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陀螺儀原理
角運(yùn)動(dòng)檢測(cè)裝置
陀螺儀是用高速回轉(zhuǎn)體的動(dòng)量矩敏感殼體相對(duì)慣性空間繞正交于自轉(zhuǎn)軸的一個(gè)或二個(gè)軸的角運(yùn)動(dòng)檢測(cè)裝置。利用其他原理制成的角運(yùn)動(dòng)檢測(cè)裝置起同樣功能的也稱陀螺儀。
基本信息
| 中文名 | 陀螺儀原理 |
| 外文名 | gyroscope |
| 功能 | 導(dǎo)航、定位等系統(tǒng) |
| 構(gòu)成 |
現(xiàn)象解釋
陀螺儀原理
陀螺儀基本上就是運(yùn)用物體高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，角動(dòng)量很大，旋轉(zhuǎn)軸會(huì)一直穩(wěn)定指向一個(gè)方向的性質(zhì)，所制造出來的定向儀器。不過它必須轉(zhuǎn)得夠快，或者慣量夠大(也可以說是角動(dòng)量要夠大)。不然，只要一個(gè)很小的力矩，就會(huì)嚴(yán)重影響到它的穩(wěn)定性。
工作原理
陀螺儀原理
而事實(shí)上，靜止與運(yùn)動(dòng)的陀螺儀本身并無區(qū)別，如果靜止的陀螺儀本身絕對(duì)平衡的話，拋除外在因素陀螺儀是可以不依靠旋轉(zhuǎn)便能立定的。
而如果陀螺儀本身尺寸不平衡的話，在靜止下就會(huì)造成陀螺儀模型傾斜跌倒，因此不均衡的陀螺儀必然依靠旋轉(zhuǎn)來維持平衡。
陀螺儀本身與引力有關(guān)，因?yàn)橐Φ挠绊懀痪獾耐勇輧x，重的一端將向下運(yùn)行，而輕的一端向上。
在引力場(chǎng)中，重物下降的速度是需要時(shí)間的，物體墜落的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)慢于陀螺儀本身旋轉(zhuǎn)的速度時(shí)，將導(dǎo)致陀螺儀偏重點(diǎn)，在旋轉(zhuǎn)中不斷的改變陀螺儀自身的平衡，并形成一個(gè)向上旋轉(zhuǎn)的速度方向。
當(dāng)然，如果陀螺儀偏重點(diǎn)太大，陀螺儀自身的左右互作用力也將失效！。
而在旋轉(zhuǎn)中，陀螺儀如果遇到外力導(dǎo)致，陀螺儀轉(zhuǎn)輪某點(diǎn)受力。陀螺儀會(huì)立刻傾斜，而陀螺儀受力點(diǎn)的勢(shì)能如果低于陀螺儀旋轉(zhuǎn)時(shí)速，這時(shí)受力點(diǎn)，會(huì)因?yàn)橥勇輧x傾斜，在旋轉(zhuǎn)的推動(dòng)下，陀螺儀受力點(diǎn)將從斜下角，滑向斜上角。而在向斜上角運(yùn)行時(shí)，陀螺儀受力點(diǎn)的勢(shì)能還在向下運(yùn)行。這就導(dǎo)致陀螺儀到達(dá)斜上角時(shí)，受力點(diǎn)的剩余勢(shì)能將會(huì)將在位于斜上角時(shí)，勢(shì)能向下推動(dòng)。
而與受力點(diǎn)相反的直徑另一端，同樣具備了相應(yīng)的勢(shì)能，這個(gè)勢(shì)能與受力點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方向相反，受力點(diǎn)向下，而它向上，且管這個(gè)點(diǎn)叫“聯(lián)動(dòng)受力點(diǎn)”。
當(dāng)聯(lián)動(dòng)受力點(diǎn)旋轉(zhuǎn)180度，從斜上角到達(dá)斜下角，這時(shí)聯(lián)動(dòng)受力點(diǎn)，將陀螺儀向上拉動(dòng)。
在受力點(diǎn)與聯(lián)動(dòng)受力互作用力下，陀螺儀回歸平衡。
〖專業(yè)解釋〗我們不用一個(gè)完整的輪框，我們用四個(gè)質(zhì)點(diǎn)ABCD來表示邊上的區(qū)域，這個(gè)邊對(duì)于用圖來解釋陀螺儀的工作原理是很重要的。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1。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2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3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)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)。
萬向節(jié)陀螺儀
陀螺儀原理
各模上的陀螺儀
從上面我們可以看到，陀螺儀的關(guān)鍵是軸的不變性。這樣的特性，看起來雖然簡(jiǎn)單，但能使用在許多不同的應(yīng)用上。制導(dǎo)武器就是陀螺儀的最關(guān)鍵應(yīng)用之一。在慣性制導(dǎo)中，陀螺儀是控制武器飛行姿態(tài)的重要部件，在劇烈變化的環(huán)境中，沒有精心設(shè)計(jì)的陀螺儀用來保證穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，再好的控制規(guī)律也無法命中目標(biāo)。除了制導(dǎo)之外，陀螺儀還能夠應(yīng)用在其他的尖端的科技上。比如說，著名的哈勃天文望遠(yuǎn)鏡的3個(gè)遙感裝置中每個(gè)都裝有一個(gè)陀螺儀和一個(gè)備份。3個(gè)工作的陀螺儀是保證望遠(yuǎn)鏡指向所必不可少的。
陀螺儀正是因?yàn)樗钠胶獾奶匦裕呀?jīng)成為了飛行設(shè)備中關(guān)鍵的部件，從航模、制導(dǎo)武器、導(dǎo)彈、衛(wèi)星、天文望遠(yuǎn)鏡，無處沒有它的身影，陀螺儀默默的工作保證了這些飛行設(shè)備能按照指定的方式去工作。
應(yīng)用實(shí)例
隧道中心線測(cè)量
陀螺儀原理
當(dāng)有通視障礙，不能從已知點(diǎn)取得方向角時(shí)，可以采用天文測(cè)量或陀螺經(jīng)緯儀測(cè)量的方法獲取方向角（根據(jù)建設(shè)省測(cè)量規(guī)范）。與天文測(cè)量比較，陀螺經(jīng)緯儀測(cè)量的方法有很多優(yōu)越性：對(duì)天氣的依賴少、云的多少無關(guān)、無須復(fù)雜的天文計(jì)算、在現(xiàn)場(chǎng)可以得到任意測(cè)線的方向角而容易計(jì)算閉合差。
日影計(jì)算所需的真北測(cè)定
在城市或近郊地區(qū)對(duì)高層建筑有日照或日影條件的高度限制。在建筑申請(qǐng)時(shí)，要附加日影圖。此日影圖是指，在冬至的真太陽時(shí)的8點(diǎn)到16點(diǎn)為基準(zhǔn)，進(jìn)行為了計(jì)算、圖面繪制所需要的高精度真北方向測(cè)定。使用陀螺經(jīng)緯儀測(cè)量可以獲得不受天氣、時(shí)間影響的真北測(cè)量。
智能手機(jī)應(yīng)用
1、陀螺儀自被發(fā)明開始，就用于導(dǎo)航，先是德國人將其應(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)。實(shí)際上，很多專業(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，導(dǎo)航能力絕不亞于很多船舶、飛機(jī)上用的導(dǎo)航儀。還可以實(shí)現(xiàn)GPS的慣性導(dǎo)航：當(dāng)汽車行駛到隧道或城市高大建筑物附近，沒有GPS訊號(hào)時(shí)，可以通過陀螺儀來測(cè)量汽車的偏航或直線運(yùn)動(dòng)位移，從而繼續(xù)導(dǎo)航。
2、可以和手機(jī)上的攝像頭配合使用，比如防抖，在拍照時(shí)的維持圖像的穩(wěn)定，防止由于手的抖動(dòng)對(duì)拍照質(zhì)量的影響。在按下快門時(shí)，記錄手的抖動(dòng)動(dòng)作，將手的抖動(dòng)反饋給圖像處理器，可以讓手機(jī)捕捉到更清晰穩(wěn)定的畫面。
3、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(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)，想必用過任天堂WII的網(wǎng)友會(huì)有很深的感受。
4、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似，甚至可以認(rèn)為是一種類型。通過小幅度的傾斜，偏轉(zhuǎn)手機(jī)，實(shí)現(xiàn)菜單，目錄的選擇和操作的執(zhí)行。（比如前后傾斜手機(jī)，實(shí)現(xiàn)通訊錄條目的上下滾動(dòng)；左右傾斜手機(jī)，實(shí)現(xiàn)瀏覽頁面的左右移動(dòng)或者頁面的放大或縮小。）
5、也是未來最有前景和應(yīng)用范圍的用途。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)中的一些物體有更深入的了解。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，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。
參考資料
[1]
工作原理與應(yīng)用 - 陀螺儀是什么？ · 電子發(fā)燒友網(wǎng)[引用日期2018-12-10]
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應(yīng)用實(shí)例
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作者
