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陀螺仪有哪些作用?它的原理原来这么神奇!

2018-12-11 17:00
爱电子
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陀螺仪是个很神奇的物体,在很多场合都能看到,它是一个应用很广的器件,在很多领域都有广泛运用,今天笔者就给大家讲解陀螺仪在平衡车上的应用讲解陀螺仪的工作原理。

什么是陀螺仪?

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。

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。

陀螺仪有哪些作用?它的原理原来这么神奇!

陀螺仪的工作原理

陀螺仪多用于导航、定位等系统常用实例如手机GPS定位导航、卫星三轴陀螺仪定位。陀螺仪基本上就是运用物体高速旋转时,角动量很大,旋转轴会一直稳定指向一个方向的性质,所制造出来的定向仪器。不过它必需转得够快,或者惯量够大(也可以说是角动量要够大)。不然只要一个很小的力矩,就会严重影响到它的稳定性。

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。

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。

1、隧道中心线测量的原理

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。

2、通视障碍时的方向角获取的原理

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。

陀螺仪在平衡车和独轮车上的应用

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平衡车之所以能这么风风火火,陀螺仪的作用不言而喻,我们骑行在车上,全凭它的感知,然后通过复杂的计算控制程序来确实各种平衡性,现在的电动独轮车里面的陀螺仪也是一个电子元器件了,而不是一个硬件设备了。电动独轮车内置陀螺仪传感器,利用该传感器,车载驱动电路上的CPU会以每秒200次的速度计算车身的前后平衡,如果身体重心向前倾斜,前方数值大于后方,此时CPU就会发出指令给驱动电路上的传感器,调整电机转动方向与速度,让电机向后方转动,车辆向前,反之,车辆向后,身体向前倾斜的越厉害,速度就越快;而向左和向右倾斜身体是转弯。

平衡车是靠电机驱动的,采用陀螺仪与驱动电路控制保持不倒。把身体向前倾斜就可以启动。速度则是由倾斜程度来控制的,想要加速则向前倾,减速则向后倾。有能力做到自身平衡是最令人吃惊的地方,而这一点也是操作的关键所在。要想弄明白这个系统的工作原理,最好考虑一下制作这个设备的模型——人体。

如果你站起来,向前倾身而失去了平衡,但是你可能不会摔个大马趴。你的大脑知道你失去了平衡,因为你内耳中的液体移动了位置。因此,它促使你的腿向前迈,防止你摔倒。如果你的身体一直往前倾斜,你的大脑会持续让你的腿向前迈,让你保持直立姿势。结果是你没有摔倒,而是往前走了,一次走一步。

它的工作原理与此大体相同,不同的是它有轮子而不是人腿,有一个马达而不是肌肉,有一组微处理器而不是大脑,有一套复杂的倾斜传感器和陀螺传感器而不是内耳平衡系统。如同你的大脑一样,SegwayPT知道你什么时候身体向前倾斜。为了保持平衡,它以恰当的速度转动轮子,这样你就向前移动了。

陀螺仪在手机上的应用

陀螺仪自被发明开始,就用于导航,先是德国人将其应用在V1、V2火箭上,因此,如果配合GPS,手机的导航能力将达到前所未有的水准。实际上,很多专业手持式GPS上也装了陀螺仪,如果手机上安装了相应的软件,导航能力绝不亚于很多船舶、飞机上用的导航仪。还可以实现GPS的惯性导航:当汽车行驶到隧道或城市高大建筑物附近,没有GPS讯号时,可以通过陀螺仪来测量汽车的偏航或直线运动位移,从而继续导航。

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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。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。有关这点,想必用过任天堂WII的网友会有很深的感受。

可以用作输入设备,陀螺仪相当于一个立体的鼠标,这个功能和第三大用途中的游戏传感器很类似,甚至可以认为是一种类型。通过小幅度的倾斜,偏转手机,实现菜单,目录的选择和操作的执行。(比如前后倾斜手机,实现通讯录条目的上下滚动;左右倾斜手机,实现浏览页面的左右移动或者页面的放大或缩小。)

陀螺仪也是未来最有前景和应用范围的用途。那就是可以帮助手机实现很多增强现实的功能。增强现实是才冒出的概念,和虚拟现实一样,是计算机的一种应用。大意是可以通过手机或者电脑的处理能力,让人们对现实中的一些物体有更深入的了解。如果大家不理解,举个例子,前面有一个大楼,用手机摄像头对准它,马上就可以在屏幕上得到这座大楼的相关参数,比如楼的高度,宽度,海拔,如果连接到数据库,甚至可以得到这座大厦的物主、建设时间、现在的用途、可容纳的人数等等。

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