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陀螺仪的工作原理

陀螺仪的工作原理

陀螺仪的工作原理陀螺仪是一种测量旋转运动的仪器,广泛应用于导航、航空航天、地震学、惯性导航等领域。

它的工作原理是利用陀螺的自转稳定性来检测运动状态,从而实现精确的测量和控制。

一、陀螺仪的基本结构和原理陀螺仪由三个部分组成:陀螺、支架和电子测量系统。

其中,陀螺是最核心的部分,它是一个旋转体,通常由金属或陶瓷材料制成。

陀螺的自转轴与支架垂直,支架则用于固定陀螺并保持其稳定状态。

电子测量系统则用于测量陀螺的运动状态。

陀螺的工作原理基于它的自转稳定性。

当陀螺自转时,它会产生一个旋转惯性矩,使得它的自转轴始终保持在一个固定的方向上。

如果陀螺受到外部力矩的作用,它的自转轴会发生偏转,但由于旋转惯性矩的存在,偏转角度非常小,且自转轴仍然保持在一个固定的方向上。

这种自转稳定性是陀螺仪能够测量运动状态的基础。

二、陀螺仪的应用陀螺仪的应用非常广泛,下面介绍几个常见的领域。

1、导航陀螺仪的自转稳定性可以用于测量飞机、船舶、导弹等运动状态,从而实现精确的导航。

例如,惯性导航系统就是利用陀螺仪和加速度计来测量飞机的运动状态,从而实现自主导航。

2、航空航天陀螺仪在航空航天领域的应用非常广泛,例如用于导航、姿态控制、稳定控制等方面。

例如,宇航员在太空中进行任务时,需要用陀螺仪来测量自己的运动状态,从而保持稳定。

3、地震学陀螺仪还可以用于地震学领域。

地震时地球会发生旋转,陀螺仪可以测量这种旋转,从而帮助科学家研究地震的发生机制和规律。

4、惯性导航惯性导航是一种不依赖于外部信号的导航方式,它利用陀螺仪和加速度计测量运动状态,从而实现精确导航。

惯性导航在航空、航天、军事等领域都有广泛应用。

三、陀螺仪的发展历程陀螺仪的发展历程可以追溯到19世纪初。

最早的陀螺仪是由法国物理学家福科建造的,它是一个由铁制成的陀螺,可以测量地球的自转。

随着科技的不断进步,陀螺仪的精度和应用范围也不断扩大。

20世纪初,陀螺仪开始被用于导航和飞行控制领域,成为航空航天领域的重要仪器。

陀螺仪知识整理与解析

陀螺仪知识整理与解析

陀螺仪知识整理与解析1、陀螺仪基础知识 (2)2、Question and answer (2)3、陀螺仪和加速度计的区别与联系 (3)4、常用芯片介绍 (3)1、陀螺仪基础知识陀螺仪:测量角速度,是角速度传感器。

时间积分后得到相对角度。

陀螺和加速度计是惯性器件,是用来测量相对惯性空间的角速度(或对于积分类型的陀螺来说是角增量)和加速度。

在三维空间中描述一个刚体运动要六轴,三轴加速度,三轴角速度。

测量角速度大部分芯片靠的是测量科特迪奥力,也就是让排水孔的水形成涡旋的力。

角速度跟角速率:速度是矢量、有方向。

而速率是标量,只有大小,帶有平均的意味。

如果采样点很快的話(dt趋于0),速度和速率的数值是一样的。

航模的陀螺仪全是角速度传感器,不管是高端还是低端。

mems陀螺仪积分很多时候造成零偏的主要原因应该是随机游走。

2、Question and answerQ:角速度传感器如果在它的测量轴上匀速转动输出是否为定值?A:是,不过首先要保证你是在匀速转动。

用过几种角速度传感器,发现匀速转动传感器,因为加了高通滤波,传感器输出的电平和静止时的电平一样,只有加速的时候电平才变动。

Q:如果在测量轴的某一位置静态输出为A,那么匀速转过45度后静止,那么此时输出是否为A?A:如果是静止测量,是如此的。

但由于频宽,通常信号有一点点滞后。

Q:用陀螺仪测角度的话,是不是对测出的角速度积分即可?网上看到有些资料说可以用陀螺仪和加速度传感器组合测角度,这种方法具体如何实现?A:理论上如此,但是由于bias、drift、scale和数值积分的误差,积分结果是会漂移的。

假设加速度计测量到重力加速度时,可以对陀螺仪校正角度,得到较为正确的结果。

但是sensor,bias、noise、scale 誤差是免不了的。

所以才將两组数据做“数据融合”,实际操作的方法很多,主流的比如“Kalman滤波”。

Q:为啥四轴要装加速度传感器和角速度传感器呢,位置传感器与角速度传感器有什么区别呢?A:物体在自由空间的运动是两种运动的组合:质心的平移+围绕质心的转动,因此,物体运动有6DOF,6个自由度:3个平移自由度+3个转动自由度。

陀螺仪

陀螺仪

• 低精度陀螺仪指精度范围超过10^-1°/h的陀螺 仪。现阶段的热门是 MEMS 陀螺仪。
应用
• 作为稳定器 陀螺仪器能使列车在单轨上行驶, 能减小船舶在风浪中的摇摆,能 使安装在飞机或卫星上的照相机 相对地面稳定等等。
SOLOWHEEL—索罗威尔,迄今为止最 小的自平衡电动独轮车。
•作为信号传感器 根据需要,陀螺仪器能提 供准确的方位、水平、位 臵、速度和加速度等信号, 以便驾驶员或用自动导航 仪来控制飞机、舰船或航 天飞机等航行体按一定的 航线飞行,而在导弹、卫 星运载器或空间探测火箭 等航行体的制导中,则直 接利用这些信号完成航行 体的姿态控制和轨道控制。
•日本紧随美国之后,在中低精度陀螺实用化方面走 在了世界前列。许多公司都开始批量生产多种中低精 度的光纤陀螺 •我国光纤陀螺的研究相对起步较晚。国内有航天工 业总公司、上海803所、清华、浙大、北方交大、北 航等单位相继开展了光纤陀螺的研究。 •国内的光纤陀螺研制精度已经达到了惯导系统的中 低精度要求,有些技术甚至达到了国外同类产品的水 平。但是国内的研究仍然大多停留在实验室阶段,没 有形成产品,距离应用还有差距。所以我们在这方面 仍然有很长的路要走。
•作为精密测试仪器 陀螺仪器能够为地面设施、 矿山隧道、地下铁路、石油 钻探等提供准确的方位基准。 例如隧道等挖掘工程中, 坑内的中心线测量一般采用 难以保证精度的长距离导线。 特别是进行盾机构挖掘的情 况,测量中还要经常进行地 面和地下的对应检查,以确 保测量的精度。如果使用陀 螺经纬仪可以得到绝对高精 度的方位基准。
陀螺仪的种类及原理
• 经典陀螺仪
陀螺仪是一种机械装臵,其主要部 分是一个对旋转轴以极高角速度旋 转的转子,转子装在一支架内;每 添加一个内环架,便多上一个旋转 的自由度。

(2024年)陀螺课件(61)(共63张PPT)pptx

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机械陀螺仪
光学陀螺仪
结构简单、成本低廉,但精度和稳定性较 差,易受环境因素影响。
基于光学原理工作,具有高精度、高稳定 性等优点,但成本较高。
微机械陀螺仪
激光陀螺仪
采用微机械加工技术制造,具有体积小、 重量轻、成本低等优点,但精度和稳定性 相对较低。
利用激光干涉原理测量角速度,具有高精 度、高稳定性、无机械磨损等优点,但成 本较高且对环境要求较高。
多传感器融合与校准
03
在实际应用中,单一陀螺仪往往难以满足需求,多传感器融合
与校准技术成为提高系统性能的关键。
25
探讨未来发展趋势和前景
2024/3/26
新型陀螺仪技术
随着科技进步,新型陀螺仪技术(如量子陀螺仪、生物陀螺仪等)有望在未来取得突破, 为高精度测量和导航领域带来革命性变革。
多源信息融合与智能算法
通过融合多种传感器信息和采用智能算法,可以提高陀螺仪系统的整体性能,实现更高精 度的姿态测量和导航定位。
拓展应用领域
随着陀螺仪性能的不断提升和成本的降低,其应用领域将进一步拓展,如智能交通、智能 家居、虚拟现实等。
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感谢您的观看
THANKS
2024/3/26
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组合导航算法
将惯性导航系统与卫星导航系统、里程计等其他导航手段进行组合, 实现优势互补,提高整体导航性能。
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04
陀螺仪在姿态控制中应用
2024/3/26
15
姿态控制概述及分类
2024/3/26
姿态控制定义
通过对物体姿态的调整,实现其在空间中的稳定定位和定向 。
姿态控制分类
根据控制对象的不同,可分为刚体姿态控制和柔性体姿态控 制;根据控制方法的不同,可分为开环控制和闭环控制。

陀螺仪表

陀螺仪表
(2) 进动的特点。 ①运动不是发生在力矩作用的方向, 而是发生在和它垂直的方向; 非陀螺
体发生在力矩作用的方向。 ②进动角速度在动量矩一定时, 对应一个外力矩只有一个进动角速度; 非
陀螺体角速度则不断变化。 ③外力矩停止作用时, 进动立即停止; 非陀螺体则要做惯性运动, 继续运
动下去。
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5.3 姿态仪表
测量飞机姿态的仪表, 主要是指测量飞机姿态角和姿态角速度的一些仪 表。这些仪表能为飞行员提供俯仰角、倾斜角和转弯角速度等重要参数 的目视信号, 或为其他设备提供这些参数的电信号。
小型飞机上使用的姿态仪表主要是转弯侧滑仪和航空地平仪, 大中型飞 机上则采用姿态指引仪。
从陀螺仪的应用中知道, 飞机上使用的基于陀螺原理的姿态仪表主要是 陀螺转弯仪和航空地平仪。由于转弯仪和侧滑仪常组装在一起, 因此, 本 节将侧滑仪一并介绍。
进动角速度棕的方向取决于转子动量矩H 和外力矩M 的方向。外加力矩 沿陀螺自转方向转动900, 即为进动角速度(ω) 的矢量方向。或者用右手 定则记忆, 从动量矩H 沿最短路径握向外力矩M 的右手旋进方向, 即为进 动角速度方向。
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5.1 陀螺的基本知识
进动角速度ω的大小取决于转子动量矩H 的大小和外力矩M 的大小。其 计算公式为:
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5.1 陀螺的基本知识
5.1.1陀螺的种类
随着科学技术的发展, 陀螺仪表种类日趋繁多, 性能不断提高。一般按结 构来分, 有三自由度陀螺和二自由度陀螺两种, 由这两种基本陀螺可以组 成具有不同功能的航空仪表。
1.三自由度陀螺 由转子、内框、外框组成, 且转子能够绕三个互相垂直的轴自由旋转的

陀螺仪讲义

陀螺仪讲义

图 1-5 摆式陀螺仪受重力作用的情况
由图 1-5 中知道,当陀螺主轴 x 水平时,重力 P 的方向既通过重心 O′,也通过陀 螺仪的支点 O,重力矩为零,对陀螺仪不发生作用,因此陀螺不产生进动。但是当地球 自转了β角之后,陀螺主轴相对地平面 AB,升高了β角,即图中 x 轴方向与 A′B′之 间的夹角(A′B′//AB)。这时陀螺仪的重力 P 的方向不再通过陀螺仪的支点 O,而 产生了力臂为 1sinβ的重力矩(摆力矩)MP,即
1
图 1-4 自由陀螺仪特性实验仪
如果将衡重 A 向左移动一小段距离,在陀螺不转动的情况下,杠杆将在竖直面内产 生逆时针方向的转动,即左端下降、右端上升。但是当陀螺转动时,杠杆不作上下倾斜 运动,而是仍然保持水平,且在水平面内作逆时针方向的转动(从上向下看) ,这种现 象就是所谓的“进动”。如果将衡重 A 向右边移动一小段距离,在陀螺转动的情况下,也 将产生“进动”, 不过进动方向和上述方向相反, 即杠杆在水平面内作顺时针方向的转动 。 1.4 摆式陀螺仪寻北原理 1.4.1 摆式陀螺仪寻北规律 陀螺经纬仪上的陀螺仪,其支点不在三轴的交点上,而是将陀螺仪用弹性悬带悬挂 着,支点在弹性悬带上端的着力点 O 上,如图 1-5 所示,O 点对整个陀螺仪来讲是个不 动点。
1 陀螺及其特性 1.1 陀螺 凡是绕定点高速旋转的物体,或绕自身轴高速旋转的任意刚体,都称为陀螺。如图 1-1 所示,设刚体上有一等效的方向支点 O。以 O 为原点,作固定在刚体上的动坐标系 O-XYZ。刚体绕此支点转动的角速度在动坐标轴上的分量分别为ωx、ωy、ωz,若能 满足以下条件: ωz>>ωx ωz>>ωy ωz≈Const (1-1) 这种类型的刚体统称为陀螺。OZ 轴是高速旋转轴,也称陀螺转子轴。刚体一面绕 OZ 轴作等速旋转,另一方面还可以绕 OX 及 OY 轴作较慢的转动。前者称为自转运动, 后者称为进动运动。

陀螺仪知识整理与解析

陀螺仪知识整理与解析

陀螺仪知识整理与解析1、陀螺仪基础知识 (2)2、Question and answer (2)3、陀螺仪和加速度计的区别与联系 (3)4、常用芯片介绍 (3)1、陀螺仪基础知识陀螺仪:测量角速度,是角速度传感器。

时间积分后得到相对角度。

陀螺和加速度计是惯性器件,是用来测量相对惯性空间的角速度(或对于积分类型的陀螺来说是角增量)和加速度。

在三维空间中描述一个刚体运动要六轴,三轴加速度,三轴角速度。

测量角速度大部分芯片靠的是测量科特迪奥力,也就是让排水孔的水形成涡旋的力。

角速度跟角速率:速度是矢量、有方向。

而速率是标量,只有大小,帶有平均的意味。

如果采样点很快的話(dt趋于0),速度和速率的数值是一样的。

航模的陀螺仪全是角速度传感器,不管是高端还是低端。

mems陀螺仪积分很多时候造成零偏的主要原因应该是随机游走。

2、Question and answerQ:角速度传感器如果在它的测量轴上匀速转动输出是否为定值?A:是,不过首先要保证你是在匀速转动。

用过几种角速度传感器,发现匀速转动传感器,因为加了高通滤波,传感器输出的电平和静止时的电平一样,只有加速的时候电平才变动。

Q:如果在测量轴的某一位置静态输出为A,那么匀速转过45度后静止,那么此时输出是否为A?A:如果是静止测量,是如此的。

但由于频宽,通常信号有一点点滞后。

Q:用陀螺仪测角度的话,是不是对测出的角速度积分即可?网上看到有些资料说可以用陀螺仪和加速度传感器组合测角度,这种方法具体如何实现?A:理论上如此,但是由于bias、drift、scale和数值积分的误差,积分结果是会漂移的。

假设加速度计测量到重力加速度时,可以对陀螺仪校正角度,得到较为正确的结果。

但是sensor,bias、noise、scale 誤差是免不了的。

所以才將两组数据做“数据融合”,实际操作的方法很多,主流的比如“Kalman滤波”。

Q:为啥四轴要装加速度传感器和角速度传感器呢,位置传感器与角速度传感器有什么区别呢?A:物体在自由空间的运动是两种运动的组合:质心的平移+围绕质心的转动,因此,物体运动有6DOF,6个自由度:3个平移自由度+3个转动自由度。

航空陀螺仪

航空陀螺仪

航空陀螺仪一、陀螺仪的基本知识陀螺玩具旋转时,能够直立在地上;而且转得愈快,立得也愈稳;即使给它一个冲击,也只是晃动而不会倒下。

陀螺的这种特性可以被利用来做成仪表用来测量飞机的姿态角、航向角和角速度。

航空陀螺仪表中的陀螺仪,是把绕自转轴(又叫转子轴)高速旋转的转子用框架支撑起来,使转子绕垂直于自转轴方向可以自由转动的这样一种装置。

图8.1表示的是,转子安装在内环和外环这两个框架中,转子可绕自转轴高速旋转,转子同内环可绕内环轴转动,转子同内环和外环还可绕外环轴转动这样支承起来的转子可以绕着垂直于自转轴的两根轴转动,这种装置称为三自由度陀螺仪。

若转子仅安装于内环中这样支承起来的转子只能绕着垂直于自转轴的一根轴转动这种装置称为二自由度陀螺仪。

三自由度陀螺仪的基本特性之一是稳定性(又叫定轴性)。

当转子高速旋转时,因具有很大的惯性,自转轴能够保持原来的方向稳定;无论基座怎样转动,自转轴所稳定的方向都将保持不变;同使受到冲击作用,自转轴也仅在原来的方位附近作一种高频微幅的振荡运动。

陀螺仪具有抵抗干扰作用而力图保持自转轴方向稳定的特性叫做螺仪的稳定性。

陀螺仪的又一基本特性是进动性。

当转子高速旋转时,若外力矩绕外环轴作用,陀螺仪将绕内环轴转动;若外力矩绕内环轴作用,陀螺仪将绕外环轴转动。

陀螺仪转动角速度方向与外力矩作用方向互相垂直的特性,叫做陀螺仪的进动性。

进动角速度的方向取决于转子动量矩H的方向(与转子自转角速度矢量的方向一致)和外力矩M的方向,可用右手定则确定。

进动角速度的大小取决于转子动量矩H的大小和外力矩M的大小,其计算式为 =M/H。

如果这种进动由陀螺仪中的干扰力矩引起,则叫做漂移,漂移角速度即漂移率是衡量各种陀螺仪表精度的最重要的指标。

至于二自由度陀螺仪的特性,就与三自由度陀螺仪不同。

二自由度陀螺仪少了垂直于内环轴和自转轴方向的转动自由度。

这样,当基座绕着这个缺少自由度的轴线转动时,通过内环轴上一对轴承的推动,就强迫陀螺仪跟随基座转动;与此同时,基座作用于内环两端轴承上的推力形成了推力矩将强迫陀螺绕内环轴进动,使自转轴趋于基座转动角速度的方向重合。

陀螺仪工作基本原理 管线探测

陀螺仪工作基本原理 管线探测

陀螺仪工作基本原理管线探测陀螺仪是一种用来测量和维持物体旋转状态的仪器。

它的工作基本原理是利用物体的角动量守恒来测量其旋转状态。

在这篇文章中,我们将详细介绍陀螺仪的工作原理,以及其在管线探测中的应用。

一、陀螺仪的工作原理陀螺仪的工作原理基于物体的角动量守恒。

当一个物体旋转时,它的角动量会保持不变。

陀螺仪利用这一原理来测量物体的旋转速度和旋转方向。

陀螺仪通常由一个旋转的转子和一个固定的支架组成。

当外力作用在物体上时,转子会产生一个与物体旋转方向相反的角动量。

通过测量转子的角动量变化,可以推断出物体的旋转状态。

二、陀螺仪在管线探测中的应用1.方向控制在管线探测中,陀螺仪可以用来测量管道的方向。

通过安装陀螺仪在管道探测器上,可以实时监测管道的旋转方向,并进行相应的方向调整。

2.偏转检测陀螺仪还可以用来检测管道的偏转情况。

通过测量管道的旋转角速度,可以判断管道是否有偏转现象,从而及时进行修复。

3.定位跟踪通过安装陀螺仪在管道探测器上,可以实时跟踪管道的位置。

这对于长距离管线探测非常有用,可以帮助工作人员准确地定位管道的位置。

4.防止事故陀螺仪可以帮助预测管道的运动,及时发现管道的异常情况,从而避免事故的发生。

三、陀螺仪在管线探测中的发展随着科技的发展,陀螺仪在管线探测中的应用越来越普遍。

目前,一些先进的陀螺仪技术已经应用于管线探测中,为管道安全运行提供了重要的支持。

1.惯性导航系统惯性导航系统是一种基于陀螺仪技术的导航系统,可以实时跟踪物体的位置和方向。

这种系统已经广泛应用于管线探测中,可以帮助工作人员准确地定位管道的位置。

2. MEMS陀螺仪MEMS陀螺仪是一种基于微机电系统技术的陀螺仪,具有体积小、功耗低、精度高的特点。

这种陀螺仪技术已经应用于管线探测中,为管道的安全运行提供了可靠的支持。

3.惯性测量单元(IMU)惯性测量单元是一种集成了陀螺仪和加速度计的测量装置,可以实时测量物体的姿态和加速度。

这种技术已经应用于管线探测中,可以帮助工作人员准确地监测管道的运动状态。

陀螺仪工作基本原理 管线探测

陀螺仪工作基本原理 管线探测

陀螺仪工作基本原理管线探测一、陀螺仪工作原理概述1.1陀螺仪的定义陀螺仪是一种用来测量和保持空间方向的仪器,是惯性导航系统的核心部件之一。

它通过测量角速度来确定自身的旋转状态,从而能够提供准确的方向信息。

1.2陀螺仪的分类根据工作原理和结构形式,陀螺仪可以分为机械陀螺仪、光纤陀螺仪和微机电陀螺仪等多种类型。

1.3陀螺仪的应用领域陀螺仪广泛应用于航空航天、导航、地质勘探、卫星通信等领域,是现代科技发展中不可或缺的重要部分。

二、机械陀螺仪工作原理2.1机械陀螺仪的结构机械陀螺仪由转子、支撑部件和检测器组成,转子通常采用陀螺轮、陀螺环等形式,支撑部件用来支持转子的旋转,检测器用来测量转子的旋转角速度。

2.2机械陀螺仪的工作原理当机械陀螺仪受到外力作用时,转子会产生角动量,通过测量转子的旋转角速度来确定陀螺仪所受力的方向和大小,进而实现方向的测量。

三、光纤陀螺仪工作原理3.1光纤陀螺仪的结构光纤陀螺仪由激光器、分束器、光纤环、光探测器等部件组成,其工作原理是利用光的干涉效应来测量转动速度。

3.2光纤陀螺仪的工作原理当光纤陀螺仪受到旋转时,光纤环会产生相对位移,通过测量光路的相位变化来确定陀螺仪的旋转角速度,从而实现方向的测量。

四、微机电陀螺仪工作原理4.1微机电陀螺仪的结构微机电陀螺仪采用微小的机械结构和微型传感器,其结构包括加速度传感器和角速度传感器等部件。

4.2微机电陀螺仪的工作原理当微机电陀螺仪受到旋转时,传感器会产生相对位移,通过测量传感器的信号来确定陀螺仪的旋转角速度,从而实现方向的测量。

五、陀螺仪管线探测中的应用5.1陀螺仪在管线勘探中的重要性管线勘探是指对地下管线进行测绘、探测和定位的一种技术活动,陀螺仪作为测定方向和位置的重要仪器,在管线勘探中发挥着重要作用。

5.2陀螺仪在管线勘探中的应用场景在管线勘探中,陀螺仪可以用来测量管线的走向、坡度和深度等参数,并且能够实现对管道的定位和跟踪。

5.3陀螺仪在管线勘探中的优势相比传统的测量方法,陀螺仪具有高精度、不受环境影响、快速测量等优势,因此在管线勘探中得到了广泛应用。

陀螺仪的基本原理

陀螺仪的基本原理

陀螺仪的基本原理
陀螺仪是最常用的电子传感器之一,它可以测量物体的角速度,这使它在电子行业的很多领域中被广泛应用。

本文将介绍陀螺仪的基本原理,同时介绍它的工作原理及应用。

陀螺仪基本原理
陀螺仪的基本原理是基于物体的运动学原理,也就是物体的角动量定律。

角动量定律规定:一个物体受到角加速度的作用时,它的角动量也会随之增加。

因此,如果一个物体在角加速度下运动,它的角动量也会增加。

而陀螺仪就是利用这一原理来测量物体的角速度。

这是通过一个传感器来完成的,该传感器可以精确测量物体的角加速度并以此来计算物体的角速度。

陀螺仪的工作原理
大多数陀螺仪都由陀螺盘、磁轭和半导体器件组成。

陀螺盘是物理部件,由简单的金属或塑料盘片组成,它可以受到外界对物体的角加速度的影响,从而产生磁场。

此外,陀螺盘中还包含磁轭,它可以把磁场转换为电场,随后通过半导体器件将电场转换为信号输出。

根据这些信号输出,就可以计算出物体的角速度。

陀螺仪的应用
由于陀螺仪的精确度高,它被广泛应用于航空航天行业,例如飞行控制系统、导航系统、指南针系统等。

此外,陀螺仪也用于其他行
业,如汽车行业、工业自动化、机械设备等,用于测量物体的位置、运动方向和旋转角度等。

总结
以上是有关陀螺仪的基本原理、工作原理及应用的介绍。

陀螺仪是精确度高、应用广泛的传感器,由于其精确度高,它在航空航天行业及其他行业的应用相当普遍。

第十章陀螺仪概述18

第十章陀螺仪概述18

第十章陀螺经纬仪概述第一节陀螺经纬仪的工作原理一、陀螺经纬仪的工作原理陀螺经纬仪是一种高精度的定向仪器可以直接测定某条边的真方位角。

因此陀螺经纬仪在隧洞测量中,特别是矿山测量和地铁测量中有着重要作用。

下面我们主要阐述一下陀螺经纬仪的基本工作原理。

首先我们先了解一下陀螺及陀螺仪的特性。

(一)陀螺凡是绕定点高速旋转的物体,或绕自身轴高速旋转的任意刚体,都称为陀螺。

如图1-1所示,设刚体上有一等效的方向支点O。

以O为原点,作固定在刚体上的动坐标系O-XYZ。

刚体绕此支点转动的角速度在动坐标轴上的分量分别为ωx、ωy、ωz,若能满足以下条件:成的陀螺仪来说,不管它们的用途如何不同,结构上如何变化,它们都是按照陀螺的这两个基本特性来工作的。

1.进动性陀螺仪的重要部件是一个高速旋转的均匀质子。

图10-2如果转子以高速旋转着,其动量矩与x 轴重合。

这时再把上下方向的力施加在旋转轴的两端,在此力矩的作用下H 矢量的端点将沿力矩方向运动,即在xy 平面内向y 方向转去,也即这时转子将不是绕y 轴转动而是绕Z 轴逆时针转动。

这就是陀螺仪的进动性。

图10-22.定轴性如果动量矩的存在,或转子高速旋转,是陀螺仪产生进动的内因;而外力矩的作用是陀螺仪产生进动的外因。

两者缺一不可。

如果外力矩为零,则陀螺仪保持其动量矩的方向和大小不变。

即此陀螺仪的另一特性:定轴性。

在惯性导航系统中人们常利用陀螺仪的定轴性建立方向基础。

但是实际陀螺仪总会受到各种干扰因素的影响。

如转子质量不匀,支撑元件的摩擦力,温度变化引起陀螺仪元件尺寸的变化,导电丝的弹性干扰力矩,外界磁场的干扰力矩等等。

它们会引起陀螺轴的漂移,漂移率是陀螺质量好坏的主要指标。

在陀螺经纬仪中人们主要利用陀螺的进动性来寻找真北方向,找到了真北方向才可以测定地上直线的方位角。

至于为什么能用陀螺找到真北方向,这要从地球自转对陀螺的作用谈起。

(三) 陀螺经纬仪的工作原理地球以角速度ω(ω=1/周/昼夜=7.25×610- 弧度/秒)绕其自转轴旋x y转,所以地球上的一切东西都随着地球转动。

陀螺仪原理、近似理论

陀螺仪原理、近似理论

1、陀螺的概念绕一个支点高速转动的刚体称为陀螺 (top)。

通常所说的陀螺是特指对称陀螺,它是一个质量均匀分布的、具有轴对称形状的刚体,其几何对称轴就是它的自转轴。

在一定的初始条件和一定的外在力矩作用下,陀螺会在不停自转的同时,还绕着另一个固定的转轴不停地旋转,这就是陀螺的旋进(precession),又称为回转效应(gyroscopic effect)。

2、陀螺的稳定性和进动性陀螺在不旋转的时候和普通物体一样,而当它高速旋转的时候,则具有一个明显的特征:能稳定的立在地面上不倒,如玩具“地转子”。

这种特性就是陀螺的稳定性 - 当陀螺高速旋转时,可以保持其动量矩矢量在空间方位不变。

当陀螺高速旋转时,若给陀螺施加外力矩,会引起陀螺转子相对惯性空间的转动,这种特性即为陀螺的进动性 - 当外力试图使陀螺发生倾斜时,陀螺并不沿外力的方向倒下,而是按转子的转向沿偏转 90°的方向倒下。

3、陀螺仪的原理我们不用一个完整的轮框,我们用四个质点ABCD来表示边上的区域,这个边对于用图来解释陀螺仪的工作原理是很重要的。

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1。

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2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3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。

陀螺仪参数解释

陀螺仪参数解释

陀螺仪参数解释陀螺仪是一种用于测量角速度的设备,通常用于飞行器、汽车、船舶等导航系统中。

它通过测量绕着三个轴旋转的速度,可以帮助系统进行定位和姿态控制。

在设计和使用陀螺仪时,有许多重要的参数需要理解和考虑。

本文将对陀螺仪的一些重要参数进行解释,以便读者更好地理解和使用这一设备。

1. 静态精度静态精度是指陀螺仪在静止状态下的测量精度。

一般来说,陀螺仪的静态精度越高,表示它能够更准确地测量静止状态下的姿态。

静态精度通常以度/小时(°/hr)或弧度/小时(rad/hr)为单位来表示,数值越小表示陀螺仪的静态精度越高。

在选择陀螺仪时,需要根据具体的应用场景和要求来确定静态精度的要求。

2. 动态精度动态精度是指陀螺仪在动态环境下的测量精度。

这包括了在受到振动、冲击或者加速度变化等干扰时,陀螺仪的测量精度。

与静态精度类似,动态精度通常也以度/小时或者弧度/小时为单位来表示。

在一些高动态环境下的应用中,陀螺仪的动态精度要求较高。

3. 频率响应陀螺仪的频率响应是指其对输入信号频率的响应特性。

这个参数通常以带通宽度和带阻深度等指标来描述。

在导航系统中,陀螺仪需要在一定的频率范围内能够准确测量角速度,因此其频率响应是一个非常重要的参数。

4. 偏差陀螺仪的偏差是指其输出值与真实值之间的差异,通常受到温度、湿度、振动等环境因素的影响。

偏差可以分为零偏和尺度因数两个部分,其中零偏是指在没有输入角速度时的输出值,而尺度因数是指输出值与真实值之间的比例差异。

在实际应用中,需要对陀螺仪的偏差进行校准和补偿,以确保其测量结果的准确性。

5. 功耗陀螺仪的功耗是指其在工作过程中消耗的电能。

在电池供电或者对电能消耗有要求的应用中,功耗是一个需要考虑的重要参数。

通常来讲,功耗越低表示陀螺仪在同样条件下能够工作更长的时间。

6. 温度稳定性陀螺仪的输出值通常会受到温度的影响,因此其温度稳定性是一个非常重要的参数。

温度稳定性通常以度/小时/度(°/hr/°C)或者弧度/小时/度(rad/hr/°C)来表示,表示在温度变化一个度的情况下,输出值的变化。

陀螺仪工作基本原理 管线探测

陀螺仪工作基本原理 管线探测

陀螺仪工作基本原理管线探测
【原创实用版】
目录
一、陀螺仪工作基本原理
1.陀螺的定义及特性
2.陀螺仪的构造和工作原理
二、管线探测技术
1.管线探测的重要性
2.管线探测的方法
正文
一、陀螺仪工作基本原理
1.陀螺的定义及特性
陀螺是一种绕一个支点高速转动的刚体,它是一种保持方向的装置。

陀螺的特性在于,当它旋转时,旋转轴所指的方向在不受外力影响时,是不会改变的。

这种原理被广泛应用于陀螺仪的制造。

2.陀螺仪的构造和工作原理
陀螺仪主要由陀螺、支架和读取装置组成。

在工作时,陀螺仪需要借助外力,使陀螺旋转起来,一般能达到每分钟几十万转。

陀螺仪通过多种方法读取轴所指方向,并自动将数据信号传给控制系统。

二、管线探测技术
1.管线探测的重要性
管线探测是在工程建设中必不可少的环节。

通过对地下管线的准确探测,可以避免施工过程中损坏管线,确保工程安全,减少经济损失。

2.管线探测的方法
目前,管线探测方法主要有以下几种:
(1)磁电充电法:通过向地下发射磁电波,检测地下管线的磁电响应,从而实现管线探测。

(2)电磁感应法:通过向地下发射电磁波,检测地下管线对电磁波的感应反应,从而实现管线探测。

(3)声波探测法:通过向地下发射声波,检测地下管线对声波的反射和传播特性,从而实现管线探测。

(4)地质雷达法:利用地质雷达向地下发射电磁波,根据反射回来的信号,分析地下管线的位置和走向。

总之,陀螺仪工作基本原理和管线探测技术在地下管线探测中发挥着重要作用。

干货!最全的陀螺仪基础知识详解

干货!最全的陀螺仪基础知识详解

干货!最全的陀螺仪基础知识详解陀螺仪,又叫角速度传感器,是用高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或二个轴的角运动检测装置,同时,利用其他原理制成的角运动检测装置起同样功能的装置也称陀螺仪。

一、陀螺仪的名字由来陀螺仪名字的来源具有悠久的历史。

据考证,1850年法国的物理学家莱昂·傅科(J.Foucault)为了研究地球自转,首先发现高速转动中地的转子(rotor),由于它具有惯性,它的旋转轴永远指向一固定方向,因此傅科用希腊字gyro(旋转)和skopein(看)两字合为“gyroscopei”一字来命名该仪器仪表。

最早的陀螺仪的简易制作方式如下:即将一个高速旋转的陀螺放到一个万向支架上,靠陀螺的方向来计算角速度。

其中,中间金色的转子即为陀螺,它因为惯性作用是不会受到影响的,周边的三个“钢圈”则会因为设备的改变姿态而跟着改变,通过这样来检测设备当前的状态,而这三个“钢圈”所在的轴,也就是三轴陀螺仪里面的“三轴”,即X轴、y轴、Z轴,三个轴围成的立体空间联合检测各种动作,然后用多种方法读取轴所指示的方向,并自动将数据信号传给控制系统。

因此一开始,陀螺仪的最主要的作用在于可以测量角速度。

二、陀螺仪的基本组成当前,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: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);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);附件(是指力矩马达、信号传感器等)。

三、陀螺仪的工作原理陀螺仪侦测的是角速度。

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最全的陀螺仪基础知识详解陀螺仪,又叫角速度传感器,是用高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或二个轴的角运动检测装置,同时,利用其他原理制成的角运动检测装置起同样功能的装置也称陀螺仪。

一、陀螺仪的名字由来陀螺仪名字的来源具有悠久的历史。

据考证,1850年法国的物理学家莱昂·傅科(J.Foucault)为了研究地球自转,首先发现高速转动中地的转子(rotor),由于它具有惯性,它的旋转轴永远指向一固定方向,因此傅科用希腊字gyro(旋转)和skopein(看)两字合为“gyroscopei”一字来命名该仪器仪表。

最早的陀螺仪的简易制作方式如下:即将一个高速旋转的陀螺放到一个万向支架上,靠陀螺的方向来计算角速度。

其中,中间金色的转子即为陀螺,它因为惯性作用是不会受到影响的,周边的三个“钢圈”则会因为设备的改变姿态而跟着改变,通过这样来检测设备当前的状态,而这三个“钢圈”所在的轴,也就是三轴陀螺仪里面的“三轴”,即X轴、y轴、Z轴,三个轴围成的立体空间联合检测各种动作,然后用多种方法读取轴所指示的方向,并自动将数据信号传给控制系统。

因此一开始,陀螺仪的最主要的作用在于可以测量角速度。

二、陀螺仪的基本组成当前,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: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);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);附件(是指力矩马达、信号传感器等)。

三、陀螺仪的工作原理陀螺仪侦测的是角速度。

其工作原理基于科里奥利力的原理:当一个物体在坐标系中直线移动时,假设坐标系做一个旋转,那么在旋转的过程中,物体会感受到一个垂直的力和垂直方向的加速度。

台风的形成就是基于这个原理,地球转动带动大气转动,如果大气转动时受到一个切向力,便容易形成台风,而北半球和南半球台风转动的方向是不一样的。

用一个形象的比喻解释了科里奥利力的原理。

具体来说,陀螺仪,是一个圆形的中轴的结合体。

而事实上,静止与运动的陀螺仪本身并无区别,如果静止的陀螺仪本身绝对平衡的话,抛除外在因素陀螺仪是可以不依靠旋转便能立定的。

而如果陀螺仪本身尺寸不平衡的话,在静止下就会造成陀螺仪模型倾斜跌倒,因此不均衡的陀螺仪必然依靠旋转来维持平衡。

陀螺仪本身与引力有关,因为引力的影响,不均衡的陀螺仪,重的一端将向下运行,而轻的一端向上。

在引力场中,重物下降的速度是需要时间的,物体坠落的速度远远慢于陀螺仪本身旋转的速度时,将导致陀螺仪偏重点,在旋转中不断的改变陀螺仪自身的平衡,并形成一个向上旋转的速度方向。

当然,如果陀螺仪偏重点太大,陀螺仪自身的左右互作用力也将失效。

而在旋转中,陀螺仪如果遇到外力导致,陀螺仪转轮某点受力。

陀螺仪会立刻倾斜,而陀螺仪受力点的势能如果低于陀螺仪旋转时速,这时受力点,会因为陀螺仪倾斜,在旋转的推动下,陀螺仪受力点将从斜下角,滑向斜上角。

而在向斜上角运行时,陀螺仪受力点的势能还在向下运行。

这就导致陀螺仪到达斜上角时,受力点的剩余势能将会将在位于斜上角时,势能向下推动。

而与受力点相反的直径另一端,同样具备了相应的势能,这个势能与受力点运动方向相反,受力点向下,而它向上,且管这个点叫“联动受力点”。

当联动受力点旋转180度,从斜上角到达斜下角,这时联动受力点,将陀螺仪向上拉动。

在受力点与联动受力互作用力下,陀螺仪回归平衡。

高速旋转的物体的旋转轴,对于改变其方向的外力作用有趋向于垂直方向的倾向。

而且,旋转物体在横向倾斜时,重力会向增加倾斜的方向作用,而轴则向垂直方向运动,就产生了摇头的运动(岁差运动)。

当陀螺仪的陀螺旋转轴以水平轴旋转时,由于地球的旋转而受到铅直方向旋转力,陀螺的旋转体向水平面内的子午线方向产生岁差运动。

当轴平行于子午线而静止时可加以应用。

四、陀螺仪的两大动力特性陀螺仪是一种既古老而又很有生命力的仪器,从第一台真正实用的陀螺仪器问世以来已有大半个世纪,直到现在,陀螺仪仍在吸引着人们对它进行研究,这是由于它本身具有的特性所决定的。

陀螺仪最主要的基本特性是它的定轴性(inertiaorrigidity)和进动性(precession),这两种特性都是建立在角动量守恒的原则下。

人们从儿童玩的地陀螺中早就发现高速旋转的陀螺可以竖直不倒而保持与地面垂直,这就反映了陀螺的定轴性。

研究陀螺仪运动特性的理论是绕定点运动刚体动力学的一个分支,它以物体的惯性为基础,研究旋转物体的动力学特性。

定轴性(inertiaorrigidity):当陀螺转子以高速旋转时,在没有任何外力矩作用在陀螺仪上时,陀螺仪的自转轴在惯性空间中的指向保持稳定不变,即指向一个固定的方向;同时反抗任何改变转子轴向的力量。

这种物理现象称为陀螺仪的定轴性或稳定性。

其稳定性随以下的物理量而改变:转子的转动惯量愈大,稳定性愈好;转子角速度愈大,稳定性愈好。

进动性(precession):当转子高速旋转时,若外力矩作用于外环轴,陀螺仪将绕内环轴转动;若外力矩作用于内环轴,陀螺仪将绕外环轴转动。

其转动角速度方向与外力矩作用方向互相垂直,这种特性,叫做陀螺仪的进动性。

进动角速度的方向取决于动量矩H的方向(与转子自转角速度矢量的方向一致)和外力矩M的方向,而且是自转角速度矢量以最短的路径追赶外力矩。

五、常见的七大陀螺仪根据陀螺仪的定轴性(inertiaorrigidity)和进动性(precession)制成的各种仪表或装置,常见的陀螺仪主要有以下几种:1、陀螺罗盘供航行和飞行物体作方向基准用的寻找并跟踪地理子午面的三自由度陀螺仪。

其外环轴铅直,转子轴水平置于子午面内,正端指北;其重心沿铅垂轴向下或向上偏离支承中心。

转子轴偏离子午面时同时偏离水平面而产生重力矩使陀螺旋进到子午面,这种利用重力矩的陀螺罗盘称摆式罗盘。

21世纪发展为利用自动控制系统代替重力摆的电控陀螺罗盘,并创造出能同时指示水平面和子午面的平台罗盘。

2、速率陀螺仪用以直接测定运载器角速率的二自由度陀螺装置。

把均衡陀螺仪的外环固定在运载器上并令内环轴垂直于要测量角速率的轴。

当运载器连同外环以角速度绕测量轴旋进时,陀螺力矩将迫使内环连同转子一起相对运载器旋进。

陀螺仪中有弹簧限制这个相对旋进,而内环的旋进角正比于弹簧的变形量。

由平衡时的内环旋进角即可求得陀螺力矩和运载器的角速率。

积分陀螺仪与速率陀螺仪的不同处只在于用线性阻尼器代替弹簧约束。

当运载器作任意变速转动时,积分陀螺仪的输出量是绕测量轴的转角(即角速度的积分)。

以上两种陀螺仪在远距离测量系统或自动控制、惯性导航平台中使用较多。

3、陀螺稳定平台以陀螺仪为核心元件,使被稳定对象相对惯性空间的给定姿态保持稳定的装置。

稳定平台通常利用由外环和内环构成制平台框架轴上的力矩器以产生力矩与干扰力矩平衡使陀螺仪停止旋进的稳定平台称为动力陀螺稳定器。

陀螺稳定平台根据对象能保持稳定的转轴数目分为单轴、双轴和三轴陀螺稳定平台。

陀螺稳定平台可用来稳定那些需要精确定向的仪表和设备,如测量仪器、天线等,并已广泛用于航空和航海的导航系统及火控、雷达的万向支架支承。

根据不同原理方案使用各种类型陀螺仪为元件。

其中利用陀螺旋进产生的陀螺力矩抵抗干扰力矩,然后输出信号控、照相系统。

4、陀螺仪传感器陀螺仪传感器是一个简单易用的基于自由空间移动和手势的定位和控制系统。

在假象的平面上挥动鼠标,屏幕上的光标就会跟着移动,并可以绕着链接画圈和点击按键。

当你正在演讲或离开桌子时,这些操作都能够很方便地实现。

陀螺仪传感器原本是运用到直升机模型上的,已经被广泛运用于手机这类移动便携设备上(IPHONE的三轴陀螺仪技术)。

5、光纤陀螺仪光纤陀螺仪是以光导纤维线圈为基础的敏感元件,由激光二极管发射出的光线朝两个方向沿光导纤维传播。

光传播路径的变化,决定了敏感元件的角位移。

光纤陀螺仪与传统的机械陀螺仪相比,优点是全固态,没有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,尺寸小,重量轻。

与激光陀螺仪相比,光纤陀螺仪没有闭锁问题,也不用在石英块精密加工出光路,成本低。

6、激光陀螺仪激光陀螺仪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,由同一光源发出的沿顺时针方向和反时针方向传输的两束光和光干涉,利用检测相位差或干涉条纹的变化,就可以测出闭合光路旋转角速度。

7、MEMS陀螺仪基于MEMS的陀螺仪价格相比光纤或者激光陀螺便宜很多,但使用精度非常低,需要使用参考传感器进行补偿,以提高使用精度。

MEMS陀螺仪采用的是依赖于相互正交的震动和转动引起的交变科里奥利力,MEMS陀螺仪利用coriolis,将旋转物体的角速度转换成与角速度成正比直流电压信号,其核心部件通过掺杂技术、光刻技术、腐蚀技术、LIGA技术、封装技术等批量生产的。

六、陀螺仪的应用1、陀螺仪在航天航空中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。

陀螺仪器不仅可以作为指示仪表,而更重要的是它可以作为自动控制系统中的一个敏感元件,即可作为信号传感器。

根据需要,陀螺仪器能提供准确的方位、水平、位置、速度和加速度等信号,以便驾驶员或用自动导航仪来控制飞机、舰船或航天飞机等航行体按一定的航线飞行,而在导弹、卫星运载器或空间探测火箭等航行体的制导中,则直接利用这些信号完成航行体的姿态控制和轨道控制。

作为稳定器,陀螺仪器能使列车在单轨上行驶,能减小船舶在风浪中的摇摆,能使安装在飞机或卫星上的照相机相对地面稳定等等。

作为精密测试仪器,陀螺仪器能够为地面设施、矿山隧道、地下铁路、石油钻探以及导弹发射井等提供准确的方位基准。

由此可见,陀螺仪器的应用范围是相当广泛的,它在现代化的国防建设和国民经济建设中均占重要的地位。

2、陀螺仪在消费电子领域的创新应用陀螺仪的出现,给了消费电子很大的应用发挥空间。

比如就设备输入的方式来说,在键盘、鼠标、触摸屏之后,陀螺仪又给我们带来了手势输入,由于它的高精度,甚至还可以实现电子签名;还比如让智能手机变得更智慧:除了移动上网、快速处理数据外,还能“察言观色”,并提供相应的服务。

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。

实际上,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。

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