课程:学号:姓名:浅谈陀螺仪摘要:首先介绍陀螺仪的发展历史、结构及其工作原理等,然后介绍不同种类的陀螺仪, 最后介绍陀螺仪在各种领域的应用。

关键词:陀螺仪;简介;分类;应用无论是大至航空器械, 还是小至智能手机, 当利用它们来导航定位时, 都少不了一种器件——陀螺仪。

陀螺仪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。

利用其他原理制成的角运动检测装置起同样功能的也称陀螺仪。

1. 陀螺仪简介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。

与苍蝇退化的后翅(平衡棒原理类似。

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,环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。

陀螺旋进是日常生活中常见的现象,许多人小时候都玩过的陀螺就是一例 [1]。

人们利用陀螺的力学性质所制成的各种功能的陀螺装置称为陀螺仪 (gyroscope, 它在科学、技术、军事等各个领域有着广泛的应用。

比如:回转罗盘、定向指示仪、炮弹的翻转、陀螺的章动等。

陀螺仪的种类很多, 按用途来分, 它可以分为传感陀螺仪和指示陀螺仪。

传感陀螺仪用于飞行体运动的自动控制系统中,作为水平、垂直、俯仰、航向和角速度传感器。

指示陀螺仪主要用于飞行状态的指示,作为驾驶和领航仪表使用。

结构基本上陀螺仪是一种机械装置,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;在通过转子中心轴 XX1上加一内环架,那么陀螺仪就可环绕平面两轴作自由运动;然后,在内环架外加上一外环架;这个陀螺仪有两个平衡环,可以环绕平面 [2]三轴作自由运动,就是一个完整的太空陀螺仪 (space gyro。

历史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, 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。

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, 但直到现在, 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稳定性和进动性。

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, 这就反映了陀螺的稳定性。

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。

原理陀螺仪的原理就是,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做陀螺仪。

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。

在现实生活中, 陀螺仪发生的进给运动是在重力力矩的作用下发生的。

特性 [3]陀螺仪被广泛用于航空、航天和航海领域。

这是由于它的两个基本特性:一为定轴性 (inertia or rigidity , 另一是进动性 (precession , 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。

其稳定性随以下的物理量而改变:1. 转子的转动惯量愈大,稳定性愈好;2. 转子角速度愈大,稳定性愈好。

进动性当转子高速旋转时, 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。

2. 陀螺仪功能分类光纤陀螺仪【 4】光纤陀螺仪属于第四代陀螺仪———光学陀螺仪的一种, 其基本工作原理基于萨格纳效应, 即在同一闭合光路中从同一光源发出两束特征相同的光, 沿相反的方向进行传播, 汇合到同一探测点, 产生干涉。

若存在绕垂直于闭合光路所在平面的轴线相对惯性空间转动的角速度, 则沿正、反方向传播的光束产生光程差,该差值与角速度成正比。

通过光程差与相应的相位差的关系, 可通过检测相位差, 计算角速度。

它一般由光纤传感线圈、集成光学芯片、宽带光源和光电探测器组成。

与传统的机械陀螺仪相比,具有无运动部件、耐冲击、结构简单、启动时间短、灵敏度高、动态范围宽、寿命长等优点。

与另一种光学陀螺仪———环形激光陀螺仪相比, 光纤陀螺仪不需要光学镜的高精度加工、光腔的严格密封和机械偏置技术,能够有效地克服了激光陀螺的闭锁现象,易于制造。

双轴速率陀螺仪 [5]双轴速率陀螺仪是一种新型的采用空间惯性导向技术的连续测量系统。

它通过测量地球的旋转速率、重立场和传感器的工作状态来计算井眼的位置。

根据井斜角的不同 , 该系统可在两种方式下工作 , 即陀螺罗盘测量技术和连续测量模式。

陀螺罗盘测量技术是用来测量接近垂直井段井眼位置的 , 是通过静止地测量重力场和地球转速的分量来确定井斜角和方位角的 , 连续测量模式是用来测量大斜度井段井眼方向的 , 它通过在运动中测量井斜角和方位角的变化率确定井斜角和方位角。

三轴陀螺仪 [6]为了实现单片集成六自由度微惯性测量单元,提出了一种改进的由 4个大质量块和 4个小质量块组合而成的四方全对称结构的三轴陀螺仪。

该惯性测量元件的结构及工作原理, 根据结构参数计算出了详细的性能指标, 并进行了面内驱动模态和面内外的敏感模态仿真。

通过分析热弹性阻尼能量耗散机理, 对驱动及敏感谐振模态的品质因数进行仿真。

最后, 基于表面加工和体加工工艺, 设计了高深宽比的加工流程。

对该四方对称解耦结构的设计和仿真表明其模态匹配和品质因数性能满足三轴陀螺的设计要求。

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。

MEMS 陀螺仪 [7]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, ADI 公司是低成本的 MEMS 陀螺仪的主要制造商, VMSENS 提供的 AHRS 系统正是通过这种方式, 对低成本的MEMS 陀螺仪进行辅助补偿实现的。

基于 MEMS 技术的陀螺因其成本低,能批量生产,已经能够广泛应用于汽车牵引控制系统、医用设备、军事设备等低成本需求应用中。

3. 陀螺仪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。

[8]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。

广泛使用的 MEMS 陀螺 (微机械可应用于航空、航天、航海、兵器、汽车、生物医学、环境监控等领域。

并且 MEMS 陀螺相比传统的陀螺有明显的优势:1. 体积小、重量轻。

适合于对安装空间和重量要求苛刻的场合,例如弹载测量等。

2. 低成本。

3. 高可靠性。

内部无转动部件,全固态装置,抗大过载冲击,工作寿命长。

4. 低功耗。

5. 大量程。

适于高转速大 g 值的场合。

6. 易于数字化、智能化。

可数字输出,温度补偿,零位校正等。

隧道中心线测量在隧道等挖掘工程中,坑内的中心线测量一般采用难以保证精度的长距离导线。

特别是进行盾构挖掘(shield tunnel 的情况,从立坑的短基准中心线出发必须有很高的测角精度和移站精度, 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。

特别是在密集的城市地区, 不可能进行过多的检测作业而遇到困难。

如果使用陀螺经纬仪可以得到绝对高精度的方位基准,而且可减少耗费很高的检测作业(检查点最少 ,是一种效率很高的中心线测量方法。

通视障碍时的方向角获取当有通视障碍,不能从已知点取得方向角时,可以采用天文测量或陀螺经纬仪测量的方法获取方向角(根据建设省测量规范。

与天文测量比较,陀螺经纬仪测量的方法有很多优越性:对天气的依赖少、云的多少无关、无须复杂的天文计算、在现场可以得到任意测线的方向角而容易计算闭合差。

日影计算所需的真北测定在城市或近郊地区对高层建筑有日照或日影条件的高度限制。

在建筑申请时,要附加日影图。

此日影图是指,在冬至的真太阳时的 8点到 16点为基准,进行为了计算、图面绘制所需要的高精度真北方向测定。

使用陀螺经纬仪测量可以获得不受天气、时间影响的真北测量。

4. 陀螺仪在智能手机中的应用 [9]2010年 6月,首款携带三重陀螺仪的智能手机 iPhone4正式发布。

i0s 一直都是手机游戏的最佳平台之一。

在 iPhone 中,我们玩游戏的方式多种多样,虚拟摇杆触控操作、重力感、声控、摄像头等都可以用来控制游戏。

与此同时.支持三重陀螺仪的软件和游戏也在不断增加。

重力感应、陀螺仪等传感器的出现充分增强了玩家的操作体验. 缩短了现实与虚拟世界的距离。

1. 可以和手机上的摄像头配合使用,比如防抖,在拍照时的维持图像的稳定,防止由于手的抖动对拍照质量的影响。

在按下快门时, 记录手的抖动动作, 将手的抖动反馈给图像处理器,可以让手机捕捉到更清晰稳定的画面。

2. 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。