一陀螺儀簡(jiǎn)介

　　陀螺儀，是一種用來(lái)感測與維持方向的裝置，基于角動(dòng)量不滅的理論設計出來(lái)的。陀螺儀主要是由一個(gè)位于軸心可以旋轉的輪子構成，陀螺儀一旦開(kāi)始旋轉，由于輪子的角動(dòng)量，陀螺儀有抗拒方向改變的趨向，陀螺儀多用于導航、定位等系統。

二什么是陀螺儀

　　陀螺儀，是一種用來(lái)感測與維持方向的裝置，基于角動(dòng)量不滅的理論設計出來(lái)的。陀螺儀主要是由一個(gè)位于軸心可以旋轉的輪子構成，陀螺儀一旦開(kāi)始旋轉，由于輪子的角動(dòng)量，陀螺儀有抗拒方向改變的趨向，陀螺儀多用于導航、定位等系統。

　　1850年法國的物理學(xué)家?？?J.Foucault)為了研究地球自轉，首先發(fā)現高速轉動(dòng)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(lái)命名這種儀表。

三陀螺儀的基本組成

　　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(shí)用的參考儀表。從力學(xué)的觀(guān)點(diǎn)近似的分析陀螺的運動(dòng)時(shí)，可以把它看成是一個(gè)剛體，剛體上有一個(gè)萬(wàn)向支點(diǎn)，而陀螺可以繞著(zhù)這個(gè)支點(diǎn)作三個(gè)自由度的轉動(dòng)，所以陀螺的運動(dòng)是屬于剛體繞一個(gè)定點(diǎn)的轉動(dòng)運動(dòng)。更確切地說(shuō)，一個(gè)繞對稱(chēng)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(dòng)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(dòng)方法來(lái)使陀螺轉子繞自轉軸高速旋轉，并見(jiàn)其轉速近似為常值)；

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

　　(3)附件(是指力矩馬達、信號傳感器等)。

四陀螺儀的分類(lèi)

　　按照轉子轉動(dòng)的自由度分成雙自由度陀螺儀(也稱(chēng)三自由度陀螺儀)和單自由度陀螺儀(也稱(chēng)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(chēng)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(lèi)。

01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(shí)幾度，但工作可靠，迄今還用在精度要求不高的場(chǎng)合。一個(gè)自由轉子陀螺儀(雙自由度陀螺儀)靠?jì)拳h(huán)軸和外環(huán)軸角度傳感元件可以測量?jì)蓚€(gè)姿態(tài)角。

02液浮陀螺儀

　　又稱(chēng)浮子陀螺。內框架(內環(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(chēng)為全浮陀螺;浮力小于浮子組件重量者稱(chēng)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(chǎng)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(dòng)壓氣膜支承轉子，這種方式稱(chēng)為動(dòng)壓氣浮支承?，F代高精度的單自由度液浮陀螺常是液浮、磁浮和動(dòng)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(shí)。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

03 靜電陀螺儀

　　又稱(chēng)電浮陀螺。在金屬球形空心轉子的周?chē)b有均勻分布的高壓電極,對轉子形成靜電場(chǎng),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(shí)也能繞垂直于自轉軸的任何方向轉動(dòng)，故屬自由轉子陀螺儀類(lèi)型。靜電場(chǎng)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(shí)。它不能承受較大的沖擊和振動(dòng)。它的缺點(diǎn)是結構和制造工藝復雜，成本較高。

04 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(dòng)力調諧撓性陀螺儀。它由內撓性桿、外撓性桿、平衡環(huán)、轉子、驅動(dòng)軸和電機等組成。它靠平衡環(huán)扭擺運動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)力反作用力矩(陀螺力矩)來(lái)平衡撓性桿支承產(chǎn)生的彈性力矩，從而使轉子成為一個(gè)無(wú)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(fā)展起來(lái)的慣性元件，它因結構簡(jiǎn)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。

05 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(shí)際上是一種環(huán)形激光器，沒(méi)有高速旋轉的機械轉子，但它利用激光技術(shù)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：用熱膨脹系數極小的材料制成三角形空腔。在空腔的各頂點(diǎn)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(shí)，兩束激光繞行一周的光程相等，因而頻率相同，兩個(gè)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(dòng)時(shí)，與轉動(dòng)方向一致的那束光的光程延長(cháng)，波長(cháng)增大，頻率降低;另一束光則相反，因而出現頻差，形成干涉條紋。單位時(shí)間的干涉條紋數正比于轉動(dòng)角速度。激光陀螺的漂移率低達0.1～0.01度/時(shí)，可靠性高，不受線(xiàn)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。

五陀螺儀的應用

　　陀螺儀最早是用于航海導航，但隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)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在以下幾個(gè)方面：

　　第一大用途，導航。陀螺儀自被發(fā)明開(kāi)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(zhuān)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(huì )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(lèi)游戲的傳感器，比如飛行游戲，體育類(lèi)游戲，甚至包括一些第一視角類(lèi)射擊游戲，陀螺儀完整監測游戲者手的位移，從而實(shí)現各種游戲操作效果。

　　第四大用途，可以用作輸入設備，陀螺儀相當于一個(gè)立體的鼠標，這個(gè)功能和第三大用途中的游戲傳感器很類(lèi)似，甚至可以認為是一種類(lèi)型。

　　第五大用途，也是未來(lái)最有前景和應用范圍的用途。下面重點(diǎn)說(shuō)說(shuō)。那就是可以幫助手機實(shí)現很多增強現實(shí)的功能。增強現實(shí)是近期才冒出的概念，和虛擬現實(shí)一樣，是計算機的一種應用。大意是可以通過(guò)手機或者電腦的處理能力，讓人們對現實(shí)中的一些物體有跟深入的了解。如果大家不理解，舉個(gè)例子，前面有一個(gè)大樓，用手機攝像頭對準它，馬上就可以在屏幕上得到這座大樓的相關(guān)參數，比如樓的高度，寬度，海拔，如果連接到數據庫，甚至可以得到這座大廈的物主、建設時(shí)間、現在的用途、可容納的人數等等。

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