陀螺儀是個(gè)很神奇的物體，在很多場(chǎng)合都能看到，它是一個(gè)應(yīng)用很廣的器件，在很多領(lǐng)域都有廣泛運(yùn)用，今天筆者就給大家講解陀螺儀在平衡車上的應(yīng)用講解陀螺儀的工作原理。
什么是陀螺儀？
陀螺儀是用高速回轉(zhuǎn)體的動(dòng)量矩敏感殼體相對(duì)慣性空間繞正交于自轉(zhuǎn)軸的一個(gè)或二個(gè)軸的角運(yùn)動(dòng)檢測(cè)裝置。利用其他原理制成的角運(yùn)動(dòng)檢測(cè)裝置起同樣功能的也稱陀螺儀。
從力學(xué)的觀點(diǎn)近似的分析陀螺的運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以把它看成是一個(gè)剛體，剛體上有一個(gè)萬(wàn)向支點(diǎn)，而陀螺可以繞著這個(gè)支點(diǎn)作三個(gè)自由度的轉(zhuǎn)動(dòng)，所以陀螺的運(yùn)動(dòng)是屬于剛體繞一個(gè)定點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。更確切地說(shuō)，一個(gè)繞對(duì)稱軸高速旋轉(zhuǎn)的飛輪轉(zhuǎn)子叫陀螺。將陀螺安裝在框架裝置上，使陀螺的自轉(zhuǎn)軸有角轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度，這種裝置的總體叫做陀螺儀。
陀螺儀的工作原理
陀螺儀多用于導(dǎo)航、定位等系統(tǒng)常用實(shí)例如手機(jī)GPS定位導(dǎo)航、衛(wèi)星三軸陀螺儀定位。陀螺儀基本上就是運(yùn)用物體高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，角動(dòng)量很大，旋轉(zhuǎn)軸會(huì)一直穩(wěn)定指向一個(gè)方向的性質(zhì)，所制造出來(lái)的定向儀器。不過(guò)它必需轉(zhuǎn)得夠快，或者慣量夠大（也可以說(shuō)是角動(dòng)量要夠大）。不然只要一個(gè)很小的力矩，就會(huì)嚴(yán)重影響到它的穩(wěn)定性。
陀螺儀器最早是用于航海導(dǎo)航，但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，它在航空和航天事業(yè)中也得到廣泛的應(yīng)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(dòng)控制系統(tǒng)中的一個(gè)敏感元件，即可作為信號(hào)傳感器。根據(jù)需要，陀螺儀器能提供準(zhǔn)確的方位、水平、位置、速度和加速度等信號(hào)，以便駕駛員或用自動(dòng)導(dǎo)航儀來(lái)控制飛機(jī)、艦船或航天飛機(jī)等航行體按一定的航線飛行，而在導(dǎo)彈、衛(wèi)星運(yùn)載器或空間探測(cè)火箭等航行體的制導(dǎo)中，則直接利用這些信號(hào)完成航行體的姿態(tài)控制和軌道控制。
作為穩(wěn)定器，陀螺儀器能使列車在單軌上行駛，能減小船舶在風(fēng)浪中的搖擺，能使安裝在飛機(jī)或衛(wèi)星上的照相機(jī)相對(duì)地面穩(wěn)定等等。作為精密測(cè)試儀器，陀螺儀器能夠?yàn)榈孛嬖O(shè)施、礦山隧道、地下鐵路、石油鉆探以及導(dǎo)彈發(fā)射井等提供準(zhǔn)確的方位基準(zhǔn)。由此可見(jiàn)，陀螺儀器的應(yīng)用范圍是相當(dāng)廣泛的，它在現(xiàn)代化的國(guó)防建設(shè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中均占重要的地位。
1、隧道中心線測(cè)量的原理
在隧道等挖掘工程中，坑內(nèi)的中心線測(cè)量一般采用難以保證精度的長(zhǎng)距離導(dǎo)線。特別是進(jìn)行盾構(gòu)挖掘（shield tunnel）的情況，從立坑的短基準(zhǔn)中心線出發(fā)必須有很高的測(cè)角精度和移站精度，測(cè)量中還要經(jīng)常進(jìn)行地面和地下的對(duì)應(yīng)檢查，以確保測(cè)量的精度。特別是在密集的城市地區(qū)，不可能進(jìn)行過(guò)多的檢測(cè)作業(yè)而遇到困難。如果使用陀螺經(jīng)緯儀可以得到絕對(duì)高精度的方位基準(zhǔn)，而且可減少耗費(fèi)很高的檢測(cè)作業(yè)（檢查點(diǎn)最少），是一種效率很高的中心線測(cè)量方法。
2、通視障礙時(shí)的方向角獲取的原理
當(dāng)有通視障礙，不能從已知點(diǎn)取得方向角時(shí)，可以采用天文測(cè)量或陀螺經(jīng)緯儀測(cè)量的方法獲取方向角（根據(jù)建設(shè)省測(cè)量規(guī)范）。與天文測(cè)量比較，陀螺經(jīng)緯儀測(cè)量的方法有很多優(yōu)越性：對(duì)天氣的依賴少、云的多少無(wú)關(guān)、無(wú)須復(fù)雜的天文計(jì)算、在現(xiàn)場(chǎng)可以得到任意測(cè)線的方向角而容易計(jì)算閉合差。
陀螺儀在平衡車和獨(dú)輪車上的應(yīng)用
平衡車之所以能這么風(fēng)風(fēng)火火，陀螺儀的作用不言而喻，我們騎行在車上，全憑它的感知，然后通過(guò)復(fù)雜的計(jì)算控制程序來(lái)確實(shí)各種平衡性，現(xiàn)在的電動(dòng)獨(dú)輪車?yán)锩娴耐勇輧x也是一個(gè)電子元器件了，而不是一個(gè)硬件設(shè)備了。電動(dòng)獨(dú)輪車內(nèi)置陀螺儀傳感器，利用該傳感器，車載驅(qū)動(dòng)電路上的CPU會(huì)以每秒200次的速度計(jì)算車身的前后平衡，如果身體重心向前傾斜，前方數(shù)值大于后方，此時(shí)CPU就會(huì)發(fā)出指令給驅(qū)動(dòng)電路上的傳感器，調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向與速度，讓電機(jī)向后方轉(zhuǎn)動(dòng)，車輛向前，反之，車輛向后，身體向前傾斜的越厲害，速度就越快；而向左和向右傾斜身體是轉(zhuǎn)彎。
平衡車是靠電機(jī)驅(qū)動(dòng)的，采用陀螺儀與驅(qū)動(dòng)電路控制保持不倒。把身體向前傾斜就可以啟動(dòng)。速度則是由傾斜程度來(lái)控制的，想要加速則向前傾，減速則向后傾。有能力做到自身平衡是最令人吃驚的地方，而這一點(diǎn)也是操作的關(guān)鍵所在。要想弄明白這個(gè)系統(tǒng)的工作原理，最好考慮一下制作這個(gè)設(shè)備的模型——人體。
如果你站起來(lái)，向前傾身而失去了平衡，但是你可能不會(huì)摔個(gè)大馬趴。你的大腦知道你失去了平衡，因?yàn)槟銉?nèi)耳中的液體移動(dòng)了位置。因此，它促使你的腿向前邁，防止你摔倒。如果你的身體一直往前傾斜，你的大腦會(huì)持續(xù)讓你的腿向前邁，讓你保持直立姿勢(shì)。結(jié)果是你沒(méi)有摔倒，而是往前走了，一次走一步。
它的工作原理與此大體相同，不同的是它有輪子而不是人腿，有一個(gè)馬達(dá)而不是肌肉，有一組微處理器而不是大腦，有一套復(fù)雜的傾斜傳感器和陀螺傳感器而不是內(nèi)耳平衡系統(tǒng)。如同你的大腦一樣，SegwayPT知道你什么時(shí)候身體向前傾斜。為了保持平衡，它以恰當(dāng)?shù)乃俣绒D(zhuǎn)動(dòng)輪子，這樣你就向前移動(dòng)了。
陀螺儀在手機(jī)上的應(yīng)用
陀螺儀自被發(fā)明開(kāi)始，就用于導(dǎo)航，先是德國(guó)人將其應(yīng)用在V1、V2火箭上，因此，如果配合GPS，手機(jī)的導(dǎo)航能力將達(dá)到前所未有的水準(zhǔn)。實(shí)際上，很多專業(yè)手持式GPS上也裝了陀螺儀，如果手機(jī)上安裝了相應(yīng)的軟件，導(dǎo)航能力絕不亞于很多船舶、飛機(jī)上用的導(dǎo)航儀。還可以實(shí)現(xiàn)GPS的慣性導(dǎo)航：當(dāng)汽車行駛到隧道或城市高大建筑物附近，沒(méi)有GPS訊號(hào)時(shí)，可以通過(guò)陀螺儀來(lái)測(cè)量汽車的偏航或直線運(yùn)動(dòng)位移，從而繼續(xù)導(dǎo)航。
可以和手機(jī)上的攝像頭配合使用，比如防抖，在拍照時(shí)的維持圖像的穩(wěn)定，防止由于手的抖動(dòng)對(duì)拍照質(zhì)量的影響。在按下快門時(shí)，記錄手的抖動(dòng)動(dòng)作，將手的抖動(dòng)反饋給圖像處理器，可以讓手機(jī)捕捉到更清晰穩(wěn)定的畫面。各類游戲的傳感器，比如飛行游戲，體育類游戲，甚至包括一些第一視角類射擊游戲，陀螺儀完整監(jiān)測(cè)游戲者手的位移，從而實(shí)現(xiàn)各種游戲操作效果。有關(guān)這點(diǎn)，想必用過(guò)任天堂WII的網(wǎng)友會(huì)有很深的感受。
可以用作輸入設(shè)備，陀螺儀相當(dāng)于一個(gè)立體的鼠標(biāo)，這個(gè)功能和第三大用途中的游戲傳感器很類似，甚至可以認(rèn)為是一種類型。通過(guò)小幅度的傾斜，偏轉(zhuǎn)手機(jī)，實(shí)現(xiàn)菜單，目錄的選擇和操作的執(zhí)行。（比如前后傾斜手機(jī)，實(shí)現(xiàn)通訊錄條目的上下滾動(dòng)；左右傾斜手機(jī)，實(shí)現(xiàn)瀏覽頁(yè)面的左右移動(dòng)或者頁(yè)面的放大或縮小。）
陀螺儀也是未來(lái)最有前景和應(yīng)用范圍的用途。那就是可以幫助手機(jī)實(shí)現(xiàn)很多增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的功能。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是才冒出的概念，和虛擬現(xiàn)實(shí)一樣，是計(jì)算機(jī)的一種應(yīng)用。大意是可以通過(guò)手機(jī)或者電腦的處理能力，讓人們對(duì)現(xiàn)實(shí)中的一些物體有更深入的了解。如果大家不理解，舉個(gè)例子，前面有一個(gè)大樓，用手機(jī)攝像頭對(duì)準(zhǔn)它，馬上就可以在屏幕上得到這座大樓的相關(guān)參數(shù)，比如樓的高度，寬度，海拔，如果連接到數(shù)據(jù)庫(kù)，甚至可以得到這座大廈的物主、建設(shè)時(shí)間、現(xiàn)在的用途、可容納的人數(shù)等等。