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陀螺儀原理
角運動檢測裝置
基本信息
| 中文名 | 陀螺儀原理 |
| 外文名 | gyroscope |
| 功能 | 導航、定位等系統(tǒng) |
| 構成 |
現(xiàn)象解釋
陀螺儀原理
陀螺儀基本上就是運用物體高速旋轉(zhuǎn)時，角動量很大，旋轉(zhuǎn)軸會一直穩(wěn)定指向一個方向的性質(zhì)，所制造出來的定向儀器。不過它必須轉(zhuǎn)得夠快，或者慣量夠大(也可以說是角動量要夠大)。不然，只要一個很小的力矩，就會嚴重影響到它的穩(wěn)定性。
工作原理
陀螺儀原理
而事實上，靜止與運動的陀螺儀本身并無區(qū)別，如果靜止的陀螺儀本身絕對平衡的話，拋除外在因素陀螺儀是可以不依靠旋轉(zhuǎn)便能立定的。
而如果陀螺儀本身尺寸不平衡的話，在靜止下就會造成陀螺儀模型傾斜跌倒，因此不均衡的陀螺儀必然依靠旋轉(zhuǎn)來維持平衡。
陀螺儀本身與引力有關，因為引力的影響，不均衡的陀螺儀，重的一端將向下運行，而輕的一端向上。
在引力場中，重物下降的速度是需要時間的，物體墜落的速度遠遠慢于陀螺儀本身旋轉(zhuǎn)的速度時，將導致陀螺儀偏重點，在旋轉(zhuǎn)中不斷的改變陀螺儀自身的平衡，并形成一個向上旋轉(zhuǎn)的速度方向。
當然，如果陀螺儀偏重點太大，陀螺儀自身的左右互作用力也將失效！。
而在旋轉(zhuǎn)中，陀螺儀如果遇到外力導致，陀螺儀轉(zhuǎn)輪某點受力。陀螺儀會立刻傾斜，而陀螺儀受力點的勢能如果低于陀螺儀旋轉(zhuǎn)時速，這時受力點，會因為陀螺儀傾斜，在旋轉(zhuǎn)的推動下，陀螺儀受力點將從斜下角，滑向斜上角。而在向斜上角運行時，陀螺儀受力點的勢能還在向下運行。這就導致陀螺儀到達斜上角時，受力點的剩余勢能將會將在位于斜上角時，勢能向下推動。
而與受力點相反的直徑另一端，同樣具備了相應的勢能，這個勢能與受力點運動方向相反，受力點向下，而它向上，且管這個點叫“聯(lián)動受力點”。
當聯(lián)動受力點旋轉(zhuǎn)180度，從斜上角到達斜下角，這時聯(lián)動受力點，將陀螺儀向上拉動。
在受力點與聯(lián)動受力互作用力下，陀螺儀回歸平衡。
〖專業(yè)解釋〗我們不用一個完整的輪框，我們用四個質(zhì)點ABCD來表示邊上的區(qū)域，這個邊對于用圖來解釋陀螺儀的工作原理是很重要的。軸的底部被托住靜止但是能夠各個方向旋轉(zhuǎn)。當一個傾斜力作用在頂部的軸上的時候，質(zhì)點A向上運動，質(zhì)點C則向下運動，如其中的子圖1。因為陀螺儀是順時針旋轉(zhuǎn)，在旋轉(zhuǎn)90度角之后，質(zhì)點A將會到達質(zhì)點B的位置。CD兩個質(zhì)點的情況也是一樣的。子圖2中質(zhì)點A當處于如圖的90度位置的時候會繼續(xù)向上運動，質(zhì)點C也繼續(xù)向下。AC質(zhì)點的組合將導致軸在子圖2所示的運動平面內(nèi)運動。一個陀螺儀的軸在一個合適的角度上旋轉(zhuǎn)，在這種情況下，如果陀螺儀逆時針旋轉(zhuǎn)，軸將會在運動平面上向左運動。如果在順時針的情況中，傾斜力是一個推力而不是拉力的話，運動將會向左發(fā)生。在子圖3中，當陀螺儀旋轉(zhuǎn)了另一個90度的時候，質(zhì)點C在質(zhì)點A受力之前的位置。C質(zhì)點的向下運動受到了傾斜力的阻礙并且軸不能在傾斜力平面上運動。傾斜力推軸的力量越大，當邊緣旋轉(zhuǎn)大約180度時，另一側(cè)的邊緣推動軸向回運動。
萬向節(jié)陀螺儀
陀螺儀原理
各模上的陀螺儀
從上面我們可以看到，陀螺儀的關鍵是軸的不變性。這樣的特性，看起來雖然簡單，但能使用在許多不同的應用上。制導武器就是陀螺儀的最關鍵應用之一。在慣性制導中，陀螺儀是控制武器飛行姿態(tài)的重要部件，在劇烈變化的環(huán)境中，沒有精心設計的陀螺儀用來保證穩(wěn)定性和準確性，再好的控制規(guī)律也無法命中目標。除了制導之外，陀螺儀還能夠應用在其他的尖端的科技上。比如說，著名的哈勃天文望遠鏡的3個遙感裝置中每個都裝有一個陀螺儀和一個備份。3個工作的陀螺儀是保證望遠鏡指向所必不可少的。
陀螺儀正是因為它的平衡的特性，已經(jīng)成為了飛行設備中關鍵的部件，從航模、制導武器、導彈、衛(wèi)星、天文望遠鏡，無處沒有它的身影，陀螺儀默默的工作保證了這些飛行設備能按照指定的方式去工作。
應用實例
隧道中心線測量
陀螺儀原理
當有通視障礙，不能從已知點取得方向角時，可以采用天文測量或陀螺經(jīng)緯儀測量的方法獲取方向角（根據(jù)建設省測量規(guī)范）。與天文測量比較，陀螺經(jīng)緯儀測量的方法有很多優(yōu)越性：對天氣的依賴少、云的多少無關、無須復雜的天文計算、在現(xiàn)場可以得到任意測線的方向角而容易計算閉合差。
日影計算所需的真北測定
在城市或近郊地區(qū)對高層建筑有日照或日影條件的高度限制。在建筑申請時，要附加日影圖。此日影圖是指，在冬至的真太陽時的8點到16點為基準，進行為了計算、圖面繪制所需要的高精度真北方向測定。使用陀螺經(jīng)緯儀測量可以獲得不受天氣、時間影響的真北測量。
智能手機應用
1、陀螺儀自被發(fā)明開始，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。實際上，很多專業(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，導航能力絕不亞于很多船舶、飛機上用的導航儀。還可以實現(xiàn)GPS的慣性導航：當汽車行駛到隧道或城市高大建筑物附近，沒有GPS訊號時，可以通過陀螺儀來測量汽車的偏航或直線運動位移，從而繼續(xù)導航。
2、可以和手機上的攝像頭配合使用，比如防抖，在拍照時的維持圖像的穩(wěn)定，防止由于手的抖動對拍照質(zhì)量的影響。在按下快門時，記錄手的抖動動作，將手的抖動反饋給圖像處理器，可以讓手機捕捉到更清晰穩(wěn)定的畫面。
3、各類游戲的傳感器，比如飛行游戲，體育類游戲，甚至包括一些第一視角類射擊游戲，陀螺儀完整監(jiān)測游戲者手的位移，從而實現(xiàn)各種游戲操作效果。有關這點，想必用過任天堂WII的網(wǎng)友會有很深的感受。
4、可以用作輸入設備，陀螺儀相當于一個立體的鼠標，這個功能和第三大用途中的游戲傳感器很類似，甚至可以認為是一種類型。通過小幅度的傾斜，偏轉(zhuǎn)手機，實現(xiàn)菜單，目錄的選擇和操作的執(zhí)行。（比如前后傾斜手機，實現(xiàn)通訊錄條目的上下滾動；左右傾斜手機，實現(xiàn)瀏覽頁面的左右移動或者頁面的放大或縮小。）
5、也是未來最有前景和應用范圍的用途。那就是可以幫助手機實現(xiàn)很多增強現(xiàn)實的功能。增強現(xiàn)實是才冒出的概念，和虛擬現(xiàn)實一樣，是計算機的一種應用。大意是可以通過手機或者電腦的處理能力，讓人們對現(xiàn)實中的一些物體有更深入的了解。如果大家不理解，舉個例子，前面有一個大樓，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參數(shù)，比如樓的高度，寬度，海拔，如果連接到數(shù)據(jù)庫，甚至可以得到這座大廈的物主、建設時間、現(xiàn)在的用途、可容納的人數(shù)等等。
參考資料
[1]
工作原理與應用 - 陀螺儀是什么？ · 電子發(fā)燒友網(wǎng)[引用日期2018-12-10]
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作者
