电子陀螺仪工作原理与构造
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电子陀螺仪工作原理与构造

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2022-12-18 / 0 评论 / 0 阅读 / 正在检测是否收录...

电子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。

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。

电子陀螺仪的内部原理是这样的:对固定指施加电压,并交替改变电压,让一个质量块做振荡式来回运动,当旋转时,会产生科里奥利加速度,此时就可以对其进行测量;这有点类似于加速度计,解码方法大致相同,都会用到放大器。

电子陀螺仪工作原理

电子陀螺仪的原理就是,一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时,是不会改变的。人们根据这个道理,用它来保持方向,制造出来的东西就叫陀螺仪。我们骑自行车其实也是利用了这个原理。轮子转得越快越不容易倒,因为车轴有一股保持水平的力量。陀螺仪在工作时要给它一个力,使它快速旋转起来,一般能达到每分钟几十万转,可以工作很长时间。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。

现代陀螺仪是一种能够精确地确定运动物体的方位的仪器,它是现代航空,航海,航天和国防工业中广泛使用的一种惯性导航仪器,它的发展对一个国家的工业,国防和其它高科技的发展具有十分重要的战略意义。传统的惯性陀螺仪主要是指机械式的陀螺仪,机械式的陀螺仪对工艺结构的要求很高,结构复杂,它的精度受到了很多方面的制约。自从上个世纪七十年代以来,现代陀螺仪的发展已经进入了一个全新的阶段。

现代光纤陀螺仪包括干涉式陀螺仪和谐振式陀螺仪两种,它们都是根据塞格尼克的理论发展起来的。塞格尼克理论的要点是这样的:当光束在一个环形的通道中前进时,如果环形通道本身具有一个转动速度,那么光线沿着通道转动的方向前进所需要的时间要比沿着这个通道转动相反的方向前进所需要的时间要多。也就是说当光学环路转动时,在不同的前进方向上,光学环路的光程相对于环路在静止时的光程都会产生变化。

利用这种光程的变化,如果使不同方向上前进的光之间产生干涉来测量环路的转动速度,这样就可以制造出干涉式光纤陀螺仪,如果利用这种环路光程的变化来实现在环路中不断循环的光之间的干涉,也就是通过调整光纤环路的光的谐振频率进而测量环路的转动速度,就可以制造出谐振式的光纤陀螺仪。从这个简单的介绍可以看出,干涉式陀螺仪在实现干涉时的光程差小,所以它所要求的光源可以有较大的频谱宽度,而谐振式的陀螺仪在实现干涉时,它的光程差较大,所以它所要求的光源必须有很好的单色性。

电子陀螺仪的构造

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):

(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)。

三轴陀螺仪的工作原理及应用

三轴陀螺仪工作原理

三轴陀螺仪也叫作微机械陀螺仪,而微机械陀螺仪也会被称作MEMS陀螺仪。它的特点在于能够同时进行六个方向的位置测定工作,还能对该些方向移动的轨迹及加速的测定。最早的单轴陀螺仪的只能进行一个方向的测量。一个三轴陀螺仪能完成三个单轴陀螺仪的工作量,如果在一个系统需要三个陀螺仪,三轴陀螺仪可以完美替代三个单轴陀螺仪。三轴陀螺仪具有体积小、重量轻、结构简单、可靠性好等优点,是激光陀螺的发展趋势。简而言之,三轴陀螺仪最大的作用就是“测量角速度,以判别物体的运动状态,所以也称为运动传感器。

三轴陀螺仪的应用

角速度传感器还有加速度传感器不一定是陀螺仪,也许是单纯的加速度计呢。飞机、轮船或导弹中的指示仪,其核心部分就是定向指示仪,它是一个装在能自由转向的小框架上的小飞轮(陀螺)。在这个装置中,轴承的摩擦力矩很小,可以忽略不计。另一方面,刚体结构高度对称,其质心集中在连杆中心处。这样,当飞轮绕自身对称轴高速转动时,无论如何改变框架的方位,其中心轴的空间取向都始终保持不变。(专业说法是:定向指示仪所受到的合外力矩为零,其角动量守恒)这是定向指示仪的重要特性。

如果在飞机上装上三个定向指示仪,并使三个小飞轮的自转轴相互垂直,飞行员就可以通过飞轮轴相对于机身的指向来确定飞机的空间取向。船舶上装上定向指示仪,海员可用它来确定海轮的航向。鱼雷,火箭中也装有定向指示仪,起到自动导航的作用。在鱼雷前进的过程中,定向指示仪的轴线方向保持不变。当鱼雷因风浪等影响,前进方向改变时,鱼雷的纵轴与定向指示仪之间就出现了偏差,这时可启动有关器械改变舵的角度,使鱼雷回复到原来的前进方向。火箭中,则采用改变喷气方向的方法来校正飞行方向。

汽车级陀螺仪能提供精确的测量结果,可大幅提升汽车导航仪和远端资讯处理系统的航位推算(Dead-ReckoNIng)和/或地图对照(Map-Matching)功能。在全球卫星定位系统(GPS)卫星讯号很差的室内和高楼林立的区域,航位推算系统可弥补讯号消失的影响,代替卫星检测物体的动作和高度。陀螺仪的精确测量资料还能提高地图对照准确度;地图对照是在数位地图的道路网路上描述卫星或感测器观测的用户位置的动作轨迹的过程,地图对照被用于各种导航定位系统,包括交通流量分析和车辆行驶方向。

而最早将三轴陀螺仪置入手机领域的就是苹果公司的教父—史蒂芬。乔布斯,2010年,通过创新将三轴陀螺仪配置入iPhone4当中,这也标志着手机迈入智能手机的开端。三轴陀螺仪通过对设备的方向的测量和对方向的维持,基于角动量守恒原理。

随后的七八年里,各大手机企业开始都三轴陀螺仪配备到自己的产品当中,现在几乎已是手机上的标配了。手机上利用三轴陀螺仪来维持一些游戏动作的特性稳定。现在市面上的许多游戏要用到这一方面功能,如最近比较火热的绝地求生、动作模拟保龄球等体育射击类游戏,还有在第一人称游戏上如赛车类体现特别的明显。

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