陀螺儀傳感器及陀螺儀的原理

2021-01-19 掌握主動科技

第九章：通過9軸傳感器識別SmartCAR2.0的姿態


SmartCAR2.0車形機器人為了探測識別機器人姿勢和衝撞等劇烈外部情況，劇烈速度變化等，裝備了加速度傳感器.本期為大家介紹的是陀螺儀傳感器。

何為陀螺儀


陀螺儀傳感器是一個簡單易用的基於自由空間移動和手勢的定位和控制系統。


陀螺儀的原理


陀螺儀的原理就是，一個旋轉物體的旋轉軸所指的方向在不受外力影響時，是不會改變的。人們根據這個道理，用它來保持方向。然後用多種方法讀取軸所指示的方向，並自動將數據信號傳給控制系統。


現代陀螺儀是一種能夠精確地確定運動物體的方位的儀器，傳統的慣性陀螺儀主要是指機械式的陀螺儀，機械式的陀螺儀對工藝結構的要求很高，結構複雜，它的精度受到了很多方面的制約。目前使用最多的是光纖陀螺儀，環式雷射陀螺儀以及現代集成式的振動陀螺儀。


哪裡還能使出與人同樣的力？誰在沒有推力的作用下又能旋轉呢？

陀螺儀的原理

試想下正在往Y軸方向旋轉的輪子，這個輪子的角速度矢量與角運動量矢量都定向到Y軸。現在該旋轉輪在z軸的方向上旋轉, 這意味著，你站在轉盤上的瞬間必須提供怎樣的額外力量？


在過去非常短的Δt時間後，y旋轉軸向z軸方向試圖轉向Δθ大小角度。該系統具有許多的角動量發生於y軸的旋轉，因為，Y軸移動時，角動量也在變化。在此情況下為了防止角運動量大小變化，僅方向旋轉ΔΘ大小，那麼角運動量的變化量ΔL為ΔL=LΔθ，對應的角動量變化的轉矩就是τ=ΔL/Δt=LΔΘ/Δt=Lω。現在考慮所有這些向矢量方程的方向可以表示如下：

τ=ω x L

再次拿著車輪迴到站在最初圓盤上的狀態。萬一車輪ω和L防止在水平面，那麼τ就被引導到垂直方向。而如果要發生這麼大小的扭矩，ω的值必須有效，為此軸的兩邊必須施加水平方向力F和-F。這個力從何而來呢？不管怎樣這個力肯定是託舉這個輪子的人使出的。

 

但是，在這我們通過牛頓第三定律，在給某物體施加力時，與這個力反方向會施加一個同樣的力，因此，根據旋轉動力學在反方向上被施加了一個同樣大小的扭矩。所以圓盤和人就向著中心豎直周方向旋轉。


陀螺儀的應用


現代陀螺儀是一種能夠精確地確定運動物體的方位的儀器，它是現代航空，航海，航天和國防工業中廣泛使用的一種慣性導航儀器，它的發展對一個國家的工業，國防和其它高科技的發展具有十分重要的戰略意義。

 


註：本文選自掌握主動科技出版《GP-SmartCar 程序設計》，第九章節。本書為掌握主動科技自主研發的SmartCar智能小車配套教材，侵權必究。歡迎大家留言探討，會有專業程序猿為大家解答。


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