本文我們將簡單了解陀螺儀的構(gòu)造、用途、原理、以及三大特性，最后用圖來說明陀螺儀姿態(tài)的三個角度數(shù)據(jù)。
陀螺儀有什么用途？
陀螺儀經(jīng)常出現(xiàn)在慣性決策單元（IMU）中。在上一篇文章（點擊跳轉(zhuǎn)）中我們提到了慣性導(dǎo)航系統(tǒng)INS，其中組成慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)備單元IMU就是由陀螺儀組成。它可以實現(xiàn)不依賴外界信息輸入。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)可以給自動駕駛汽車提供航向、姿態(tài)、速度、位置等導(dǎo)航參數(shù)，是高精度定位不可或缺的一部分。
陀螺儀不僅應(yīng)用于自動駕駛定位，還廣泛用于航海、航天、軍事等各個領(lǐng)域，可以很好地測量旋轉(zhuǎn)、偏轉(zhuǎn)等運動，并可以感知飛行器姿態(tài)的變化旋轉(zhuǎn)物體的角動量是恒定的，并將這些信息反饋給控制系統(tǒng)，從而實現(xiàn)飛行器的姿態(tài)控制和穩(wěn)定飛行。
旋轉(zhuǎn)陀螺儀
陀螺儀可以感知一個或多個軸的角速度英語作文，能夠精確感知自由空間中的復(fù)雜運動，因此陀螺儀已成為追蹤物體運動和旋轉(zhuǎn)的必備運動傳感器。與加速度計和電子羅盤不同，陀螺儀不需要重力、磁場等外力，可以自主工作，因此理論上僅使用陀螺儀就可以完成姿態(tài)導(dǎo)航任務(wù)。
陀螺儀
簡單來說，陀螺儀是依據(jù)角動量守恒定律設(shè)計的，陀螺儀主要由位于軸心的可旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子組成，一旦陀螺儀開始旋轉(zhuǎn)，由于轉(zhuǎn)子的角動量，陀螺儀會傾向于抵抗方向的改變。
那么陀螺儀為什么會有這樣的用途呢?說陀螺儀的原理，首先就要說陀螺儀的特點。
陀螺儀的特點有哪些？
1. 固定軸
陀螺儀在轉(zhuǎn)動過程中不會傾倒，得益于它的第一個特性，即定軸性，即當(dāng)陀螺儀軸不受外界力矩影響時，它的方向始終指向初始的恒定位置。
陀螺儀在旋轉(zhuǎn)時，若作用于它的外力的力矩為零，則角動量定理表明，陀螺儀相對于支點的角動量守恒，運動過程中角動量的方向不變。陀螺儀上的每一點都在垂直于旋轉(zhuǎn)軸的平面內(nèi)沿圓周旋轉(zhuǎn)。根據(jù)慣性定律，每個點總是試圖沿圓周的一條切線離開圓周，但所有切線都與圓周本身處于同一平面內(nèi)。因此，每個點在移動時，都盡力停留在垂直于旋轉(zhuǎn)軸的平面上。
陀螺儀軸穩(wěn)定性
2. 漸進(jìn)式
陀螺儀的第二個特性是進(jìn)動。當(dāng)陀螺儀高速旋轉(zhuǎn)時，陀螺儀的中心軸好像在繞著一根直立的桿子旋轉(zhuǎn)。這種高速旋轉(zhuǎn)物體的軸在空間旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象就叫進(jìn)動。這是因為當(dāng)陀螺儀受到重力作用于支點的力矩時，根據(jù)角動量定理，角動量的矢量方向會跟隨陀螺儀的旋轉(zhuǎn)，描繪出一個圓錐體，如下圖所示。
陀螺儀的進(jìn)動
其實，我們在日常生活中經(jīng)常可以看到進(jìn)動現(xiàn)象，比如自行車在行駛過程中，如果稍微傾斜了，只要將車頭稍微轉(zhuǎn)向另一側(cè)，自行車就能保持平衡，這是因為重力在輪胎支點上形成了一個進(jìn)動力矩，使得自行車重新恢復(fù)平衡。
3. 章動
陀螺儀的第三個特性是章動。陀螺儀不可能一直旋轉(zhuǎn)下去，當(dāng)陀螺儀因摩擦而開始慢慢下落時，它所做的運動就是章動。章動是指剛體進(jìn)動時，繞旋轉(zhuǎn)軸的角動量傾斜角的變化。拉丁語中是點頭的意思。陀螺儀進(jìn)動時，陀螺儀的陀螺頭也在點頭。
章動與進(jìn)動之間的關(guān)系
同樣，章動也是天體中很常見的運動，地球也會章動，地球“點頭”一次需要18.6年，中國古代歷法以19年為一章，所以這種運動就叫章動。
對于定軸旋轉(zhuǎn)，垂直于轉(zhuǎn)軸方向的合成外力矩恒為零旋轉(zhuǎn)物體的角動量是恒定的，剛體的轉(zhuǎn)軸始終固定；對于定點旋轉(zhuǎn)，剛體的進(jìn)動與垂直于轉(zhuǎn)軸方向的合成外力矩有關(guān)。當(dāng)定點旋轉(zhuǎn)剛體在垂直于進(jìn)動方向有微小的偏差時，剛體在進(jìn)動的同時就會伴隨類似簡諧振動的章動。[1]易厚暉，姚艷麗.從陀螺儀進(jìn)動與章動分析談大學(xué)物理中剛體部分的教學(xué)[J].師范大學(xué)理科學(xué)報，2016，36(10):43-45+54.
IMU 中的陀螺儀角度數(shù)據(jù)
IMU數(shù)據(jù)主要包括航向角（Phi）、俯仰角（Omega）、滾轉(zhuǎn)角（Kappa）三個數(shù)據(jù)。
1. 航向角（Phi）：飛機(jī)或航天飛機(jī)的縱軸與地球北極之間的角度。
2、俯仰角（Omega）：平行于機(jī)身軸線并指向飛機(jī)前方的矢量與地面之間的夾角。
3、橫滾角（Kappa）：橫滾角又稱側(cè)滾角，是光軸與十圓之間的夾角。
往期亮點：
如果你覺得有用，請