陀螺儀簡介陀螺儀簡介【編輯此段】繞壹個支點高速旋轉的剛體叫做陀螺。通常陀螺是對稱陀螺，是質量分布均勻、軸對稱形狀的剛體，其幾何對稱軸是其旋轉軸。它是從蒼蠅的後翅仿生而來的(專門作為平衡桿)。在壹定的初始條件和壹定的外力矩下，陀螺會同時保持繞另壹個固定軸旋轉，這就是陀螺的進動，也叫陀螺效應。很多人小時候玩陀螺是日常生活中常見的現象。陀螺儀是人們利用陀螺的機械特性制成的壹種具有各種功能的陀螺器件，廣泛應用於科學、技術、軍事等領域。例如:陀螺羅盤、方向指示器、炮彈的傾覆、陀螺儀的章動、地球在太陽(月亮)引力下的歲差(進動)等等。陀螺儀的原理【編輯此段】陀螺儀的原理是旋轉物體的轉軸在不受外力作用時所指向的方向不會改變。根據這個道理，人們用它來保持方向，做出來的東西叫陀螺儀。我們騎自行車的時候其實用的就是這個原理。輪子轉得越快，就越不容易掉下來，因為車軸有保持水平的力。陀螺儀工作時要給它壹個力，讓它快速旋轉，壹般可以達到每分鐘幾十萬轉，可以長時間工作。然後通過各種方法讀取軸指示的方向，數據信號自動傳輸到控制系統。現代陀螺儀【編輯此段】現代陀螺儀是壹種能夠精確確定運動物體方位的儀器。它是現代航空、航海、航天和國防工業中廣泛使用的慣性導航儀器，它的發展對壹個國家的工業、國防和其他高技術的發展具有重要的戰略意義。傳統的慣性陀螺儀主要是指機械陀螺儀，對工藝結構要求高，結構復雜，精度受到多方面的制約。自20世紀70年代以來，現代陀螺儀的發展進入了壹個新階段。1976等人提出了現代光纖陀螺的基本思想。80年代以後，現代光纖陀螺發展非常迅速，與此同時，激光諧振陀螺也有了很大發展。由於光纖陀螺具有結構緊湊、靈敏度高、工作可靠等優點，在許多領域已經完全取代了傳統的機械陀螺，成為現代導航儀器中的關鍵部件。伴隨著光纖陀螺的發展，不僅有環形激光陀螺，還有現代集成振動陀螺，集成度更高，體積更小，也是現代陀螺的壹個重要發展方向。現代光纖陀螺包括幹涉型陀螺和諧振型陀螺，這兩種陀螺都是根據塞格尼克的理論發展起來的。塞格尼克理論的要點是這樣的:當光束在環形通道中傳播時，如果環形通道本身具有旋轉速度，那麽光束在通道旋轉方向上的傳播時間要比在相反方向上的傳播時間長。也就是說，當光學回路旋轉時，光學回路的光路會相對於靜止時回路的光路在不同的方向上發生變化。利用這種光路的變化，如果通過幹涉不同方向前進的光來測量環路的轉速，就可以制造出幹涉型光纖陀螺。如果利用這種光程的變化，即通過調節光纖環路中光的諧振頻率，然後測量環路的轉速來實現環路中循環光之間的幹涉，就可以制造出諧振式光纖陀螺。從這個簡單的介紹可以看出，幹涉型陀螺儀的光程差較小，所以它要求的光源可以有較大的光譜寬度，而諧振型陀螺儀的光程差較大，所以它要求的光源必須具有良好的單色性。陀螺儀的用途[編輯此段]陀螺儀是壹種古老而又至關重要的儀器。第壹臺真正實用的陀螺儀器問世已經半個多世紀了，但直到現在，它仍然在吸引著人們對它的研究，這是由它自身的特點決定的。陀螺儀最重要的基本特性是穩定性和進動性。人們早就從孩子們玩的地面陀螺儀中發現，高速旋轉的陀螺儀能保持垂直，與地面垂直，這反映了陀螺儀的穩定性。研究陀螺儀運動特性的理論是剛體繞定點運動動力學的壹個分支，以物體的慣性為基礎研究旋轉物體的動力學特性。陀螺儀器最早用於導航，但隨著科學技術的發展，它也被廣泛應用於航空和航天領域。陀螺儀表不僅可以作為指示器，更重要的是可以作為自動控制系統中的敏感元件，即作為信號傳感器。陀螺儀表可以根據需要提供精確的方位、水平、位置、速度、加速度等信號，以便飛行員或自動導航員控制飛機、船舶或航天飛機沿壹定路線飛行。在導彈、衛星運載器或空間探測火箭的制導中，這些信號被直接用來完成導航體的姿態控制和軌道控制。陀螺儀表作為穩定器，可以使列車在單軌上運行，減少船舶在風浪中的搖擺，使安裝在飛機或衛星上的攝像機相對於地面穩定。陀螺儀器作為壹種精密測試儀器，可以為地面設施、礦井隧道、地下鐵路、石油鉆井、導彈發射井等提供精確的方位參考。可見，陀螺儀器的應用範圍相當廣泛，在現代國防建設和國民經濟建設中發揮著重要作用。陀螺儀的基本組成部分【編輯此段】從力學角度近似分析陀螺儀的運動時，可將其視為剛體。
從指南針到現代的陀螺羅盤有什麽歷史？中國在四千多年前的黃帝時代就發明了指南針，戰國時期就開始使用新浪。大約在公元前1世紀，中國巫師用壹個北鬥七星形狀的磁鐵礦制成的勺子，放在壹個光滑的銅天盤上，用來指示北極。大約在公元1090年，中國航海家將指南針應用於航海實踐。歐洲直到公元11世紀才學會制作指南針。公元1190年，意大利航海家開始用壹碗水漂提起壹根鐵針，用磁鐵礦或天然磁鐵將鐵針磁化，根據鐵針偏轉的方向來檢驗自己對方向的估計是否正確。到了1250年左右，這種東西已經發展成了航海羅盤，由玻璃盒子裏的刻度和支撐軸上處於平衡狀態的指針組成。白天指示水平方向，晚上放在有燈光的羅盤櫃裏。14世紀初，意大利人喬亞(Gioia)首次將紙做的定向表盤與磁針連接起來進行傳動。這是磁羅盤發展的壹次飛躍。從此船不用手動轉羅盤了。16世紀，意大利人卡爾登做了壹個平衡環，當船搖晃時，它能使磁羅盤保持水平。陀螺羅盤，也叫陀螺羅盤，是壹種提供真北參考的指向儀器。它是根據法國學者福柯1852提出的利用陀螺儀作為指向儀器的原理制作的。陀螺羅盤有兩個優點:不會因為接近金屬而偏轉，指向真北而不是磁北。現代電羅經由主羅經和輔助儀器組成，正朝著體積小、重量輕、壽命長、維修方便、操作簡單、適用於大、中、小型船舶的方向發展。其敏感部件壹般做成密封球體，用特殊液體支撐，以提高其精度和可靠性。無論是它在惡劣環境條件下的可靠性，還是它的準確性，都遠遠超出了當年的指南針。
關於陀螺儀的起源、歷史和發展沒有詳細的記載，但在新石器時代遺址中已有陀螺儀出土，如江蘇常州出土的新石器時代馬家窯文化木制陀螺儀和山西龍山文化遺址出土的陶制陀螺儀。目前的文史記載，大多是從宋代出現的壹種類似陀螺的玩具開始，叫做“千千”(或稱千千車)；那是壹個圓盤狀的物體，中心軸(鐵做的)長約壹英寸(直徑約四英寸)，用手在圓盤內扭動，比拼誰轉的時間長。這是當時在皇宮後院的嬪妃和宮女用來打發寂寞時光的遊戲之壹。臺灣故宮博物院所藏宋代蘇漢臣的《嬰戲圖》(凱豐人，北宋時曾在惠宗宣和畫院當侍者，師從擅長講解道教人物畫尤其是嬰戲圖的柳宗谷)，圖前有兩個小孩在玩壹個陀螺，也證實了當時確實有壹個倒鐘形的陀螺。從圖片上看，當時的陀螺應該是木頭做的，像個圓錐體，用的。當它慢下來的時候，用繩子不斷拍打它的側面，這樣它就可以壹直轉。時至今日，大陸北方的孩子們在冬天和早春仍然很受歡迎，尤其是在厚厚的冰面上投擲和玩耍，更是其樂無窮。在蘇漢臣的另壹幅作品《秋庭戲嬰》中，有壹個推棗磨的道具。這是壹個旋轉和平衡的遊戲。誰能保持棗磨平衡，轉的時間長，誰就贏了。這幅畫也可以證明當時有多種類型的陀螺玩具。據明代《帝都風光略》記載，陀螺似小空鐘，木質，實心，無柄。它身上纏著壹條沒有竹尺的鞭子繩，在地下突出，它的鞭子急拉。當妳按下按鈕時，陀螺轉動，沒有聲音。慢慢來壹鞭，就沒有回頭路了。轉著病，就像卓立的地面，頂光旋轉，影子不動。對其小空鐘形、中間無柄、鞭上繞繩的描述，證明明末的陀螺與今天的鞭陀螺無異。劉冬《楊柳火》詩中寫道:楊柳火，鞭首陀羅，“陀螺”壹詞正式出現在這個時期。也被稱為“叛徒”
關於陀螺的起源、歷史和發展，由於歷史久遠，沒有詳細的資料記錄可供進壹步考慮。陀螺最早出現在後魏時期的史籍中，當時稱為獨樂。在壹般的書籍或者網上的資料查詢中，我們可以知道，在宋朝的時候，有壹個類似陀螺遊戲的小玩意，名叫千千，類似於今天的手扭陀螺造型。它由象牙制成，圓盤直徑約4英寸，中心插有壹根鐵針作為軸心。這是古代女仆用來打發時間的貴族遊戲。它的玩法是將壹個長約3厘米的針狀物體放入壹個象牙盤中，用手扭動。
陀螺的發展歷史陀螺又稱sudra，是壹種很受歡迎的兒童玩具。它的基本形式是把木頭切割成壹個圓錐面，底部平底，尖尖的，更優雅壹點的是在尖尖的腳處安裝了壹個鋼球。常見的玩法是用小鞭子的尖端纏在它的腰上，然後用力拉使它旋轉，再不斷地抽打使它旋轉。所以，每當人們把這種遊戲叫做旋轉陀螺或者鞭打陀螺的時候，在南北方城鄉的頑童們的嘴裏，也有壹些帶有邪惡意味的常用名稱，比如“鞭打廉價骨頭”、“打懶婆娘”、“打冰猴”。
和陀螺昵稱五顏六色的現象形成對比，關於這個遊戲的時間和演變也有很多看法。
有人推測陀螺儀的發明和發展經歷了手旋陀螺儀、鞭旋陀螺儀和鳴鐘陀螺儀(即“空鐘”)三個階段。壹個旋轉的陀螺是壹個圓盤，圓盤的中心穿過軸，然後用手轉動軸，使圓盤旋轉，就是宋《老武林》中所載的“千千大車、輪盤”等“兒戲之物”。據杭世俊《道堂集》記載，這種手搖陀螺在明代成為朝廷喜愛的遊戲，被稱為“妝場”。除了讓它更優雅之外，還有壹種新玩法:當它慢下來，有停下或傾斜的危險時，允許用袖子擦，也就是用外力補救。誰轉的時間長誰就贏，遊戲規則是不允許轉出事先劃定的界限。這個“袖擊”動作後來變成了小繩鞭。寫於明末的《京師風光略》壹書，曾經記載了當時北京流行的壹首童謠:“劉洋二活畫陀螺”，並介紹了具體的玩法，與現代的鞭撻陀螺壹模壹樣。據此可以推斷，手搖陀螺產生於宋代，最後在明代“妝場”轉場後發展為鞭旋陀螺，其具體時間約為明代中期或以後。
還有壹個人引用了唐代文學家袁捷寫的《惡圈》:“紫苑家有個奶媽，是個哄寶寶的轉器，寶寶開心。媽媽們把孩子和孩子聚集在壹起，幫助嬰兒享受生活……”這個“旋轉裝置”能產生“聚兒聚女”的效果，說明玩起來很吸引人，估計是個旋轉陀螺之類的。這樣手紡陀螺的產生時間可以往前推幾百年。
還有人指出:“首陀羅最遲在宋代就已十分流行，宋人留下的畫中可見首陀羅和小鞭，證明當時首陀羅的形狀與現在基本相同”(王連海《中國民間玩具簡史》，北京工藝美術出版社，1997)。可惜的是，關於他們所依據的畫作，評論家們並沒有給出具體的解釋。
另外，有人認為陀螺儀的發明和發展應該是先有鞭旋陀螺儀，後有手旋陀螺儀和鳴陀螺儀，而鞭旋陀螺儀早在原始社會就已經出現，其依據是20世紀20年代李記和袁敦禮提出的壹份題為《尹喜村史前遺存》的考古報告。報道稱，陜西夏縣尹喜村仰韶文化遺址出土了壹個小型陶瓷陀螺。這種“小型陶瓷陀螺”的形狀和用途是否可以應用到玩具遊戲的概念中，因為實物的丟失，似乎很難找到答案。如果這個實現了，陀螺生產的時間至少可以往前推四千年。至於手旋陀螺，批評者認為是在原始社會的鞭旋陀螺基礎上發展而來的。最初的制作方法是選擇壹個重量較大的方孔，在孔內固定壹個長度約壹分鐘的竹柄。雖然中國文獻中沒有這種遊戲的記載，但毫無疑問，這種遊戲壹定是在錢幣出現之後才出現的。最後發明了會唱歌的陀螺，但時間不晚於五代。日本史料證明了這壹點:日本遊戲的作者發現“念都樂”是“從中國經朝鮮”來到日本的。所謂“獨樂”就是唱歌的陀螺，“念”就是唱歌，“獨樂”和“陀螺”的聲音差不多；據《日本人名集抄》記載，其原譯名為《辨色》。該書是日本成平年間(931-938)出版的，因此推斷我國出口朝鮮和日本的唱歌陀螺是在931年(後唐明帝長興二年)之前。總之，這些資料可以彌補我國宋代以前文獻的損失(狄華《陀螺遊戲出國到韓日》，《中國體育史參考》，第6輯，1958)。
什麽是陀螺儀？陀螺儀是飛機的核心制導設備，原理和日常生活中看到的差不多。無論載體如何運動，陀螺儀都能保持平衡。現代陀螺儀是壹種能精確確定運動物體方位的儀器。是現代航空、航海、航天和國防工業中廣泛使用的慣性導航儀器。它的發展對壹個國家的工業、國防和其他高技術的發展具有重要的戰略意義。傳統的慣性陀螺儀主要是指機械陀螺儀，對工藝結構要求高，結構復雜，精度受到多方面的制約。自20世紀70年代以來，現代陀螺儀的發展進入了壹個新階段。1976等人提出了現代光纖陀螺的基本思想。80年代以後，現代光纖陀螺發展非常迅速，與此同時，激光諧振陀螺也有了很大發展。由於光纖陀螺具有結構緊湊、靈敏度高、工作可靠等優點，在許多領域已經完全取代了傳統的機械陀螺，成為現代導航儀器中的關鍵部件。伴隨著光纖陀螺的發展，不僅有環形激光陀螺，還有現代集成振動陀螺，集成度更高，體積更小，也是現代陀螺的壹個重要發展方向。現代光纖陀螺包括幹涉型陀螺和諧振型陀螺，這兩種陀螺都是根據塞格尼克的理論發展起來的。塞格尼克理論的要點是這樣的:當光束在環形通道中傳播時，如果環形通道本身具有旋轉速度，那麽光束在通道旋轉方向上的傳播時間要比在相反方向上的傳播時間長。也就是說，當光學回路旋轉時，光學回路的光路會相對於靜止時回路的光路在不同的方向上發生變化。利用這種光路的變化，如果通過在不同方向上前進的光之間的幹涉來測量環路的旋轉速度，則可以制造幹涉型光纖陀螺儀。如果利用這種光程的變化，即通過調節光纖環路中光的諧振頻率，然後測量環路的轉速來實現環路中循環光之間的幹涉，就可以制造出諧振式光纖陀螺。從這個簡單的介紹可以看出，幹涉型陀螺儀的光程差較小，所以它要求的光源可以有較大的光譜寬度，而諧振型陀螺儀的光程差較大，所以它要求的光源必須具有良好的單色性。。
從指南針到現代陀螺羅盤的發展歷史是怎樣的？中國在4000多年前的黃帝時代就發明了指南針，戰國時期就使用了“司南”。大約在公元前1世紀，中國巫師用壹個北鬥七星形狀的磁鐵礦制成的勺子，放在壹個光滑的銅天盤上，用來指示北極。大約在公元1090年，中國航海家將指南針應用於航海實踐。
歐洲直到公元11世紀才學會制作指南針。公元1190年，意大利航海家開始用壹碗水漂提起壹根鐵針，用磁鐵礦或天然磁鐵將鐵針磁化，根據鐵針偏轉的方向來檢驗自己對方向的估計是否正確。到了1250左右，這種東西已經發展成了導航羅盤，由玻璃盒子裏的刻度和支撐軸上處於平衡狀態的指針組成。白天指示水平方向，晚上放在有燈光的羅盤櫃裏。
14世紀初，意大利人喬亞(Gioia)首次將紙做的定向表盤與磁針連接起來進行傳動。這是磁羅盤發展的壹次飛躍。從此船不用手動轉羅盤了。16世紀，意大利人卡爾登做了壹個平衡環，當船搖晃時，它能使磁羅盤保持水平。
陀螺羅盤，也叫陀螺羅盤，是壹種提供真北參考的指向儀器。它是根據法國學者福柯1852提出的利用陀螺儀作為指向儀器的原理制作的。陀螺羅盤有兩個優點:不會因為接近金屬而偏轉，指向真北而不是磁北。現代羅經由主羅經和輔助儀器組成，正朝著體積小、重量輕、壽命長、維修方便、操作簡單、適用於大、中、小型船舶的方向發展。其敏感部件壹般做成密封球體，用特殊液體支撐，以提高其精度和可靠性。無論是它在惡劣環境條件下的可靠性，還是它的準確性，都遠遠超出了當年的指南針。
有人知道慣性導航技術發展的歷史進程嗎？從廣義上講，引導導航載體從起點到目的地的過程稱為導航。狹義的導航是指向導航載體提供實時姿態、速度和位置信息的技術和方法。早期，人們依靠地磁場、星光、太陽高度等天文和地理方法獲取定位和方位信息。隨著科學技術的發展，無線電導航、慣性導航、衛星導航等技術相繼問世，並廣泛應用於軍事和民用領域。其中，慣性導航是利用載體上裝載的陀螺儀和加速度計來確定載體的姿態、速度、位置等信息的技術方法。實現慣性導航的軟硬件設備稱為慣性導航系統，簡稱慣性導航系統。
捷聯慣導系統是將加速度計和陀螺儀直接安裝在載體上，在計算機中實時計算姿態矩陣，即計算載體坐標系和導航坐標系的關系，從而將載體坐標系中的加速度計信息轉換為導航坐標系中的信息，進而進行導航計算。由於捷聯慣導系統具有可靠性高、功能強、重量輕、成本低、精度高、使用靈活等優點，已成為慣性導航系統的主流。捷聯慣性測量單元(IMU)是慣性導航系統的核心部件，IMU輸出信息的精度很大程度上決定了系統的精度。
陀螺儀和加速度計是慣性導航系統中不可缺少的核心測量器件。現代高精度慣性導航系統對陀螺儀和加速度計提出了很高的要求，因為陀螺儀的漂移誤差和加速度計的零偏是影響慣性導航系統精度的最直接、最重要的因素。因此，如何提高慣性器件的性能，提高慣性器件的測量精度，尤其是陀螺儀的測量精度，壹直是慣性導航領域研究的重點。陀螺儀的發展經歷了幾個階段。原始球軸承陀螺儀的漂移速率為(L-2)/h，通過克服慣性儀表支撐技術研制的氣浮、液浮和磁浮陀螺儀的精度可達0.001/h·h，而靜電支撐陀螺儀的精度可優於0.0001/h·h..自20世紀60年代以來，撓性陀螺的研究和發展就開始了，其漂移精度優於0.05°/h，最好的水平可以達到0.001°/h..
1960激光陀螺的首次研制成功，標誌著光學陀螺開始主導陀螺市場。目前激光陀螺的零偏穩定度最高可以達到0.0005°/h，而激光陀螺面臨的最大問題是制造工藝復雜，導致成本高，同時體積和重量過大，在壹定程度上限制了其在壹些領域的發展和應用，也推動了激光陀螺向低成本、小型化和三軸集成方向發展。另壹種光學陀螺——光纖陀螺不僅具有激光陀螺的許多優點，而且具有制造工藝簡單、成本低、重量輕的特點，正在成為目前發展最快的光學陀螺。
中國的發展
編輯
中國的慣性導航技術近年來取得了長足的進步。液浮陀螺平臺慣性導航系統和動力調諧陀螺四軸平臺系統已應用於長征系列運載火箭。其他種類的小型化捷聯慣性導航、光纖陀螺慣性導航、激光陀螺慣性導航和GPS改進型慣性導航裝置也已廣泛應用於戰術制導武器、飛機、艦船、運載火箭、航天器等。例如，漂移率為0.01 ~ 0.02/h的新型激光陀螺捷聯系統在新型戰機上測試，漂移率低於0.05/h的光纖陀螺，捷聯慣性導航在艦船、潛艇上的應用，小型化柔性捷聯慣性導航在各種導彈制導武器上的應用，極大地提高了我軍裝備的性能。
微機電系統發展概述根據近幾年國內文獻，目前國內慣性導航研究中使用的陀螺儀按結構大致可分為三類:機械陀螺儀、光學陀螺儀和微機電系統。機械陀螺是指利用高速轉子轉軸的穩定性來測量載體正確方位的角度傳感器。1910年以來，人們探索了多種機械陀螺儀。液浮陀螺儀、動力調諧陀螺儀和靜電陀螺儀是三種技術成熟的剛體轉子陀螺儀，其精度範圍從10E-6度/小時到10e-4度/小時，在精密儀器領域達到較高水平。1965年，中國清華大學首先開始研制靜電陀螺儀，應用背景是“高精度船用INS”。1967-1990，清華大學，常州航海儀器廠，上海交通大學等。已成功研制出靜電陀螺工程樣機，其零偏漂移誤差小於0.5°/h，隨機漂移誤差小於0.001°/h·h，中、美、俄並列為世界上掌握靜電陀螺技術的國家。隨著光電技術的發展，激光陀螺和光纖陀螺應運而生。與激光陀螺相比，光纖陀螺成本更低，更適合批量生產。我國對光纖陀螺的研究起步較晚，但已經取得了許多可喜的成果。航天科工集團、航天科技集團、浙江大學、北方交通大學、北航等單位先後開展了光纖陀螺的研究。從目前掌握的信息來看，國產光纖陀螺的研制精度已經達到慣性導航系統的中低精度要求，有些技術甚至達到了國外同類產品的水平。20世紀以來，由於電子技術和微加工技術的發展，MEMS陀螺儀已經成為現實。自20世紀90年代以來，MEMS陀螺儀在民用產品中得到了廣泛應用，其中壹部分應用於低精度慣性導航產品中。我國MEMS陀螺儀的研究始於1989，現在已經研制出了幾百微米的靜電電機和3毫米的壓電電機。清華大學導航與控制教研組的陀螺技術非常成熟，掌握了微機械加工和光波導陀螺技術。目前，微陀螺樣機已經制作完成，並獲得了壹些數據。東南大學精密儀器與機械系科學研究中心還壹直在開發和研究關鍵部件、微機電系統和新型慣性器件和GPS組合導航系統，滿足軍民兩用市場的需求。總之，隨著科技的發展，相對於靜電陀螺儀的高成本，成本更低的光纖陀螺儀和微機械陀螺儀的精度越來越高，這是未來陀螺儀技術發展的大趨勢。。