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陀螺仪工作原理
发布日期:2021-06-09 12:46   来源:未知   阅读:

  我们知道陀螺仪使用来测量平衡和转速的工具,在载体高速转动的时候,陀螺仪始终要通过自我调节,使得转子保持原有的平衡,这一点是如何做到的?带着这个问题,我们来看一下这个古老而又神秘的装置的工作原理。

  我把三个Gimbal环用不同的颜色做了标记,底部三个轴向,RGB分别对应XYZ。

  现在假设,船体发生了摇晃,是沿着前方进行旋转的摇晃,也就是桶滚。由于转子和旋转轴具有较大的惯性,只要没有直接施加扭矩,就会保持原有的姿态。由于上图中绿色的活动的连接头处是可以灵活转动的,此时将发生相对旋转,从而出现以下的情形:

  再次假设,船体发生了pitch摇晃,也就是俯仰。同样,由于存在相应方向的可以相对旋转的连接头(红色连接头),转子和旋转轴将仍然保持平衡,如下图:

  最后假设,船体发生了yaw摇晃,也就是偏航,此时船体在发生水平旋转。相对旋转发生在蓝色连接头。如下图:

  最终,在船体发生Pitch、Yaw、Roll的情况下,陀螺仪都可以通过自身的调节,而让转子和旋转轴保持平衡。

  现在看起来,这个陀螺仪一切正常,在船体发生任意方向摇晃都可以通过自身调节来应对。然而,真的是这样吗?

  假如,船体发生了剧烈的变化,此时船首仰起了90度(这是要翻船的节奏。。。。),船体再次发生转动,沿着当前世界坐标的+Z轴(蓝色轴,应该正指向船底)进行转动,那么来看看发生了什么情况。

  之前陀螺仪之所以能通过自身调节,保持平衡,是因为存在可以相对旋转的连接头。在这种情况下,已经不存在可以相对旋转的连接头了。

  那么连接头呢?去了哪里?显然,它还是在那里,只不过是,连接头可以旋转的相对方向不是现在需要的按着+Z轴方向。从上图中,我们清楚地看到:

  没错,三个连接头,提供的自由度只对应了俯仰和偏航两个自由度,横滚自由度丢失了。这就是陀螺仪上的“万向节死锁”问题。

  若计绿轴为x轴,红轴为y轴,蓝轴为z轴。那么记为z轴为主轴,y轴为副轴,x轴为自由轴;绕z轴会影响到x,y轴;绕y轴会影响到x轴,绕x轴不会影响其他轴。

  万向节锁死就是当某个旋转之后,某个方向有两个轴向,所以就去缺少一个自由度,不能直接进行单一轴的旋转到达某个位姿。所以只能间接地曲线(插值)到达。香港最快报码开奖现场直播