电子陀螺仪原理与构造（惯性导航重要元器件）

陀螺仪可算是非常复杂的物体，因为它们以独特的方式运动，甚至像在抵抗重力。正是这些特殊属性使其在各个方面（包括自行车和宇宙飞船上的先进导航系统）都有极为重要的用途。一般的飞机要用约10 多个陀螺仪，遍布在罗盘和自动驾驶仪等各个地方。俄罗斯米尔 空间站（Russian Mir space station）曾使用 11 个陀螺仪保持其方 向对准太阳。哈勃太空望远镜也安装了大量导航陀螺仪。同样，陀螺 效应对溜溜球和飞盘等玩具也至关重要。在本文中，我们将了解陀螺仪的应用为何如此广泛，以及它们的奇妙 运动的成因！

陀螺效应：进动

如果您玩过陀螺玩具，就知道它能表演各种各样有趣的绝技。陀螺能 在细线或手指上保持平衡；能以非常奇妙的方式抵制自转轴运动；但最有趣的陀螺效应还数进动。这是陀螺仪抵抗重力的表现。根据这一原理，回转的自行车轮能够像下图所示的那样悬在空中：

陀螺仪“抵抗重力”的能力令人莫名惊诧！它是怎么做到的？

这种神秘的效应就是“进动”。一般情况下，进动的发生过程是：如 果有一个陀螺仪正在旋转，而您施力转动它的自转轴，则陀螺仪反而 会围绕与力轴成直角的轴转动，如下列图形所示：

图 1 中，陀螺仪正围绕自己的轴旋转。图 2 中，施力转动陀螺仪的自转轴。图 3 中，陀螺仪沿着与输入力方向垂直的轴对输入力做出反应。

那么，为何会发生进动呢？

进动产生的原因

陀螺仪为何会发生这种运动？自行车车轮的轮轴居然能像前面图形 所示的那样悬在空中，看上去简直不可思议。不过，只要想想陀螺仪 在旋转时不同部位实际上都发生了什么，就会明白这种运动完全正 常！让我们研究一下陀螺仪旋转时的两个小部位——顶端和底端，如图所 示：

向轮轴施力时，标示的两点会倾向于朝图中指示的方向运动

如图所示，在向轮轴施力时，陀螺仪的顶端部位将试图向左运动，而 底端部位则试图向右运动。如果陀螺仪没有旋转，则车轮会倒下。如 果陀螺仪正在旋转，那么试想一下这两个部位都发生了什么：牛顿第 一运动定律指出，运动中的物体会持续沿直线匀速运动，直到受到不 平衡力的作用为止。因此，陀螺仪顶点受施加到轮轴的力的作用，开 始向左运动。根据牛顿第一运动定律，它会继续向左运动，但在陀螺仪的自转作用下又开始旋转，如下图所示：

两个点一边旋转，一边继续原来的运动

这种效应就是进动的成因。陀螺仪的不同部位在同一点受力，但随后 又转动到新的位置！当陀螺仪顶端的部位向一侧转动 90 度时，会由 于惯性而继续保持向左运动的状态。底端的部位也是如此——向一侧 转动 90 度时，会由于惯性而继续保持向右运动的状态。这些力沿进动方向转动车轮。当标示的点继续转动的角度超过 90 度时，原来的 运动就停止了，于是陀螺仪的轴悬在空中并开始进动。经过这样一番研究，您就明白进动一点都不神秘了，它完全符合物理定律！

陀螺仪的应用

总的来说，进动效应就是一旦开始旋转陀螺仪，它的轴就总是试图指 往同一方向。的确，只要将陀螺仪放在一套平衡环中，它就能持续指向同一方向。这也是陀螺罗经的基本原理。

如果在一个平台上装两个陀螺仪，并让它们的轴互成直角，然后把平 台放入一套平衡环中，那么无论平衡环怎样转动，平台都将完全保持稳定。这是惯性导航系统（inertial navigation systems，即 INS）的基本原理。

在 INS 中，平衡环轴上的传感器会探测平台的转动。INS 通过这些信 号获悉交通工具相对于平台的转动。如果为平台添加一套带有三个敏 感加速计的装置，就能准确辨别交通工具驶向何方，及其在所有三个 方向的运动变化。有了此信息，飞机的自动驾驶仪就能使飞机沿航线 飞行，火箭的导航系统就能让火箭进入理想轨道！