我們知道陀螺儀使用來測量平衡和轉速的工具，在載體高速轉動的時候，陀螺儀始終要通過自我調節，使得轉子保持原有的平衡，這一點是如何做到的？帶著這個問題，我們來看一下這個古老而又神秘的裝置的工作原理。

我把三個Gimbal環用不同的顏色做了標記，底部三個軸向，RGB分別對應XYZ。

假設現在這個陀螺儀被放在一艘船上，船頭的方向沿著+Z軸，也就是右前方

現在假設，船體發生了搖晃，是沿著前方進行旋轉的搖晃，也就是桶滾。由于轉子和旋轉軸具有較大的慣性，只要沒有直接施加扭矩，就會保持原有的姿態。由于上圖中綠色的活動的連接頭處是可以靈活轉動的，此時將發生相對旋轉，從而出現以下的情形：

再次假設，船體發生了pitch搖晃，也就是俯仰。同樣，由于存在相應方向的可以相對旋轉的連接頭（紅色連接頭），轉子和旋轉軸將仍然保持平衡，如下圖：

最后假設，船體發生了yaw搖晃，也就是偏航，此時船體在發生水平旋轉。相對旋轉發生在藍色連接頭。如下圖：

最終，在船體發生Pitch、Yaw、Roll的情況下，陀螺儀都可以通過自身的調節，而讓轉子和旋轉軸保持平衡。

陀螺儀中的萬向節死鎖

現在看起來，這個陀螺儀一切正常，在船體發生任意方向搖晃都可以通過自身調節來應對。然而，真的是這樣嗎？

假如，船體發生了劇烈的變化，此時船首仰起了90度（這是要翻船的節奏。。。。），船體再次發生轉動，沿著當前世界坐標的+Z軸（藍色軸，應該正指向船底）進行轉動，那么來看看發生了什么情況。

現在，轉子不平衡了。它失去了自身的調節能力。那么這是為什么呢？
之前陀螺儀之所以能通過自身調節，保持平衡，是因為存在可以相對旋轉的連接頭。在這種情況下，已經不存在可以相對旋轉的連接頭了。

那么連接頭呢？去了哪里？顯然，它還是在那里，只不過是，連接頭可以旋轉的相對方向不是現在需要的按著+Z軸方向。從上圖中，我們清楚地看到：

• 紅色連接頭：可以給予一個相對俯仰的自由度。
• 綠色連接頭：可以給予一個相對偏航的自由度。
• 藍色連接頭：可以給予一個相對偏航的自由度。

沒錯，三個連接頭，提供的自由度只對應了俯仰和偏航兩個自由度，橫滾自由度丟失了。這就是陀螺儀上的“萬向節死鎖”問題。

若計綠軸為x軸，紅軸為y軸，藍軸為z軸。那么記為z軸為主軸，y軸為副軸，x軸為自由軸；繞z軸會影響到x，y軸；繞y軸會影響到x軸，繞x軸不會影響其他軸。

這種動態方式下的歐拉角（z,y,x）等價于靜態歐拉角(x,y,z）。

萬向節鎖死就是當某個旋轉之后，某個方向有兩個軸向，所以就去缺少一個自由度，不能直接進行單一軸的旋轉到達某個位姿。所以只能間接地曲線（插值）到達。

參考：https://blog.csdn.net/qq_34552886/article/details/79772143

總結

以上是生活随笔為你收集整理的陀螺仪工作原理_电子陀螺仪工作原理的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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