùn)動(dòng)平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)。一個(gè)陀螺儀的軸在一個(gè)合適的角度上旋轉(zhuǎn)，在這種情況下，如果陀螺儀逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，軸將會(huì)在運(yùn)動(dòng)平面上向左運(yùn)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，運(yùn)動(dòng)將會(huì)向左發(fā)生。在子圖4中，當(dāng)陀螺儀旋轉(zhuǎn)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(yùn)動(dòng)現(xiàn)在受到了傾斜力的阻礙并且軸不能在傾斜力平面上運(yùn)動(dòng)。傾斜力推軸的力量越大，當(dāng)邊緣旋轉(zhuǎn)大約180度時(shí)，另一側(cè)的邊緣推動(dòng)軸向回運(yùn)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(zhuǎn)。軸之所以會(huì)旋轉(zhuǎn)是因?yàn)橘|(zhì)點(diǎn)AC在向上和向下運(yùn)動(dòng)的一些能量用盡導(dǎo)致軸在運(yùn)動(dòng)平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)質(zhì)點(diǎn)AC最后旋轉(zhuǎn)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(yùn)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(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子具有力圖保持其旋轉(zhuǎn)軸在慣性空間內(nèi)的方向穩(wěn)定性不變的特性。轉(zhuǎn)子角動(dòng)量即矢量H(圖5[陀螺儀的進(jìn)動(dòng)現(xiàn)象])是轉(zhuǎn)子繞自轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J和自轉(zhuǎn)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(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子力圖使其旋轉(zhuǎn)軸沿最短的路徑趨向外力矩的作用方向。圖3中陀螺儀轉(zhuǎn)子在重力G作用下不從支點(diǎn)掉下，而以角速度[kg2]ω[kg2]繞垂線不斷轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(biāo)。

圖5 陀螺儀進(jìn)動(dòng)現(xiàn)象

4.陀螺儀原理：陀螺儀的應(yīng)用

陀螺儀器最早是用于航海導(dǎo)航，但隨著科學(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(yīng)用。陀螺儀的使用距離我們最近的就是我們的手機(jī)，陀螺儀在手機(jī)中的作用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

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

第二大用途，可以和手機(jī)上的攝像頭配合使用，比如防抖，這會(huì)讓手機(jī)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(jiān)測(cè)游戲者手的位移，從而實(shí)現(xiàn)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(shè)備，陀螺儀相當(dāng)于一個(gè)立體的鼠標(biāo)，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(rèn)為是一種類(lèi)型。

第五大用途，也是未來(lái)最有前景和應(yīng)用范圍的用途。下面重點(diǎn)說(shuō)說(shuō)。那就是可以幫助手機(jī)實(shí)現(xiàn)很多增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的功能。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是近期才冒出的概念，和虛擬現(xiàn)實(shí)一樣，是計(jì)算機(jī)的一種應(yīng)用。大意是可以通過(guò)手機(jī)或者電腦的處理能力，讓人們對(duì)現(xiàn)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(jī)攝像頭對(duì)準(zhǔn)它，馬上就可以在屏幕上得到這座大樓的相關(guān)參數(shù)，比如樓的高度，寬度，海拔，如果連接到數(shù)據(jù)庫(kù)，甚至可以得到這座大廈的物主、建設(shè)時(shí)間、現(xiàn)在的用途、可容納的人數(shù)等等。