陀螺儀原理

2021-11-28 18:20:05|

來源：電子產(chǎn)品世界作者：

乍一聽，陀螺儀，這么高大上的東西一般不會有人了解，但是我相信大多數(shù)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么東西呢，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(tǒng)。

1850年法國的物理學家?？?J.Foucault)為了研究地球自轉，首先發(fā)現(xiàn)高速轉動中的轉子(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象不到的。

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(tài)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于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(常采用同步電機、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，并見其轉速近似為常值)：

(2) 內(nèi)、外框架(或稱內(nèi)、外環(huán)，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。

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(nèi)環(huán)軸和外環(huán)軸角度傳感元件可以測量兩個姿態(tài)角。

液浮陀螺儀　又稱浮子陀螺。內(nèi)框架(內(nèi)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(nèi)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，稱為全浮陀螺;浮力小于浮子組件重量者稱為半浮陀螺。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(nèi)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?，F(xiàn)代高精度的單自由度液浮陀螺常是液浮、磁浮和動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。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。這種方式屬于球形支承，轉子不僅能繞自轉軸旋轉，同時也能繞垂直于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，這就使轉子處于不穩(wěn)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。它不能承受較大的沖擊和振動。它的缺點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)、轉子、驅動軸和電機等組成。它靠平衡環(huán)扭擺運動時產(chǎn)生的動力反作用力矩(陀螺力矩)來平衡撓性桿支承產(chǎn)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(diào)諧。撓性陀螺儀是60年代迅速發(fā)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。激光陀螺實際上是一種環(huán)形激光器，沒有高速旋轉的機械轉子，但它利用激光技術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(shù)極小的材料制成三角形空腔。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，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，兩束激光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，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(xiàn)頻差，形成干涉條紋。單位時間的干涉條紋數(shù)正比于轉動角速度。激光陀螺的漂移率低達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(fā)展前途的新型陀螺儀。

處在研制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. 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度角之后，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當處于如圖的90度位置的時候會繼續(xù)向上運動，質點C也繼續(xù)向下。AC質點的組合將導致軸在子圖3所示的運動平面內(nèi)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(fā)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(xiàn)在受到了傾斜力的阻礙并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(nèi)運動。當質點AC最后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(nèi)的方向穩(wěn)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(xiàn)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，這里指重力產(chǎn)生的力矩。干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(xiàn)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，但隨著科學技術的發(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(xiàn)在以下幾個方面：

第一大用途，導航。陀螺儀自被發(fā)明開始，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，各類游戲的傳感器，比如飛行游戲，體育類游戲，甚至包括一些第一視角類射擊游戲，陀螺儀完整監(jiān)測游戲者手的位移，從而實現(xiàn)各種游戲操作效果。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，陀螺儀相當于一個立體的鼠標，這個功能和第三大用途中的游戲傳感器很類似，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范圍的用途。下面重點說說。那就是可以幫助手機實現(xiàn)很多增強現(xiàn)實的功能。增強現(xiàn)實是近期才冒出的概念，和虛擬現(xiàn)實一樣，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(xiàn)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(shù)，比如樓的高度，寬度，海拔，如果連接到數(shù)據(jù)庫，甚至可以得到這座大廈的物主、建設時間、現(xiàn)在的用途、可容納的人數(shù)等等。