陀螺仪,是一种用来感测与维持方向的装置,基于「角动量守恒」的理论设计出来的。陀螺仪主要是由一个位于轴心可以旋转的轮子构成,陀螺仪一旦开始旋转,由于轮子的「角动量」,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,1850 年法国的物理学家 J.Foucault 为了研究地球自转,首先发现高速转动中的转子,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。手持云台搭载陀螺仪,智能防抖,拍摄画面更平稳。上海惯性导航系统
陀螺仪(来自古希腊语的γῦροςgûros "圆形或者旋转" 和σκοπέω skopéō "看到的"),是用于测量或维护方位和角速度的设备。它是一个旋转的轮子或圆盘,其中旋转轴可以不受影响的设定在任何方向。当旋转发生时,根据角动量守恒定律,该轴的方向不受支架倾斜或旋转的影响。还有一些使用其他工作原理的陀螺仪,例如,在电子设备中可以看到的使用微芯片封装的微机电(MEMS)陀螺仪、固态环形激光器、光纤陀螺仪和极其灵敏的量子陀螺仪。上海惯性导航系统自动驾驶汽车用陀螺仪检测急转弯和侧翻风险。
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。
三轴陀螺仪主要用来测量无人机在飞行过程中俯仰角、横滚角和偏航角的角速度,并根据角速度积分计算角度的改变。而一般采用双轴倾角传感器,与三轴陀螺仪构成全姿态增稳控制回路。陀螺仪测量得到的角速度信息用作增稳反馈控制,使飞机操纵起来变的更“迟钝”一些,从而利用倾角传感器测得飞机横滚角和俯仰角。然后将陀螺仪测得的角速率信息和倾角传感器测得的姿态角进行捷联运算,得到融合后的姿态信息。这种较为复杂的捷联算法,能够使姿态精度得到很大提高。陀螺仪在特种领域属于敏感技术,部分国家限制出口。
陀螺仪的应用场景,惯性导航,在航空航天事业中普遍应用,配合GPS提高导航精度(感知方向/速度的改变),已知起始位置/朝向,将每个时刻的运动方向与朝向,通过积分运算后得到较终的朝向、位置信息。惯性姿态计算,体感操作(和平精英)、手势控制(Smart Car教育机器人)、空间音频(Airpods)、头部追踪(VR/AR头显)、飞控(无人机)、稳定(稳定器)。手机应用:计步、摄像头防抖、横竖屏感应切换、抬屏显示、360°视图显示(可以根据手机的方位与角度查看不同视角,eg.星空APP)、摇一摇水下摄影设备靠陀螺仪防抖,捕捉清晰海底画面。上海惯性导航系统
儿童玩具陀螺通过旋转保持直立,是陀螺仪的简化体现。上海惯性导航系统
陀螺仪的基本部件包括: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)。陀螺仪的两个重要特性,陀螺仪有两个非常重要的基本特性:一为定轴性,另一是进动性,这两种特性都是建立在角动量守恒的原则下。定轴性,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。上海惯性导航系统
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