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陀螺仪原理

作者:蒋雅娴时间:2015-01-13来源:电子产品世界

  乍一听,,这么高大上的东西一般不会 有人了解,但是我相信大多数人应该都听过陀螺,如下图,看过《盗梦空间》的人肯定对这个陀螺印象深刻,其实它们的原理是相似的,但是到底是什么东西呢,下面我来为大家简单介绍一下。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/268081.htm

陀螺仪原理

1.原理:陀螺仪是神马东东?

  陀螺仪,是一种用来感测与维持方向的装置,基於角动量不灭的理论设计出来的。陀螺仪主要是由一个位於轴心可以旋转的轮子构成。 陀螺仪一旦开始旋转,由於轮子的角动量,陀螺仪有抗拒方向改变的趋向。陀螺仪多用於导航、定位等系统。

陀螺仪原理

  1850年法国的物理学家福柯(J.Foucault)为了研究地球自转,首先发现高速转动中的转子(rotor),由于惯性作用它的旋转轴永远指向一固定方向,他用希腊字gyro(旋转)和skopein(看)两字合为gyro scopei一字来命名这种仪表。

  万万想不到的是鸡头就是一个非常完美的陀螺仪,无论你怎样动鸡的身体,它总是能hold住自己的头,太强大了!

  既然鸡头天生是陀螺仪,老外就加了个摄像头,拍出来画面更是你想象不到的。

2.:陀螺仪的基本组成与分类

  2.1陀螺仪的基本组成

  陀螺仪的装置,一直是航空和航海上航行姿态及速率等最方便实用的参考仪表。从力学的观点近似的分析陀螺的运动时,可以把它看成是一个刚体,刚体上有一个万向支点,而陀螺可以绕着这个支点作三个自由度的转动,所以陀螺的运动是属于刚体绕一个定点的转动运动。更确切地说,一个绕对称轴高速旋转的飞轮转子叫陀螺。将陀螺安装在框架装置上,使陀螺的自转轴有角转动的自由度,这种装置的总体叫做陀螺仪,陀螺仪的基本部件有:

  (1) 陀螺转子(常采用、磁滞电机、三相交流电机等拖动方法来使陀螺转子绕自转轴高速旋转,并见其转速近似为常值):

  (2) 内、外框架(或称内、外环,它是使陀螺自转轴获得所需角转动自由度的结构);

  (3) 附件(是指力矩马达、信号传感器等)。

陀螺仪原理

  2.2陀螺仪的分类

  按照转子转动的自由度分成双自由度陀螺仪(也称三自由度陀螺仪)和单自由度陀螺仪(也称二自由度陀螺仪)。前者用于测定飞行器的姿态角,后者用于测定姿态角速度,因此常称单自由度陀螺仪为。但通常多按陀螺仪中所采用的支承方式分类。

  滚珠轴承自由陀螺仪 它是经典的陀螺仪。利用滚珠轴承支承是应用最早、最广泛的支承方式。滚珠轴承靠直接接触,摩擦力矩大,陀螺仪的精度不高,漂移率为每小时几度,但工作可靠,迄今还用在精度要求不高的场合。一个自由转子陀螺仪(双自由度陀螺仪)靠内环轴和外环轴角度传感元件可以测量两个姿态角。

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  液浮陀螺仪 又称浮子陀螺。内框架(内环)和转子形成密封球形或圆柱形的浮子组件。转子在浮子组件内高速旋转,在浮子组件与壳体间充以浮液,用以产生所需要的浮力和阻尼。浮力与浮子组件的重量相等者,称为全浮陀螺;浮力小于浮子组件重量者称为半浮陀螺。由于利用浮力支承,摩擦力矩减小,陀螺仪的精度较高,但因不能定位仍有摩擦存在。为弥补这一不足,通常在液浮的基础上增加磁悬浮,即由浮液承担浮子组件的重量,而用磁场形成的推力使浮子组件悬浮在中心位置。此外,还可利用高速旋转的转子与内框架之间所形成的动压气膜支承转子,这种方式称为动压气浮支承。现代高精度的单自由度液浮陀螺常是液浮、磁浮和动压气浮并用的三浮陀螺仪。这种陀螺仪比滚珠轴承陀螺仪的精度高,漂移率为0.01度/时。但液浮陀螺仪要求较高的加工精度、严格的装配、精确的温控,因而成本较高。

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  静电陀螺仪 又称电浮陀螺。在金属球形空心转子的周围装有均匀分布的高压电极,对转子形成静电场,用静电力支承高速旋转的转子。这种方式属于球形支承,转子不仅能绕自转轴旋转,同时也能绕垂直于自转轴的任何方向转动,故属自由转子陀螺仪类型。静电场仅有吸力,转子离电极越近吸力就越大,这就使转子处于不稳定状态。用一套支承电路改变转子所受的力,可使转子保持在中心位置。静电陀螺仪采用非接触支承,不存在摩擦,所以精度很高,漂移率低达10 ~10 度/时。它不能承受较大的冲击和振动。它的缺点是结构和制造工艺复杂,成本较高。

  挠性陀螺仪 转子装在弹性支承装置上的陀螺仪。在挠性陀螺仪中应用较广的是动力调谐挠性陀螺仪。它由内挠性杆、外挠性杆、平衡环、转子、驱动轴和电机等组成。它靠平衡环扭摆运动时产生的动力反作用力矩(陀螺力矩)来平衡挠性杆支承产生的弹性力矩,从而使转子成为一个无约束的自由转子,这种平衡就是调谐。挠性陀螺仪是60年代迅速发展起来的惯性元件,它因结构简单、精度高(与液浮陀螺相近)、成本低,在飞机和导弹上得到了广泛应用。

陀螺仪原理

  激光陀螺仪 它的结构原理与上面几种陀螺仪完全不同。激光陀螺实际上是一种环形激光器,没有高速旋转的机械转子,但它利用激光技术测量物体相对于惯性空间的角速度,具有速率陀螺仪的功能。激光陀螺仪的结构和工作是:用热膨胀系数极小的材料制成三角形空腔。在空腔的各顶点分别安装三块反射镜,形成闭合光路。腔体被抽成真空,充以氦氖气,并装设电极,形成激光发生器。激光发生器产生两束射向相反的激光。当环形激光器处于静止状态时,两束激光绕行一周的光程相等,因而频率相同,两个频率之差(频差)为零,干涉条纹为零。当环形激光器绕垂直于闭合光路平面的轴转动时,与转动方向一致的那束光的光程延长,波长增大,频率降低;另一束光则相反,因而出现频差,形成干涉条纹。单位时间的干涉条纹数正比于转动角速度。激光陀螺的漂移率低达0.1~0.01度/时,可靠性高,不受线加速度等的影响,已在飞行器的惯性导航中得到应用,是很有发展前途的新型陀螺仪。

陀螺仪原理

  处在研制过程中的光导纤维陀螺仪正逐渐成为实用的仪表。其他新型原理的陀螺仪,如核子共振陀螺仪等,还处在研究阶段。

3. 与特性

  3.1陀螺仪原理

  陀螺仪是在动态中保持相对跟踪状态的装置,由于其原理的复杂性,我们借助于图来看看陀螺仪的原理。陀螺仪原理

  图2                                                                  图3

陀螺仪原理
图4

  如图所示,轴的底部被托住静止但是能够各个方向旋转。当一个倾斜力作用在顶部的轴上的时候,质点A向上运动,质点C则向下运动,如其中的子图2。因为陀螺仪是顺时针旋转,在旋转90度角之后,质点A将会到达质点B的位置。CD两个质点的情况也是一样的。子图2中质点A当处于如图的90度位置的时候会继续向上运动,质点C也继续向下。AC质点的组合将导致轴在子图3所示的运动平面内运动。一个陀螺仪的轴在一个合适的角度上旋转,在这种情况下,如果陀螺仪逆时针旋转,轴将会在运动平面上向左运动。如果在顺时针的情况中,倾斜力是一个推力而不是拉力的话,运动将会向左发生。在子图4中,当陀螺仪旋转了另一个90度的时候,质点C在质点A受力之前的位置。C质点的向下运动现在受到了倾斜力的阻碍并且轴不能在倾斜力平面上运动。倾斜力推轴的力量越大,当边缘旋转大约180度时,另一侧的边缘推动轴向回运动。陀螺仪原理

  实际上,轴在这个情况下将会在倾斜力的平面上旋转。轴之所以会旋转是因为质点AC在向上和向下运动的一些能量用尽导致轴在运动平面内运动。当质点AC最后旋转到大致上相反的位置上时,倾斜力比向上和向下的阻碍运动的力要大。

  3.2陀螺仪的特性

  陀螺仪具有两个特性:①定轴性:高速旋转的转子具有力图保持其旋转轴在惯性空间内的方向稳定性不变的特性。转子角动量即矢量H(图5[陀螺仪的进动现象])是转子绕自转轴的转动惯量J和自转角速度 的乘积(H=J )。定轴性是指矢量[kg2]H[kg2]力图保持指向不变。②进动性:在外力矩作用下,旋转的转子力图使其旋转轴沿最短的路径趋向外力矩的作用方向。图3中陀螺仪转子在重力G作用下不从支点掉下,而以角速度[kg2]ω[kg2]绕垂线不断转动,这就是进动。进动角速度[kg2]ω=L/H,其中L为外力矩,这里指重力产生的力矩。干扰力矩引起转子的进动角速度称为陀螺的漂移率,单位为度/时,是衡量陀螺仪性能的主要指标。

陀螺仪原理

  图5 陀螺仪进动现象

4.陀螺仪原理:陀螺仪的应用

  陀螺仪器最早是用于航海导航,但随着科学技术的发展,它在航空和航天事业中也得到广泛的应用。陀螺仪的使用距离我们最近的就是我们的手机,陀螺仪在手机中的作用主要体现在以下几个方面:

  第一大用途,导航。陀螺仪自被发明开始,就用于导航,先是德国人将其应用在V1、V2火箭上,因此,如果配合GPS,手机的导航能力将达到前所未有的水准。目前很多专业手持式GPS上也装了陀螺仪,如果手机上安装了相应的软件,其导航能力绝不亚于目前很多船舶、飞机上用的导航仪。

陀螺仪原理

  第二大用途,可以和手机上的摄像头配合使用,比如防抖,这会让手机的拍照摄像能力得到了很大的提升。

  第三大用途,各类游戏的传感器,比如飞行游戏,体育类游戏,甚至包括一些第一视角类射击游戏,陀螺仪完整监测游戏者手的位移,从而实现各种游戏操作效果。有关这点,想必用过任天堂WII的兄弟会有很深的感受。

陀螺仪原理

  第四大用途,可以用作输入设备,陀螺仪相当于一个立体的鼠标,这个功能和第三大用途中的游戏传感器很类似,甚至可以认为是一种类型。

  第五大用途,也是未来最有前景和应用范围的用途。下面重点说说。那就是可以帮助手机实现很多增强现实的功能。增强现实是近期才冒出的概念,和虚拟现实一样,是计算机的一种应用。大意是可以通过手机或者电脑的处理能力,让人们对现实中的一些物体有跟深入的了解。如果大家不理解,举个例子,前面有一个大楼,用手机摄像头对准它,马上就可以在屏幕上得到这座大楼的相关参数,比如楼的高度,宽度,海拔,如果连接到数据库,甚至可以得到这座大厦的物主、建设时间、现在的用途、可容纳的人数等等。

陀螺仪原理—参考资料

  1、陀螺仪原理

描述:陀螺仪原理的总结分析

  2、MEMS陀螺仪的简单校准

  描述:MEMS陀螺仪的简单校准

  3、通过校准改善MEMS陀螺仪的精度和稳定性

  描述:改善MEMS陀螺仪的精度和稳定性的方法


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