陀螺仪原理(自行车陀螺仪稳定器)

简介:陀螺仪又称角速度传感器，是利用高速旋转体的动量矩来感知壳体空绕一个或两个与旋转轴正交的轴的相对惯性的角运动检测器件。同时，由具有相同功能的其他原理制成的角运动检测设备也被称为陀螺仪。

陀螺仪名称的由来

陀螺仪名称的由来由来已久。据考证，1850年，法国物理学家J·福柯为了研究地球自转，首先发现了高速旋转中的转子。由于它的惯性，它的旋转轴总是指向一个固定的方向，所以福柯把希腊文字“陀螺”和“斯科佩因”组合起来给这个仪器命名。

最早的制作陀螺仪的简单方法如下:将高速旋转的陀螺仪放在万向节上，通过陀螺仪的方向计算角速度，如下图所示。

其中，中间的金色转子就是陀螺，它不会受到惯性的影响，周围的三个“钢圈”会随着设备姿态的变化而变化，从而检测出设备的当前状态。这三个“钢圈”所在的轴，也就是三轴陀螺中的“三轴”，即X轴、Y轴和Z轴，以及三轴所包围的三维/[/K0。所以，首先，陀螺仪最重要的作用是可以测量角速度。

陀螺仪的基本组成

目前从力学的角度近似分析陀螺的运动时，可以把它看成一个具有万向支点的刚体，陀螺可以绕这个支点做三个自由度的转动，所以陀螺的运动属于刚体绕固定点的转动。更具体地说，围绕对称轴高速旋转的飞轮转子称为陀螺仪。陀螺仪安装在框架装置上，使陀螺仪的旋转轴具有角度旋转的自由度。这种设备通常被称为陀螺仪。

陀螺仪的基本部件有:陀螺转子(常采用同步电机、磁滞电机、三相交流电机等拖动方式，使陀螺转子绕旋转轴高速旋转，其转速近似恒定)；内外框架(或称内外环，是使陀螺自转轴在角旋转中获得所需自由度的结构)；附件(指力矩电机、信号传感器等。).

陀螺仪的工作原理

陀螺仪检测角速度。它的工作原理是基于科里奥利力的原理:当物体在坐标系中做直线运动时，假设坐标系旋转，物体在旋转过程中会感受到一个垂直方向的力和垂直方向的加速度。

台风的形成就是基于这个原理。地球的旋转带动了大气的旋转。如果大气旋转时受到一个切向力，就容易形成台风。然而，北半球和南半球的台风旋转方向不同。用一个形象的比喻解释科里奥利力的原理。

具体来说，陀螺仪是圆形中心轴的组合。事实上，静止的陀螺仪和运动的陀螺仪没有区别。如果静止陀螺仪是绝对平衡的，那么在排除外界因素的情况下，陀螺仪可以不依赖旋转而被设置。但如果陀螺仪本身大小不平衡，就会导致陀螺仪模型在静止状态下发生倾斜和坠落，所以不平衡的陀螺仪必须依靠旋转来维持平衡。

陀螺仪本身和重力有关。由于重力的影响，不平衡陀螺仪的重端会向下运行，而轻端会向上运行。在重力场中，重量下降需要时间。当物体的下落速度比陀螺仪本身的旋转速度慢很多时，就会造成陀螺仪偏离焦点，在旋转过程中不断改变陀螺仪本身的平衡，形成向上的旋转速度方向。当然，如果陀螺仪太偏，陀螺仪本身的左右相互作用力也会失效。

在旋转中，如果陀螺仪遇到外力，滚轮会在某一点受力。陀螺仪会立刻倾斜，如果陀螺仪受力点的势能低于陀螺仪的转速，那么受力点就会因为陀螺仪而倾斜。在旋转的推动下，陀螺仪的受力点会从斜下角滑向斜上角。但当陀螺仪运行在向斜上角时，陀螺仪受力点的势能仍在向下运行。这就导致了当陀螺仪到达斜上角时，应力点的剩余势能会将位于斜上角时的势能向下推。

与受力点相对的直径另一端也有相应的势能。这个势能与受力点的运动方向相反，受力点向下，而向上，这个点叫做& # 34；联动应力点& # 34；。当联动受力点旋转180度，从斜上角到斜下角，那么联动受力点就把陀螺仪向上拉。在受力点和连杆应力的相互作用下，陀螺仪回到平衡状态。

高速旋转物体的旋转轴倾向于垂直于改变其方向的外力。而且当旋转的物体横向倾斜时，重力会作用在增加倾斜的方向，而轴会在垂直方向移动，产生摇头的运动(进动)。当陀螺的旋转轴在水平轴上旋转时，由于地球自转而受到垂直旋转力的作用，陀螺的旋转体在水平面内产生子午线方向的进动运动。重要官员可以适用于当它平行于经络和休息。

陀螺仪的功能

这个陀螺仪和重力传感器有什么区别？区别很多，但最大的区别是重力感应对于空之间的位移的感应维度更少，能感应六个方向就不错了，而陀螺仪是全方位的。这一点非常重要。毫不夸张的说，两者不是一个级别的产品。

看到这里你可能还是会觉得有点迷茫。既然陀螺仪很厉害，那它在手机上有什么用呢？让我们来看看。

第一大用处，导航。陀螺仪自发明以来一直用于导航。首先，德国人将其应用于V1和V2火箭。因此，如果使用GPS，手机的导航能力将达到前所未有的水平。事实上，目前很多专业手持GPS都配备了陀螺仪。如果在手机上安装相应的软件，其导航能力并不亚于目前很多船舶、飞机上使用的导航仪。

二是可以配合手机上的摄像头使用，比如防抖，会大大提高手机的拍照能力。

第三，各种游戏的传感器，比如飞行游戏，体育游戏，甚至一些第一视角的射击游戏。陀螺仪完全监控玩家双手的位移，从而实现各种游戏操作效果。对此，用过任天堂WII的兄弟情一定深有感触。

第四，可以作为输入设备。陀螺仪相当于一个三维鼠标。这个功能和三中的游戏传感器很像，甚至可以认为是一种类型。

第五大用途，也是未来最有前景、最适用的用途。下面重点说一下。即可以帮助手机实现很多增强现实功能。增强现实是一个新兴的概念。和虚拟现实一样，是计算机的一种应用。大意是，人们可以通过手机或电脑的处理能力，对一些真实的物体有深入的了解。如果不明白，比如前面有栋楼。如果你把手机摄像头对准它，就能立刻在屏幕上得到建筑物的相关参数，比如建筑物的高度、宽度、海拔高度等。如果你连接到数据库，你甚至可以得到业主，建造时间，目前的使用情况，可以容纳的人数等等。

这种增强现实技术不是用来满足大家好奇心的。在实际生产中，它有广泛的用途，比如盖房子。用手机拍张照片就知道墙是不是歪了。歪了多少？举个例子，如果你是一个抵抗美军的伊拉克士兵，你通常只需要带着这种手机中的一个，绕着基地走一圈，出来一辆坦克、装甲车或者直升机，用手机拍一下，就能立刻判断出武器的种类、速度和运动方向。

陀螺仪的两个动态特性

陀螺仪是一种古老而重要的仪器。从第一台真正实用的陀螺仪器问世至今，已经过去了半个多世纪。直到现在，陀螺仪还在吸引着人们对它的研究，这是陀螺仪自身的特点决定的。陀螺仪最重要的基本特性是惯性和进动，两者都是基于角动量守恒原理。早就从小孩子玩的地面陀螺中发现，高速旋转的陀螺能保持与地面垂直而不掉下来，体现了陀螺的定轴。研究陀螺仪运动特性的理论是刚体绕定点运动动力学的一个分支。它以物体的惯性为基础，研究旋转物体的动态特性。

轴(惯性或刚性)。当陀螺转子高速旋转时，当没有外力力矩作用在陀螺上时，陀螺旋转轴在惯性空中的方向保持稳定，即指向一个固定的方向；同时抵抗任何改变转子轴向的力。这种物理现象称为陀螺仪的同轴度或稳定性。其稳定性随以下物理量而变化:转子的转动惯量越大，稳定性越好；转子的角速度越大，稳定性越好。

岁差(岁差)。当转子高速旋转时，如果外力矩作用在外环轴上，陀螺仪会绕内环轴旋转；如果外力矩作用在内环轴上，陀螺仪会绕外环轴旋转。其旋转角速度方向与外界力矩的作用方向垂直，称为陀螺仪的进动。进动角速度的方向取决于动量矩H的方向(与转子旋转角速度矢量的方向重合)和外力矩M的方向，旋转角速度矢量以最短路径追上外力矩。

MEMS陀螺仪MEMS陀螺仪

七种常见陀螺仪

根据陀螺仪的惯性或刚性和进动制成的各种仪器或装置，常见的陀螺仪主要有以下几种:

陀螺仪。一种三自由度陀螺仪，用于寻找和跟踪导航用的地理子午面和作为方向基准的飞行物体。外环轴垂直，转子轴水平置于子午面内，正端指向北方；其重心沿着垂直轴向下或向上偏离支撑中心。当转子偏离子午面时，同时也偏离了水平面，产生了使螺线进入子午面的重力矩。这种使用大扭矩的陀螺罗盘被称为摆式罗盘。21世纪发展为使用自动控制系统代替重力摆的电子控制陀螺罗盘，并创造了能同时指示水平面和子午面的平台罗盘。

速率陀螺仪。直接测量载体角速度的二自由度陀螺装置。将平衡陀螺仪的外环固定在载体上，并使内环轴线垂直于待测角速度的轴线。当载体和外环一起以一定角速度围绕测量轴进动时，陀螺力矩将迫使内环和转子一起相对于载体进动。陀螺仪中有一个弹簧来限制这种相对进动，内圈的进动角度与弹簧的变形成正比。载体的陀螺力矩和角速度可以由平衡状态下内环的进动角得到。积分陀螺仪和速率陀螺仪的唯一区别是用线性阻尼器代替弹簧约束。当车辆以任意变速旋转时，积分陀螺仪的输出就是绕测量轴的旋转角度(即角速度的积分)。以上两种陀螺仪广泛应用于远距离测量系统或自动控制和惯性导航平台。

陀螺稳定平台。陀螺仪是核心部件，在被稳定物体的相对惯性空之间保持给定姿态稳定。稳定平台通常利用外圈和内圈组成的平台架轴上的力矩装置，产生力矩和干扰力矩之间的平衡，从而使陀螺停止进动。稳定平台被称为动态陀螺稳定器。陀螺稳定平台根据物体能保持稳定的转轴数量分为单轴、双轴和三轴陀螺稳定平台。陀螺稳定平台可以用来稳定那些需要精确定向的仪器设备，如测量仪器、天线等。，已广泛应用于航海空和导航的导航系统，以及火控和雷达的万向支架。根据不同的原理方案，使用各种类型的陀螺仪作为元件。其中陀螺螺丝产生的陀螺力矩用来抵抗干扰力矩，然后输出信号控制摄像系统。

陀螺仪。陀螺仪是一个简单易用的定位和控制系统，基于自由空运动和手势。在假想平面上挥动鼠标，屏幕上的光标会随之移动，可以绕着链接转圈，点击按键。当你在演讲或离开办公桌时，这些操作都可以轻松实现。陀螺仪最初应用于直升机模型，目前已广泛应用于手机等移动便携设备(IPHONE的三轴陀螺仪技术)。

光纤陀螺仪。光纤陀螺是基于光纤线圈的敏感元件，激光二极管发出的光沿光纤双向传播。光传播路径的变化决定了敏感元件的角位移。与传统的机械陀螺相比，光纤陀螺具有全固态、无旋转部件和摩擦部件、寿命长、动态范围大、瞬时启动、结构简单、体积小、重量轻等优点。与激光陀螺相比，光纤陀螺不存在锁定问题，光路不需要在应时块中精密加工，所以成本低。

激光陀螺仪。激光陀螺的原理是利用光程差来测量旋转角速度(Sagnac效应)。在闭合光路中，从同一光源发出的顺时针和逆时针方向传播的两束光相互干涉。通过检测相位差或干涉条纹的变化，可以测量闭合光路的旋转角速度。

MEMS陀螺仪。基于MEMS的陀螺仪比光纤或激光陀螺仪便宜很多，但精度很低，需要用参考传感器进行补偿来提高精度。MEMS陀螺仪使用由相互正交的振动和旋转引起的交变科里奥利力。MEMS陀螺仪利用科里奥利力将旋转物体的角速度转换成与角速度成正比的DC电压信号，其核心部件通过掺杂技术、光刻技术、腐蚀技术、LIGA技术和封装技术实现量产。

陀螺仪的应用

陀螺仪在航天飞行中的应用空

陀螺仪最早用于导航，但随着科技的发展，已经广泛应用于导航空和航空航天领域。

陀螺仪表不仅可以作为指示仪表，更重要的是可以作为自动控制系统中的敏感元件，即作为信号传感器。根据需要，陀螺仪表可以提供精确的方位、高度、位置、速度和加速度信号，以便飞行员控制飞机、船舶或航天飞机沿一定路线飞行。在导弹、卫星运载器或空探测火箭的制导中，直接利用这些信号来完成飞行器的姿态控制和轨道控制。陀螺仪表作为稳定器，可以使列车在单轨上运行，减少船舶在风浪中的摇摆，使安装在飞机或卫星上的摄像机相对于地面稳定。

陀螺仪器作为一种精密测试仪器，可以为地面设施、矿井隧道、地下铁路、石油钻井、导弹发射井等提供精确的方位参考。

由此可见，陀螺仪器的应用非常广泛，在国防现代化和国民经济建设中发挥着重要作用。

陀螺仪在消费电子产品中的创新应用

陀螺仪的出现给了消费电子空很大的应用空间。比如就设备输入的方式而言，继键盘、鼠标、触摸屏之后，陀螺仪带给我们的是手势输入。由于精度高，甚至可以实现电子签名。比如，它还让智能手机变得更加智能:除了手机上网、数据处理速度快之外，还能“察人言，观其行”，提供相应的服务。

导航。陀螺仪自发明以来一直用于导航。首先，德国人将其应用于V1和V2火箭。因此，如果使用GPS，手机的导航能力将达到前所未有的水平。事实上，目前很多专业手持GPS都配备了陀螺仪。如果在手机上安装相应的软件，其导航能力并不亚于目前很多船舶、飞机上使用的导航仪。

相机防抖。陀螺仪可以配合手机上的摄像头使用，比如防抖，会大大提高手机的摄像能力。

提升游戏体验。各种手游的传感器，比如飞行类游戏，体育类游戏，甚至一些第一视角的射击类游戏，都有用到。陀螺仪完全监控玩家手部的位移，从而实现各种游戏操作效果，比如横屏变竖屏，赛车游戏中的转弯等等。

作为输入设备。陀螺仪也可以作为输入设备，相当于一个三维鼠标。这个功能很像第三大应用中的游戏传感器，甚至可以认为是一种类型。

同时，除了我们熟悉的智能手机，很多MEMS陀螺仪也用在汽车上。在高档汽车中，大约有25到40个MEMS传感器用于检测汽车不同部件的工作状态，并向行车电脑提供信息，以便用户更好地控制汽车。

来源:机械设计、制造和自动化

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