紙|傳感器技術(shù)

我們對(duì)陀螺儀的起源、原理和類(lèi)型有一個(gè)大致的了解。那么，它與我們的日常生活有什么關(guān)系呢？

陀螺儀器最初用于導(dǎo)航，但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在航空空和航天工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。陀螺儀不僅可以用作指示儀器，還可以用作自動(dòng)控制系統(tǒng)中的敏感元件，即信號(hào)傳感器。

陀螺儀可以根據(jù)需要提供方位、水平、位置、速度、加速度等精確信號(hào)，使飛行員或自動(dòng)導(dǎo)航員控制飛機(jī)、船舶或航天飛機(jī)沿一定路線(xiàn)飛行。在導(dǎo)彈、衛(wèi)星運(yùn)載器或空探空火箭的制導(dǎo)中，這些信號(hào)可以直接用來(lái)完成飛行器的姿態(tài)控制和軌道控制。

陀螺儀作為穩(wěn)定器，可以使列車(chē)在單軌上運(yùn)行，減小船舶在風(fēng)浪中的搖擺，使安裝在飛機(jī)或衛(wèi)星上的攝像機(jī)相對(duì)于地面穩(wěn)定。陀螺儀作為一種精密測(cè)試儀器，可以為地面設(shè)施、礦山隧道、地下鐵路、石油鉆井和導(dǎo)彈發(fā)射井提供精確的方位參考。

陀螺儀應(yīng)用廣泛，在現(xiàn)代國(guó)防建設(shè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮著重要作用。

陀螺儀在航空空飛行領(lǐng)域的應(yīng)用

由于各種電子設(shè)備和計(jì)算機(jī)控制的高科技發(fā)展，現(xiàn)代各種飛機(jī)的設(shè)計(jì)大多是靜態(tài)的、不穩(wěn)定的，因此需要利用電子設(shè)備和計(jì)算機(jī)輔助控制，使飛機(jī)實(shí)現(xiàn)良好的飛行控制。

僅僅靠飛行員的手指控制這種飛機(jī)會(huì)更加困難。飛機(jī)雖然還能飛，但會(huì)有不同程度的擺動(dòng)，始終處于不穩(wěn)定的飛行狀態(tài)。有時(shí)重心設(shè)置不準(zhǔn)，略有差異，會(huì)使飛行不穩(wěn)定。

空中有各種湍流，也會(huì)使飛機(jī)的飛行不穩(wěn)定。這時(shí)候用陀螺儀增加穩(wěn)定性，飛機(jī)會(huì)一直平穩(wěn)飛行，讓飛行員感覺(jué)更容易操控飛機(jī)，各種動(dòng)作也更規(guī)范。

陀螺儀讓飛行員覺(jué)得最明顯的是降落的時(shí)候，最需要陀螺儀幫助的是飛機(jī)的降落。由于著陸飛機(jī)由于速度較慢，在失速點(diǎn)附近，更容易受到風(fēng)的影響，導(dǎo)致機(jī)翼上下抖動(dòng)。這時(shí)候就需要用手指不斷調(diào)整飛機(jī)的姿態(tài)，保持水平，逐漸降低高度。很多新手飛行員有時(shí)候會(huì)做太多的修正，導(dǎo)致飛機(jī)抖動(dòng)更多，容易進(jìn)入失速，導(dǎo)致著陸失敗。

但如果為了增加穩(wěn)定性而開(kāi)啟陀螺儀，由于陀螺儀的傳感器非常靈敏，機(jī)翼稍微下壓，陀螺儀立刻發(fā)出指令，打副翼，使飛機(jī)水平返回。這個(gè)過(guò)程發(fā)生得如此之快，以至于你可能看不到機(jī)翼下壓已經(jīng)被陀螺儀校正了。所以你會(huì)看到飛機(jī)一直保持水平穩(wěn)定，逐漸下降高度，對(duì)飛行員幫助很大。

對(duì)于戰(zhàn)斗機(jī)飛行員來(lái)說(shuō)，陀螺儀的鎖定功能會(huì)大大增加飛行的樂(lè)趣。比如超低空反向飛行過(guò)場(chǎng)的情況下，當(dāng)飛機(jī)性能良好或調(diào)整后，即使不動(dòng)升降舵，飛機(jī)也能保持向前飛行。但是飛機(jī)向后飛的時(shí)候，通常需要稍微推一下升降舵才能保持向后飛。如果不是極其熟練，手指很難保持推舵量不變，使飛機(jī)保持同一個(gè)直線(xiàn)向后飛行。

這就是為什么大部分人敢做超低空前飛不敢做超低空反飛，或者說(shuō)在前飛敢做很低但在反飛不敢做很低，因?yàn)樵陲w行的時(shí)候可以保持直線(xiàn)飛行不動(dòng)手指，而在反飛的時(shí)候手指要一直推舵面。飛機(jī)速度快，高度低，稍有動(dòng)靜他們就可能觸地炸雞。這是使用陀螺儀的鎖定狀態(tài)，所以變得非常容易。

因?yàn)樵诘癸w狀態(tài)下，陀螺儀會(huì)自動(dòng)鎖定倒飛姿態(tài)，升降舵操縱桿不會(huì)在中間移動(dòng)，陀螺儀會(huì)自動(dòng)保持飛機(jī)直線(xiàn)倒飛狀態(tài)，不用擔(dān)心手指推動(dòng)的方向舵量是否準(zhǔn)確。然后就可以安全的控制跑道遠(yuǎn)端的飛機(jī)進(jìn)入超低空倒飛通過(guò)狀態(tài)，然后就可以在沒(méi)有太多控制的情況下保持飛機(jī)超低空倒飛通過(guò)狀態(tài)。

陀螺儀在車(chē)輛導(dǎo)航設(shè)備中的應(yīng)用

車(chē)載導(dǎo)航是在接收到GPS衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行成功定位后，確定目標(biāo)，然后根據(jù)導(dǎo)航軟件帶來(lái)的數(shù)據(jù)庫(kù)規(guī)劃路線(xiàn)，再進(jìn)行導(dǎo)航。因?yàn)镚PS要求車(chē)輛導(dǎo)航系統(tǒng)在同步衛(wèi)星的直接視線(xiàn)內(nèi)工作，隧道、橋梁或高層建筑都會(huì)遮擋這種直接視線(xiàn)，使導(dǎo)航系統(tǒng)無(wú)法工作。

再者，導(dǎo)航系統(tǒng)利用三角形和幾何定律計(jì)算汽車(chē)的位置，因此汽車(chē)必須同時(shí)在至少三顆同步衛(wèi)星的視線(xiàn)下才能確定位置。導(dǎo)航系統(tǒng)的直接視線(xiàn)中同步衛(wèi)星越多，定位就越精確。

當(dāng)然，大多數(shù)同步衛(wèi)星都位于人口密集的大都市空，所以當(dāng)你遠(yuǎn)離市區(qū)的時(shí)候，導(dǎo)航系統(tǒng)就不會(huì)很好的工作，甚至根本無(wú)法工作。這就是所謂的“導(dǎo)航盲區(qū)”。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，一些導(dǎo)航廠商找到了解決方案，實(shí)現(xiàn)精確導(dǎo)航的秘訣在于一個(gè)小東西——陀螺儀。

陀螺儀應(yīng)用于車(chē)輛導(dǎo)航時(shí)，導(dǎo)航精度大大提高。其功能如下:

1.陀螺儀可以在GPS信號(hào)不好的情況下繼續(xù)發(fā)揮導(dǎo)航的作用，糾正GPS定位不準(zhǔn)確的問(wèn)題

在GPS信號(hào)不好的情況下，陀螺儀可以根據(jù)已知的方位、方向和速度繼續(xù)精確導(dǎo)航，這也是慣性導(dǎo)航技術(shù)的基本原理。同時(shí)也可以在GPS信號(hào)不好的情況下，糾正定位偏差過(guò)大的問(wèn)題。

2.陀螺儀可以提供比全球定位系統(tǒng)更靈敏和準(zhǔn)確的方向和速度

GPS不能馬上發(fā)現(xiàn)你車(chē)的速度和方向的變化，要跑很長(zhǎng)一段距離才能檢測(cè)到。因此，當(dāng)你的車(chē)在沒(méi)有導(dǎo)航的情況下改變方向時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)像陳驍那樣的情況，導(dǎo)航無(wú)法識(shí)別你車(chē)的轉(zhuǎn)向，從而導(dǎo)致方向錯(cuò)誤。陀螺儀可以在方向和速度發(fā)生變化時(shí)立即進(jìn)行測(cè)量，以便導(dǎo)航軟件能夠及時(shí)修改導(dǎo)航路線(xiàn)

3.陀螺儀在立交橋上更靈敏、更準(zhǔn)確

民用GPS的精度無(wú)法識(shí)別汽車(chē)是否上移，但陀螺儀可以檢測(cè)汽車(chē)是否上移，以便導(dǎo)航軟件及時(shí)修改導(dǎo)航路線(xiàn)。依靠GPS衛(wèi)星信號(hào)導(dǎo)航和陀螺慣性導(dǎo)航，有效提高了導(dǎo)航精度。即使失去GPS信號(hào)，系統(tǒng)也可以通過(guò)自主計(jì)算繼續(xù)導(dǎo)航，為車(chē)主提供準(zhǔn)確的駕駛指令。

陀螺儀在無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)是其最重要的組成部分之一，穩(wěn)定的姿態(tài)控制是無(wú)人機(jī)成功完成各項(xiàng)任務(wù)的有效方法。目前，在無(wú)人機(jī)的實(shí)際制造和應(yīng)用中，一些無(wú)人機(jī)產(chǎn)品是基于三軸陀螺儀和傾斜傳感器組成的全姿態(tài)穩(wěn)定控制系統(tǒng)。

無(wú)人機(jī)姿態(tài)穩(wěn)定控制屬于內(nèi)環(huán)控制，包括姿態(tài)保持與控制、速度控制等模式。內(nèi)環(huán)控制是在利用三軸陀螺儀和傾角傳感器獲得無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)的基礎(chǔ)上，通過(guò)控制升降舵和方向舵來(lái)穩(wěn)定和控制無(wú)人機(jī)的飛行姿態(tài)。

其中，三軸陀螺儀主要用于測(cè)量無(wú)人機(jī)飛行中俯仰角、滾轉(zhuǎn)角和偏航角的角速度，并根據(jù)角速度積分計(jì)算角度變化。通常，雙軸傾斜傳感器和三軸陀螺儀用于形成完整的姿態(tài)穩(wěn)定控制回路。

利用陀螺儀測(cè)得的角速度信息作為反饋控制，增加穩(wěn)定性，使飛機(jī)運(yùn)行更加“慢”，從而可以通過(guò)傾角傳感器測(cè)量飛機(jī)的滾轉(zhuǎn)角和俯仰角。然后對(duì)陀螺儀測(cè)得的角速度信息和傾角傳感器測(cè)得的姿態(tài)角進(jìn)行捷聯(lián)運(yùn)算，得到融合后的姿態(tài)信息。這種復(fù)雜的捷聯(lián)算法可以大大提高姿態(tài)精度。

陀螺儀在攝影/攝影領(lǐng)域的應(yīng)用

我們拍視頻或者拍照的時(shí)候，有見(jiàn)過(guò)面嗎？通過(guò)一個(gè)裝置，我們可以保證你的“攝像頭”固定在同一個(gè)位置，無(wú)論你的手如何歪斜，身體如何顫抖，都可以讓你的手機(jī)保持相對(duì)穩(wěn)定。眾所周知，只有當(dāng)手機(jī)或相機(jī)相對(duì)“穩(wěn)定”時(shí)，我們才能拍攝出漂亮的圖片或視頻。能讓“相機(jī)穩(wěn)定器”一直保持穩(wěn)定的核心秘密是“加速度和陀螺儀”傳感器。

為什么“加速度和陀螺儀”傳感器是自拍神器的核心秘密？因?yàn)橄鄼C(jī)穩(wěn)定器的核心是檢測(cè)相機(jī)的姿態(tài)，然后根據(jù)相機(jī)的姿態(tài)變化，實(shí)時(shí)控制與相機(jī)相連的電機(jī)做出相應(yīng)的動(dòng)作，只要電機(jī)控制的足夠快，相機(jī)始終可以穩(wěn)定在固定的位置。無(wú)論你的手是左右擺動(dòng)還是上下擺動(dòng)，你的“相機(jī)”都不會(huì)在穩(wěn)拍神器的控制下移動(dòng)，從而拍出穩(wěn)定的照片和畫(huà)面。

穩(wěn)定器的總體框架如下圖所示，其中橙色部分為加速度和陀螺傳感器工作部分。

它將“攝像設(shè)備”的姿態(tài)反饋給中央單片機(jī)處理單元，中央單片機(jī)單元根據(jù)檢測(cè)到的“攝像設(shè)備”的姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)來(lái)控制電機(jī)做相應(yīng)的動(dòng)作。電機(jī)動(dòng)作使攝像設(shè)備保持穩(wěn)定狀態(tài)，使拍攝的照片更加清晰，錄制的視頻更加穩(wěn)定。

陀螺儀在智能手機(jī)中的應(yīng)用

最接近使用陀螺儀的是我們的手機(jī)。陀螺儀在手機(jī)中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

1.導(dǎo)航。

陀螺儀自發(fā)明以來(lái)一直用于導(dǎo)航。首先，德國(guó)人將其應(yīng)用于V1和V2火箭。因此，有了GPS，手機(jī)的導(dǎo)航能力將達(dá)到前所未有的水平。

其實(shí)很多專(zhuān)業(yè)的手持GPS也裝有陀螺儀。如果手機(jī)上安裝了相應(yīng)的軟件，導(dǎo)航能力不亞于很多船舶、飛機(jī)上使用的導(dǎo)航儀。

還可以實(shí)現(xiàn)GPS慣性導(dǎo)航:當(dāng)汽車(chē)行駛在隧道或高層城市建筑附近，沒(méi)有GPS信號(hào)時(shí)，可以通過(guò)陀螺儀測(cè)量汽車(chē)的偏航或直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)位移，從而繼續(xù)導(dǎo)航。

2.可配合手機(jī)上的攝像頭使用，如防抖，拍照時(shí)保持圖像穩(wěn)定，防止手抖影響拍照質(zhì)量。按下快門(mén)時(shí)，記錄手的晃動(dòng)動(dòng)作，并將手的晃動(dòng)動(dòng)作反饋給圖像處理器，讓手機(jī)捕捉到更清晰、更穩(wěn)定的畫(huà)面。

3.各種游戲的傳感器，比如飛行類(lèi)游戲、運(yùn)動(dòng)類(lèi)游戲，甚至一些射擊類(lèi)游戲，從第一視角看，陀螺儀完全監(jiān)控玩家手的位移，從而實(shí)現(xiàn)各種游戲操作效果。關(guān)于這一點(diǎn)，用過(guò)任天堂WII的網(wǎng)友都會(huì)有很深的感觸。

4.它可以用作輸入設(shè)備。陀螺儀相當(dāng)于一個(gè)三維鼠標(biāo)。這個(gè)功能類(lèi)似于第三大應(yīng)用中的游戲傳感器，甚至可以算是一種類(lèi)型。通過(guò)稍微傾斜和偏轉(zhuǎn)手機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)菜單和目錄的選擇以及操作的執(zhí)行。、抗振性能好、啟動(dòng)快、可靠性高、數(shù)字輸出。

此外，一些研究人員還提出用固體增益介質(zhì)代替氦-氖氣體可以使陀螺儀工作時(shí)間更長(zhǎng)、成本更低、制造更簡(jiǎn)單。這種陀螺儀也被稱(chēng)為固態(tài)環(huán)形激光陀螺儀。

目前，基于He-Ne環(huán)形激光陀螺的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航空以及戰(zhàn)略導(dǎo)彈的導(dǎo)航、導(dǎo)航、制導(dǎo)和控制，成為主要的高性能陀螺儀之一。

光纖陀螺儀

自20世紀(jì)60年代以來(lái)，美國(guó)海軍研究辦公室希望開(kāi)發(fā)一種成本更低、制造工藝更簡(jiǎn)單、精度更高的光纖角速度傳感器，而不是通常所說(shuō)的氦氖激光陀螺儀。

目前最常見(jiàn)的光纖陀螺是相敏光纖陀螺，它通過(guò)測(cè)量一個(gè)光纖線(xiàn)圈中兩個(gè)反向傳播光束的相移來(lái)旋轉(zhuǎn)敏感載體，進(jìn)而計(jì)算其角速度。

所以光纖陀螺的精度主要取決于光纖和光電探測(cè)系統(tǒng)的類(lèi)型，偏置值一般在每小時(shí)0.001-0.0002度之間?，F(xiàn)在，光纖陀螺已經(jīng)廣泛應(yīng)用于魚(yú)雷、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、潛艇和航天器。

集成光學(xué)陀螺儀

隨著集成光路的發(fā)展，非常復(fù)雜的功能可以在單個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)。直徑為幾毫米的集成環(huán)形腔激光器和光電檢測(cè)電路可以集成在與集成光學(xué)陀螺敏感元件相同的芯片上，可以大大減小現(xiàn)有光學(xué)陀螺的質(zhì)量和尺寸，降低成本和功耗，更好地控制熱效應(yīng)，提高可靠性。因此，利用集成光學(xué)技術(shù)制造的光學(xué)陀螺具有良好的發(fā)展前景。

目前，集成環(huán)形腔激光器得到了廣泛的研究，但其關(guān)鍵技術(shù)有待突破。

此外，包括核磁共振和超流體在內(nèi)的尖端技術(shù)也已得到驗(yàn)證，并將在未來(lái)應(yīng)用于新的陀螺儀。

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