陀螺仪的原理校准方法特性以及在智能手机上的应用通风器
文章来源：猎奇机械网 | 2022-07-01
原标题：陀螺仪的原理、校准方法、特性以及在智能手机上的应用
陀螺仪的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，它在航空和航天事业等领域中有着广泛的应用。下面，的小编就来为大家介绍一下陀螺仪的原理、校准方法、特性以及在智能手机上的应用。
陀螺仪的原理
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。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。它必需转得够快，或者惯量够大(也可以说是角动量要够大)。只要一个很小的力矩，也会严重影响到它的稳定性。
陀螺仪的校准方法
陀螺的校准比较简单，一般上电后，自己执行即可，然后保存这个零偏，另每次上电得到的零偏都不同，所以需要每次都校准一次。PX4原生飞控，这点做得很蠢，在QGC地面站的传感器校准页面中，需要用户自己点击进行校准，不会自动执行，当然这个很好改。
陀螺上电自动校准的话，是需要通电后保持静止的，否则校准得到的是一个错误值，所以最好能识别飞行器是否在静止状态，然后再进行校准。方法也很简单，就是判定两次采集的数据差的和是否超过一定阈值，超过阈值，说明在运动中，这里就不启用校准，LED红灯提示，飞控代码在此不断循环待机，直至静止状态。
陀螺仪的特性
首先，“陀螺仪”是敏感角位移的装置。
重要特性有定轴性和进动性。
1、定轴性
定轴性很好理解，陀螺仪在高速旋转过程中具有动量矩H，在不受外力矩作用时，自转轴将相对惯性空间保持方向不变的特性。
2、进动性
外框能够绕外框轴旋转，内框能够绕内框轴旋转，中间是旋转的陀螺和自转轴。
进动性是指的这样的现象：
在陀螺转子高速转动的情况下，如果按如图所示用力作用于内框架，会使得外框架按如图所示方向转动，从而导致动量矩H（即自转轴的方向）相应转动。或者另外一种情况：
用力推动外框，使得内框架绕内框轴转动。类似于牛顿第三定律，当推动外框架或者内框架改变动量矩H的方向时，陀螺仪会产生反作用力矩，其大小与外力矩相等，方向相反。这也是陀螺仪的基本特性之一。
陀螺仪的应用：
陀螺仪在生活和军事领域都有重要作用。小到手机，大到卫星，都能见到它的身影。飞行器姿态控制是陀螺特性的重要应用，是定轴性的体现。垂直陀螺仪给飞行器建立地垂线基准，道理很简单，飞行器在空中飞行过程中，不管姿态如何改变，垂直陀螺仪始终指向垂直方向不变，从而提供有关姿态角的信息。当然，由于陀螺自身漂移和环境变化，需要修正装置随时校准修正。同样，水平陀螺仪指示水平方向，给飞行器的航向角修正提供信息。陀螺罗经是一种依靠陀螺仪指示真北的装置。它利用地球自转角速度和重力力矩的综合作用，能够使自转轴自动寻找真北，而不需要依靠地磁场。现在也有了长足的进步和发展。
陀螺仪最重要的特性是定轴性和进动性，它能够敏感角运动，因此可以用来测量载体相对惯性空间的角运动，高精度的陀螺仪主要应用在军事方便和加速度计组成惯性导航系统。低精度的在很多方面都有应用个，像手机，一些可穿戴设备，康复训练装置等。
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、地球在太阳（月球）引力矩作用下的旋进（岁差）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。
现在的陀螺仪分为，压电陀螺仪，微机械陀螺仪，光纤陀螺仪，激光陀螺仪，都是电子式的，可以和加速度计，磁阻芯片，GPS，做成惯性导航控制系统。
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飞机两轴作自由运动；然后，在内环架外加上一外环架；这个陀螺仪有两个平衡环，可以环绕飞机三轴作自由运动，就是一个完整的太空陀螺仪(space gyro)。[1]
陀螺仪在智能手机上的应用
1、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，目前很多专业手持式GPS上也装了陀螺仪，如果手机上安装了相应的软件，其导航能力绝不亚于目前很多船舶、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。
2、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。
3、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。
4、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。）
5、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。增强现实是近期才冒出的概念，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跟深入的了解。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。
陀螺仪的功能分类：
利用陀螺仪的动力学特性制成的各种仪表或装置，主要有以下几种：
1、陀螺方向仪
能给出飞行物体转弯角度和航向指示的陀螺装置。它是三自由度均衡陀螺仪，其底座固连在飞机上，转子轴提供惯性空间的给定方向。若开始时转子轴水平放置并指向仪表的零方位，则当飞机绕铅直轴转弯时，仪表就相对转子轴转动，从而能给出转弯的角度和航向的指示。由于摩擦及其他干扰，转子轴会逐渐偏离原始方向，因此每隔一段时间（如15分钟）须对照精密罗盘作一次人工调整。
2、陀螺罗盘
供航行和飞行物体作方向基准用的寻找并跟踪地理子午面的三自由度陀螺仪。其外环轴铅直，转子轴水平置于子午面内，正端指北；其重心沿铅垂轴向下或向上偏离支承中心。转子轴偏离子午面时同时偏离水平面而产生重力矩使陀螺旋进到子午面，这种利用重力矩的陀螺罗盘称摆式罗盘。近年来发展为利用自动控制系统代替重力摆的电控陀螺罗盘，并创造出能同时指示水平面和子午面的平台罗盘。
以上，就是小编为您介绍的陀螺仪的原理、校准方法、特性以及在智能手机上的应用。现今，陀螺仪被人们广泛运用于航海、航天领域，因为它具有定轴性、进动性等特点，为航海、航空领域带来了很多便利，提高了航海、航空的安全性。
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