陀螺仪的作用

陀螺仪的作用Last revision on 21 December 2020
陀螺仪的作用
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、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。

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，想必用过的有很深的感受。

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的功能。

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。

它的原理
陀螺仪原理是指陀螺仪工作的原理，螺旋仪是一种用来传感与维持方向的装置，基于的理论设计出来的。

陀螺仪主要是由一个位于轴心且可旋转的转子构成。

陀螺仪一旦开始旋转，由于转子的，陀螺仪有抗拒方向改变的趋向。

陀螺仪多用于导航、定位等系统常用实例如手机GPS定位导航、卫星定位。

陀螺仪基本上就是运用物体高速旋转时，角动量很大，旋转轴会一直稳定指向一个方向的性质，所制造出来的定向仪器。

不过它必需转得够快，或者惯量够大（也可以说是角动量要够大）。

不然，只要一个很小的力矩，就会严重影响到它的稳定性。

现象解释
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铅直方向的倾向。

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）。

当陀螺经纬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。

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基本上就是运用物体高速旋转时，角动量很大，旋转轴会一直稳定指向一个方向的性质，所制造出来的定向仪器。

不过它必需转得够快，或者惯量够大(也可以说是角动量要够大)。

不然，只要一个很小的力矩，就会严重影响到它的稳定性。

工作原理
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。

万向节陀螺仪
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。

陀螺仪运动的特性是它拐弯的时候能够保持单轨设备的直上直下。

比如说，有必要的话，消防汽缸压在一个很重的陀螺仪的轴上，就能保持其稳定。

陀螺仪和万向节结合起来组成的万向节陀螺仪则是实际中最经常应用的。

各模上的陀螺仪
从上面我们可以看到，陀螺仪的关键是轴的不变性。

这样的特性，看起来虽然简单，但能使用在许多不同的应用上。

制导武器就是陀螺仪的最关键应用之一。

在惯性制导中，陀螺仪是控制武器飞行姿态的重要部件，在剧烈变化的环境中，没有精心设计的陀螺仪用来保证稳定性和准确性，再好的控制规律也无法命中目标。

除了制导之外，陀螺仪还能够应用在其他的尖端的科技上。

比如说，着名的哈勃天文望远镜的3个遥感装置中每个都装有一个陀螺仪和一个备份。

3个工作的陀螺仪是保证望远镜指向所必不可少的。

陀螺仪正是因为它的平衡的特性，已经成为了飞行设备中关键的部件，从航模、制导武器、导弹、卫星、天文望远镜，无处没有它的身影，陀螺仪默默的工作保证了这些飞行设备能按照指定的方式去工作
轴数
单轴陀螺仪相当于我们玩的玩具陀螺，由于没有万向支架，无法隔离开载体运动对陀螺仪的影响，也无法通过万向支架的轴转动来敏感到载体运动的变化，一般很少出现在工业应用上。

双轴陀螺仪安装一个内环，转子轴固定在内环上，内环轴固定在基座上，并且内环轴相对于基座可以活动，它可以绕内环轴和转子轴活动，所以具有4个自由度。

三自由度陀螺仪在二自由度陀螺仪上又增加了一个外环，绕三个轴均可以转动，具有全方位六个自由度，又称太空陀螺仪。