自平衡“獨輪”摩托車 你敢騎嗎

草原蒙狼

我們曾經為大家介紹過坐在輪子里面駕駛的“獨輪摩托車”，可是像這樣一個只有一個輪子的傳統摩托車，要怎么駕駛呢？
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9 ]8 s  y* Q) B+ H" c6 V這款摩托車同樣有兩個輪子，不過這兩個輪子是并排在一起的，所以從側面看上去就像是一個獨輪摩托車。即便如此，它的平衡問題似乎仍然沒有得到解決。
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7 S2 k) s; S6 H+ R& X其實，這款摩托車是通過內置的一對陀螺儀來實現平衡的，如果你曾經看過我們介紹的“不可思議的平衡機器人”以及“全方位平衡機器人”，相信你會大膽的騎上去。而它的速度則是由傾斜程度來控制的，想要加速則向前傾，減速和后退則像后傾，非常簡單。
4 r8 c5 v% C. o- x) ?$ E! l8 s另外， 120磅的車身重量不僅非常輕便而且能夠減少油耗。
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: V9 K: Z0 M4 T2 d: b8 ^設計師：Ben J. Poss Gulak

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看了很多這類雙輪的、單論的自行車，摩托車，還有機器人，都提到關于“陀螺儀”這一裝置。

& F9 p9 U6 c7 B" O/ W" r% I看來，這是核心部件了啊。

發本貼的目的，不在獵奇，而在討論一下，陀螺儀怎么這么重要？現在都有哪些應用？

草原蒙狼

陀螺儀簡介
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      繞一個支點高速轉動的剛體稱為陀螺(top)。通常所說的陀螺是特指對稱陀螺，它是一個質量均勻分布的、具有軸對稱形狀的剛體，其幾何對稱軸就是它的自轉軸。 由蒼蠅后翅（特化為平衡棒）仿生得來。


　　在一定的初始條件和一定的外在力矩作用下，陀螺會在不停自轉的同時，還繞著另一個固定的轉軸不停地旋轉，這就是陀螺的旋進(precession)，又稱為回轉效應(gyroscopic effect)。陀螺旋進是日常生活中常見的現象，許多人小時候都玩過的陀螺就是一例。
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  L- |8 b1 f/ M. C　　人們利用陀螺的力學性質所制成的各種功能的陀螺裝置稱為陀螺儀(gyroscope)，它在科學、技術、軍事等各個領域有著廣泛的應用。比如：回轉羅盤、定向指示儀、炮彈的翻轉、陀螺的章動、地球在太陽（月球）引力矩作用下的旋進（歲差）等。


. V( w8 h) e; @. J$ _　　陀螺儀的種類很多，按用途來分，它可以分為傳感陀螺儀和指示陀螺儀。傳感陀螺儀用于飛行體運動的自動控制系統中，作為水平、垂直、俯仰、航向和角速度傳感器。指示陀螺儀主要用于飛行狀態的指示，作為駕駛和領航儀表使用。


　　現在的陀螺儀分為，壓電陀螺儀，微機械陀螺儀，光纖陀螺儀，激光陀螺儀，都是電子式的，可以和加速度計，磁阻芯片，GPS，做成慣性導航控制系統，可以參考：http://www.lhy3176.sm160.com/
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草原蒙狼

陀螺儀原理
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     陀螺儀的原理就是，一個旋轉物體的旋轉軸所指的方向在不受外力影響時，是不會改變的。人們根據這個道理，用它來保持方向，制造出來的東西就叫陀螺儀。我們騎自行車其實也是利用了這個原理。輪子轉得越快越不容易倒，因為車軸有一股保持水平的力量。陀螺儀在工作時要給它一個力，使它快速旋轉起來，一般能達到每分鐘幾十萬轉，可以工作很長時間。然后用多種方法讀取軸所指示的方向，并自動將數據信號傳給控制系統。


　在現實生活中，陀螺儀發生的進動是在重力力矩的作用下發生的。

6 ~6 h) R  X7 |1 l& E( J& C現代陀螺儀

現代陀螺儀是一種能夠精確地確定運動物體的方位的儀器，它是現代航空，航海，航天和國防工業中廣泛使用的一種慣性導航儀器，它的發展對一個國家的工業，國防和其它高科技的發展具有十分重要的戰略意義。傳統的慣性陀螺儀主要是指機械式的陀螺儀，機械式的陀螺儀對工藝結構的要求很高，結構復雜，它的精度受到了很多方面的制約。自從上個世紀七十年代以來，現代陀螺儀的發展已經進入了一個全新的階段。1976年 等提出了現代光纖陀螺儀的基本設想，到八十年代以后，現代光纖陀螺儀就得到了非常迅速的發展，與此同時激光諧振陀螺儀也有了很大的發展。由于光纖陀螺儀具有結構緊湊，靈敏度高，工作可靠等等優點，所以目前光纖陀螺儀在很多的領域已經完全取代了機械式的傳統的陀螺儀，成為現代導航儀器中的關鍵部件。和光纖陀螺儀同時發展的除了環式激光陀螺儀外，還有現代集成式的振動陀螺儀，集成式的振動陀螺儀具有更高的集成度，體積更小，也是現代陀螺儀的一個重要的發展方向。


2 m4 |  _3 h6 Z3 {; y　　現代光纖陀螺儀包括干涉式陀螺儀和諧振式陀螺儀兩種，它們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：當光束在一個環形的通道中前進時，如果環形通道本身具有一個轉動速度，那么光線沿著通道轉動的方向前進所需要的時間要比沿著這個通道轉動相反的方向前進所需要的時間要多。也就是說當光學環路轉動時，在不同的前進方向上，光學環路的光程相對于環路在靜止時的光程都會產生變化。利用這種光程的變化，如果使不同方向上前進的光之間產生干涉來測量環路的轉動速度，就可以制造出干涉式光纖陀螺儀，如果利用這種環路光程的變化來實現在環路中不斷循環的光之間的干涉，也就是通過調整光纖環路的光的諧振頻率進而測量環路的轉動速度，就可以制造出諧振式的光纖陀螺儀。從這個簡單的介紹可以看出，干涉式陀螺儀在實現干涉時的光程差小，所以它所要求的光源可以有較大的頻譜寬度，而諧振式的陀螺儀在實現干涉時，它的光程差較大，所以它所要求的光源必須有很好的單色性。

陀螺儀的用途
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5 h8 e& m/ ?" A9 N8 `- }, R0 S陀螺儀是一種既古老而又很有生命力的儀器，從第一臺真正實用的陀螺儀器問世以來已有大半個世紀，但直到現也，陀螺儀仍在吸引著人們對它進行研究，這是由于它本身具有的特性所決定的。陀螺儀最主要的基本特性是它的穩定性和進動性。人們從兒童玩的地陀螺中早就發現高速旋轉的陀螺可以豎直不倒而保持與地面垂直，這就反映了陀螺的穩定性。研究陀螺儀運動特性的理論是繞定點運動剛體動力學的一個分支，它以物體的慣性為基礎，研究旋轉物體的動力學特性。


　　陀螺儀器最早是用于航海導航，但隨著科學技術的發展，它在航空和航天事業中也得到廣泛的應用。陀螺儀器不僅可以作為指示儀表，而更重要的是它可以作為自動控制系統中的一個敏感元件，即可作為信號傳感器。根據需要，陀螺儀器能提供準確的方位、水平、位置、速度和加速度等信號，以便駕駛員或用自動導航儀來控制飛機、艦船或航天飛機等航行體按一定的航線飛行，而在導彈、衛星運載器或空間探測火箭等航行體的制導中，則直接利用這些信號完成航行體的姿態控制和軌道控制。作為穩定器，陀螺儀器能使列車在單軌上行駛，能減小船舶在風浪中的搖擺，能使安裝在飛機或衛星上的照相機相對地面穩定等等。作為精密測試儀器，陀螺儀器能夠為地面設施、礦山隧道、地下鐵路、石油鉆探以及導彈發射井等提供準確的方位基準。由此可見，陀螺儀器的應用范圍是相當廣泛的，它在現代化的國防建設和國民經濟建設中均占重要的地位。
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　　現在廣泛使用的MEMS陀螺（微機械）可應用于航空、航天、航海、兵器、汽車、生物醫學、環境監控等領域。并且MEMS陀螺相比傳統的陀螺有明顯的優勢：


　　1、體積小、重量輕。適合于對安裝空間和重量要求苛刻的場合，例如彈載測量等。
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　　2、低成本。


　　3、高可靠性。內部無轉動部件，全固態裝置，抗大過載沖擊，工作壽命長。
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+ E6 M4 R* h3 `1 s3 r% u, Z/ X　　4、低功耗。
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　　5、大量程。適于高轉速大g值的場合。

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　　6、易于數字化、智能化。可數字輸出，溫度補償，零位校正等。

草原蒙狼

陀螺儀的基本部件

. U$ I# l  O# h( z$ P0 S5 r+ X從力學的觀點近似的分析陀螺的運動時，可以把它看成是一個剛體，剛體上有一個萬向支點，而陀螺可以繞著這個支點作三個自由度的轉動，所以陀螺的運動是屬于剛體繞一個定點的轉動運動。更確切地說，一個繞對稱鈾高速旋轉的飛輪轉子叫陀螺。將陀螺安裝在框架裝置上，使陀螺的自轉軸有角轉動的自由度，這種裝置的總體叫做陀螺儀，

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　　陀螺儀的基本部件有：


　　(1) 陀螺轉子(常采用同步電機、磁滯電機、三相交流電機等拖動方法來使陀螺轉子繞自轉軸高速旋轉，并見其轉速近似為常值)；
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　　(2) 內、外框架(或稱內、外環，它是使陀螺自轉軸獲得所需角轉動自由度的結構)；
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　　(3) 附件(是指力矩馬達、信號傳感器等)。

陀螺儀的基本類型

. {7 l" f. C3 [4 ^根據框架的數目和支承的形式以及附件的性質決定陀螺儀的類型有：
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, H, V/ V+ `; ]" V) n3 l; \　　三自由度陀螺儀(具有內、外兩個框架，使轉子自轉軸具有兩個轉動自由度。在沒有任何力矩裝置時，它就是一個自由陀螺儀)。


　　二自由度陀螺儀(只有一個框架，使轉子自轉軸具有一個轉動自由度)。
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　　根據二自由度陀螺儀中所使用的反作用力矩的性質，可以把這種陀螺儀分成三種類型：
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　　速率陀螺儀(它使用的反作力矩是彈性力矩)；


　　積分陀螺儀(它使用的反作用力矩是阻尼力矩)；
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' g6 g4 v* l$ x  h3 X1 c7 [　　無約束陀螺(它僅有慣性反作用力矩)；

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　　現在，除了機、電框架式陀螺儀以外，還出現了某些新型陀螺儀，如靜電式自由轉子陀螺儀，撓性陀螺儀，激光陀螺儀等。
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  f7 G4 i+ v, l. a$ `二自由度陀螺儀的基本特性
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二自由度陀螺儀的轉子支承在一個框架內，沒有外框架，因而轉子自轉有一個進動自由度，即少了垂直于內框架軸和自轉軸方向的轉動自由度。因此二自由度陀螺儀與三自由度陀螺儀的特性也有所不同。
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& U; k3 O" H; s+ y* i" S　　進動性是三自由度陀螺儀的基本特性之—，當繞內框架軸作用外力矩時，將使高速旋轉的轉子自轉軸產生繞外框架軸的進動，而繞外框架軸作用外力矩時，將使轉子軸產生繞內框架軸的進動。
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$ B4 W7 E# a( N& e8 L. W　　定軸性是三自由度陀螺儀的另一基本特性。無論基座繞陀螺儀自轉軸轉動，還是繞內框架軸或外框架軸方向轉動，都不會直接帶動陀螺轉子一起轉動(指轉子自轉之外的轉動)。由內、外框架所組成的框架裝置，將基座的轉動與陀螺轉子隔離開來。這樣，如果陀螺儀自轉軸穩定在慣性空間的某個方位上，當基座轉動時，它仍然穩定在原來的方位上。


　　對于二自由度陀螺儀，當基座繞陀螺儀自轉軸或內框架軸方向轉動時，仍然不會帶動轉子一起轉動，即內框架仍然起隔離運動的作用。但是，當基座繞陀螺儀缺少自由度的x軸方向以角速度ωx轉動時，由于陀螺儀繞該軸沒有轉動自由度，所以基座轉動時，就通過內框架軸上的一對支承帶動陀螺轉子一起轉動。但陀螺儀自轉軸仍盡力保持其原來的空間方位不變。因此，基座轉動時，內框架軸上的一對支承就有推力F作用在內框架軸的兩端，而形成作用在陀螺儀上的推力矩mx, 其方向垂直于動量矩H，并沿x鈾正向。由于陀螺儀繞內框架軸有轉動的自由度，所以這個推力矩就使陀螺儀產生繞內框架軸的進動，進動角速度β指向內框架軸y的正向，使轉子軸趨向與x軸重合。

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　　因此，當基座繞陀螺儀缺少自由度的方向轉動時，將強迫陀螺儀跟隨基座轉動，同時陀螺儀轉子軸繞內框架軸進動。結果使轉子軸趨向與基座轉動角速度的方向重合。即二自由度陀螺儀具有敏感繞其缺少轉動自由度方向旋轉角速度的特性。

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　　二自由度陀螺儀受到沿內框架軸向外力矩作用時，轉子軸繞內框軸運動。

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, f5 J; i) o9 O' F2 w6 O! n　　沿內框架軸向作用力矩時轉子軸的運動。設沿內框架鈾y的正向有外力矩My作用，則二自由度陀螺儀的轉子軸將力圖以角速度My／H繞x軸的負向進動，如圖3所示。由于陀螺轉子軸繞x軸方向不能轉動，這個進動是不可能實現的。但其進動趨勢仍然存在，并對內框架軸兩端的支承施加壓力，這樣，支承就產生約束反力F作用在內框架軸兩端，而形成作用在陀螺儀上的約束反力矩mx，其方向垂直于動量矩H并沿x軸的正向。由于轉子軸繞內框架軸存在轉動自由度，所以在這個約束反力矩mx的作用下，陀螺儀轉子軸就繞內框架軸以β的角速度沿y軸正向進動。簡單地說，如果陀螺繞x軸方向不能轉動，那么在繞內框架軸向的外力矩作用下，陀螺儀的轉子軸也繞內框架軸轉動。
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　　陀螺繞主軸轉動的角動量以H表示，H=JsΩ，式中Js為陀螺轉子的轉動慣量。
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! A; u  U7 A- Z4 ~* L4 e陀螺儀工作原理與應用
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) t: X* `7 }% J* C+ D/ l' B" J1、陀螺工作站的原理
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　　高速旋轉的物體的旋轉軸，對于改變其方向的外力作用有趨向于鉛直方向的傾向。而且，旋轉物體在橫向傾斜時，重力會向增加傾斜的方向作用，而軸則向垂直方向運動，就產生了搖頭的運動（歲差運動）。當陀螺經緯儀的陀螺旋轉軸以水平軸旋轉時，由于地球的旋轉而受到鉛直方向旋轉力，陀螺的旋轉體向水平面內的子午線方向產生歲差運動。當軸平行于子午線而靜止時可加以應用。
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7 G/ _1 l! s; x9 o5 x　　2、陀螺工作站的構造
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　　陀螺經緯儀的陀螺裝置由陀螺部分和電源部分組成。此陀螺裝置與全站儀結合而成。陀螺本體在裝置內用絲線吊起使旋轉軸處于水平。當陀螺旋轉時，由于地球的自轉，旋轉軸在水平面內以真北為中心產生緩慢的歲差運動。旋轉軸的方向由裝置外的目鏡可以進行觀測，陀螺指針的振動中心方向指向真北。利用陀螺經緯儀的真北測定方法有“追尾測定”和“時間測定”等。
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4 J- e  P8 I4 I" D* g　　追尾測定[反轉法]
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* H2 x4 T: Q" s% f7 N) |4 Z　　利用全站儀的水平微動螺絲對陀螺經緯儀顯示歲差運動的刻度盤進行追尾。在震動方向反轉的點上（此時運動停止）讀取水平角。如此繼續測定之，求得其平均震動的中心角。用此方法進行20分鐘的觀測可以求得+/-0。5分的真北方向。


+ I  K, ]5 N7 e% W" f　　時間測定[通過法]
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　　用追尾測定觀測真北方向后，陀螺經緯儀指向了真北方向，其指針由于歲差運動而左右擺動。用全站儀的水平微動螺絲對指針的擺動進行追尾，當指針通過0點時反復記錄水平角，可以提高時間測定的精度，并以+/-20秒的精度求得真北方向。


　　3、 陀螺全站儀的應用實例
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  m% Q/ L' q$ j8 @* U9 |　　3.1 隧道中心線測量


/ ~0 R3 D, D7 d7 t　　在隧道等挖掘工程中，坑內的中心線測量一般采用難以保證精度的長距離導線。特別是進行盾構挖掘（shield tunnel）的情況，從立坑的短基準中心線出發必須有很高的測角精度和移站精度，測量中還要經常進行地面和地下的對應檢查，以確保測量的精度。特別是在密集的城市地區，不可能進行過多的檢測作業而遇到困難。如果使用陀螺經緯儀可以得到絕對高精度的方位基準，而且可減少耗費很高的檢測作業（檢查點最少），是一種效率很高的中心線測量方法。

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　　3.2 通視障礙時的方向角獲取


　　當有通視障礙，不能從已知點取得方向角時，可以采用天文測量或陀螺經緯儀測量的方法獲取方向角（根據建設省測量規范）。與天文測量比較，陀螺經緯儀測量的方法有很多優越性：對天氣的依賴少、云的多少無關、無須復雜的天文計算、在現場可以得到任意測線的方向角而容易計算閉合差。
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　　3.3 日影計算所需的真北測定


　　在城市或近郊地區對高層建筑有日照或日影條件的高度限制。在建筑申請時，要附加日影圖。此日影圖是指，在冬至的真太陽時的8點到16點為基準，進行為了計算、圖面繪制所需要的高精度真北方向測定。使用陀螺經緯儀測量可以獲得不受天氣、時間影響的真北測量。

草原蒙狼

陀螺儀
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6 y, P6 S0 c2 C! U3 V3 P8 Z1 |! Z- A) U: I陀螺儀
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回轉的構造

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三軸
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草原蒙狼

咱們看的哪些個玩意難道都是靠這個平衡的？還以為什么高科技呢？？呵呵。。。望大蝦批評

旋轉的陀螺

陀螺因為高速旋轉才不會倒下。

無獨有偶

陀螺因為高速旋轉才不會倒下。
旋轉的陀螺 發表于 2009-9-27 16:11

- V% Z# x  Y0 J! }* E貌似從這句就知道兄弟的名稱是咋來的了

草原蒙狼

陀螺因為高速旋轉才不會倒下。
4 L) Z' k! x9 r" N. P2 U旋轉的陀螺 發表于 2009-9-27 16:11

這個我知道，小時候用鞭子抽著玩