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[资料] 陀螺仪的工作原理及创新应用
2020-9-9 08:48:00  153 陀螺仪
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先来看一段视频,俄罗斯教授演示陀螺仪稳定器的工作原理:
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●陀螺仪的名字由来
陀螺仪名字的来源具有悠久的历史。据考证,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,因此傅科用希腊字 gyro(旋转)和skopein(看)两字合为“gyro scopei ”一字来命名该仪器仪表。
最早的陀螺仪的简易制作方式如下:即将一个高速旋转的陀螺放到一个万向支架上,靠陀螺的方向来计算角速度,简易图如下图所示。
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其中,中间金色的转子即为陀螺,它因为惯性作用是不会受到影响的,周边的三个“钢圈”则会因为设备的改变姿态而跟着改变,通过这样来检测设备当前的状态,而这三个“钢圈”所在的轴,也就是三轴陀螺仪里面的“三轴”,即X轴、y轴、Z轴,三个轴围成的立体空间联合检测各种动作,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。因此一开始,陀螺仪的最主要的作用在于可以测量角速度。
●陀螺仪的基本组成
当前,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。
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陀螺仪的基本部件有: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);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);附件(是指力矩马达、信号传感器等)。
●陀螺仪的工作原理
陀螺仪侦测的是角速度。其工作原理基于科里奥利力的原理:当一个物体在坐标系中直线移动时,假设坐标系做一个旋转,那么在旋转的过程中,物体会感受到一个垂直的力和垂直方向的加速度。
台风的形成就是基于这个原理,地球转动带动大气转动,如果大气转动时受到一个切向力,便容易形成台风,而北半球和南半球台风转动的方向是不一样的。用一个形象的比喻解释了科里奥利力的原理。
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具体来说,陀螺仪,是一个圆形的中轴的结合体。而事实上,静止与运动的陀螺仪本身并无区别,如果静止的陀螺仪本身绝对平衡的话,抛除外在因素陀螺仪是可以不依靠旋转便能立定的。而如果陀螺仪本身尺寸不平衡的话,在静止下就会造成陀螺仪模型倾斜跌倒,因此不均衡的陀螺仪必然依靠旋转来维持平衡。
陀螺仪本身与引力有关,因为引力的影响,不均衡的陀螺仪,重的一端将向下运行,而轻的一端向上。在引力场中,重物下降的速度是需要时间的,物体坠落的速度远远慢于陀螺仪本身旋转的速度时,将导致陀螺仪偏重点,在旋转中不断的改变陀螺仪自身的平衡,并形成一个向上旋转的速度方向。当然,如果陀螺仪偏重点太大,陀螺仪自身的左右互作用力也将失效。
而在旋转中,陀螺仪如果遇到外力导致,陀螺仪转轮某点受力。陀螺仪会立刻倾斜,而陀螺仪受力点的势能如果低于陀螺仪旋转时速,这时受力点,会因为陀螺仪倾斜,在旋转的推动下,陀螺仪受力点将从斜下角,滑向斜上角。而在向斜上角运行时,陀螺仪受力点的势能还在向下运行。这就导致陀螺仪到达斜上角时,受力点的剩余势能将会将在位于斜上角时,势能向下推动。
而与受力点相反的直径另一端,同样具备了相应的势能,这个势能与受力点运动方向相反,受力点向下,而它向上,且管这个点叫"联动受力点"。当联动受力点旋转180度,从斜上角到达斜下角,这时联动受力点,将陀螺仪向上拉动。在受力点与联动受力互作用力下,陀螺仪回归平衡。
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垂直方向的倾向。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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