陀螺儀原理

2020-11-29 電子產品世界

　　乍一聽，陀螺儀，這麼高大上的東西一般不會有人了解，但是我相信大多數人應該都聽過陀螺，如下圖，看過《盜夢空間》的人肯定對這個陀螺印象深刻，其實它們的原理是相似的，但是陀螺儀到底是什麼東西呢，下面我來為大家簡單介紹一下。

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，是一種用來感測與維持方向的裝置，基於角動量不滅的理論設計出來的。陀螺儀主要是由一個位於軸心可以旋轉的輪子構成。陀螺儀一旦開始旋轉，由於輪子的角動量，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年法國的物理學家福柯(J.Foucault)為了研究地球自轉，首先發現高速轉動中的轉子(rotor)，由於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一字來命名這種儀表。

　　萬萬想不到的是雞頭就是一個非常完美的陀螺儀，無論你怎樣動雞的身體，它總是能hold住自己的頭，太強大了!

　　既然雞頭天生是陀螺儀，老外就加了個攝像頭，拍出來畫面更是你想像不到的。

2.陀螺儀原理：陀螺儀的基本組成與分類

　　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及速率等最方便實用的參考儀表。從力學的觀點近似的分析陀螺的運動時，可以把它看成是一個剛體，剛體上有一個萬向支點，而陀螺可以繞著這個支點作三個自由度的轉動，所以陀螺的運動是屬於剛體繞一個定點的轉動運動。更確切地說，一個繞對稱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(常採用同步電機、磁滯電機、三相交流電機等拖動方法來使陀螺轉子繞自轉軸高速旋轉，並見其轉速近似為常值)：

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

　　(3) 附件(是指力矩馬達、信號傳感器等)。

　　2.2陀螺儀的分類

　　按照轉子轉動的自由度分成雙自由度陀螺儀(也稱三自由度陀螺儀)和單自由度陀螺儀(也稱二自由度陀螺儀)。前者用於測定飛行器的姿態角，後者用於測定姿態角速度，因此常稱單自由度陀螺儀為。但通常多按陀螺儀中所採用的支承方式分類。

　　滾珠軸承自由陀螺儀　它是經典的陀螺儀。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，漂移率為每小時幾度，但工作可靠，迄今還用在精度要求不高的場合。一個自由轉子陀螺儀(雙自由度陀螺儀)靠內環軸和外環軸角度傳感元件可以測量兩個姿態角。

　　液浮陀螺儀　又稱浮子陀螺。內框架(內環)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,用以產生所需要的浮力和阻尼。浮力與浮子組件的重量相等者，稱為全浮陀螺;浮力小於浮子組件重量者稱為半浮陀螺。由於利用浮力支承，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壓氣膜支承轉子，這種方式稱為動壓氣浮支承。現代高精度的單自由度液浮陀螺常是液浮、磁浮和動壓氣浮並用的三浮陀螺儀。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。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　又稱電浮陀螺。在金屬球形空心轉子的周圍裝有均勻分布的高壓電極,對轉子形成靜電場,用靜電力支承高速旋轉的轉子。這種方式屬於球形支承，轉子不僅能繞自轉軸旋轉，同時也能繞垂直於自轉軸的任何方向轉動，故屬自由轉子陀螺儀類型。靜電場僅有吸力，轉子離電極越近吸力就越大，這就使轉子處於不穩定狀態。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。靜電陀螺儀採用非接觸支承，不存在摩擦,所以精度很高,漂移率低達10 ～10 度/時。它不能承受較大的衝擊和振動。它的缺點是結構和製造工藝複雜，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力調諧撓性陀螺儀。它由內撓性杆、外撓性杆、平衡環、轉子、驅動軸和電機等組成。它靠平衡環扭擺運動時產生的動力反作用力矩(陀螺力矩)來平衡撓性杆支承產生的彈性力矩，從而使轉子成為一個無約束的自由轉子，這種平衡就是調諧。撓性陀螺儀是60年代迅速發展起來的慣性元件，它因結構簡單、精度高(與液浮陀螺相近)、成本低，在飛機和飛彈上得到了廣泛應用。

　　雷射陀螺儀　它的結構原理與上面幾種陀螺儀完全不同。雷射陀螺實際上是一種環形雷射器，沒有高速旋轉的機械轉子，但它利用雷射技術測量物體相對於慣性空間的角速度，具有速率陀螺儀的功能。雷射陀螺儀的結構和工作是：用熱膨脹係數極小的材料製成三角形空腔。在空腔的各頂點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，並裝設電極，形成雷射發生器。雷射發生器產生兩束射向相反的雷射。當環形雷射器處於靜止狀態時，兩束雷射繞行一周的光程相等，因而頻率相同，兩個頻率之差(頻差)為零，幹涉條紋為零。當環形雷射器繞垂直於閉合光路平面的軸轉動時，與轉動方向一致的那束光的光程延長，波長增大，頻率降低;另一束光則相反，因而出現頻差，形成幹涉條紋。單位時間的幹涉條紋數正比於轉動角速度。雷射陀螺的漂移率低達0.1～0.01度/時，可靠性高，不受線加速度等的影響，已在飛行器的慣性導航中得到應用，是很有發展前途的新型陀螺儀。

　　處在研製過程中的光導纖維陀螺儀正逐漸成為實用的儀表。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。

　　3.1陀螺儀原理

　　陀螺儀是在動態中保持相對跟蹤狀態的裝置，由於其原理的複雜性，我們藉助於圖來看看陀螺儀的原理。

　　圖2 圖3

圖4

　　如圖所示，軸的底部被託住靜止但是能夠各個方向旋轉。當一個傾斜力作用在頂部的軸上的時候，質點A向上運動，質點C則向下運動，如其中的子圖2。因為陀螺儀是順時針旋轉，在旋轉90度角之後，質點A將會到達質點B的位置。CD兩個質點的情況也是一樣的。子圖2中質點A當處於如圖的90度位置的時候會繼續向上運動，質點C也繼續向下。AC質點的組合將導致軸在子圖3所示的運動平面內運動。一個陀螺儀的軸在一個合適的角度上旋轉，在這種情況下，如果陀螺儀逆時針旋轉，軸將會在運動平面上向左運動。如果在順時針的情況中，傾斜力是一個推力而不是拉力的話，運動將會向左發生。在子圖4中，當陀螺儀旋轉了另一個90度的時候，質點C在質點A受力之前的位置。C質點的向下運動現在受到了傾斜力的阻礙並且軸不能在傾斜力平面上運動。傾斜力推軸的力量越大，當邊緣旋轉大約180度時，另一側的邊緣推動軸向回運動。

　　實際上，軸在這個情況下將會在傾斜力的平面上旋轉。軸之所以會旋轉是因為質點AC在向上和向下運動的一些能量用盡導致軸在運動平面內運動。當質點AC最後旋轉到大致上相反的位置上時，傾斜力比向上和向下的阻礙運動的力要大。

　　3.2陀螺儀的特性

　　陀螺儀具有兩個特性：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。轉子角動量即矢量H(圖5[陀螺儀的進動現象])是轉子繞自轉軸的轉動慣量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進動性：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作用下不從支點掉下，而以角速度[kg2]ω[kg2]繞垂線不斷轉動，這就是進動。進動角速度[kg2]ω=L/H,其中L為外力矩，這裡指重力產生的力矩。幹擾力矩引起轉子的進動角速度稱為陀螺的漂移率，單位為度/時，是衡量陀螺儀性能的主要指標。

　　圖5 陀螺儀進動現象

4.陀螺儀原理：陀螺儀的應用

　　陀螺儀器最早是用於航海導航，但隨著科學技術的發展，它在航空和航天事業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方面：

　　第一大用途，導航。陀螺儀自被發明開始，就用於導航，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。目前很多專業手持式GPS上也裝了陀螺儀，如果手機上安裝了相應的軟體，其導航能力絕不亞於目前很多船舶、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，各類遊戲的傳感器，比如飛行遊戲，體育類遊戲，甚至包括一些第一視角類射擊遊戲，陀螺儀完整監測遊戲者手的位移，從而實現各種遊戲操作效果。有關這點，想必用過任天堂WII的兄弟會有很深的感受。

　　第四大用途，可以用作輸入設備，陀螺儀相當於一個立體的滑鼠，這個功能和第三大用途中的遊戲傳感器很類似，甚至可以認為是一種類型。

　　第五大用途，也是未來最有前景和應用範圍的用途。下面重點說說。那就是可以幫助手機實現很多增強現實的功能。增強現實是近期才冒出的概念，和虛擬實境一樣，是計算機的一種應用。大意是可以通過手機或者電腦的處理能力，讓人們對現實中的一些物體有跟深入的了解。如果大家不理解，舉個例子，前面有一個大樓，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參數，比如樓的高度，寬度，海拔，如果連接到資料庫，甚至可以得到這座大廈的物主、建設時間、現在的用途、可容納的人數等等。