什么是萬向節鎖(Gimbal Lock)？
萬向節鎖可能發生在陀螺儀、望遠鏡和其他向多個方向移動的設備中，當萬向節或支架以阻止設備朝所需方向移動的方式對齊時，就會產生萬向節鎖。陀螺儀是一個旋轉的輪子，支撐在一系列的籠子或支架內，在飛機和船舶上用來幫助導...
萬向節鎖可能發生在陀螺儀、望遠鏡和其他向多個方向移動的設備中，當萬向節或支架以阻止設備朝所需方向移動的方式對齊時，就會產生萬向節鎖。陀螺儀是一個旋轉的輪子，支撐在一系列的籠子或支架內，在飛機和船舶上用來幫助導航。每個籠子提供三個方向中的一個方向的運動，允許陀螺儀安裝在移動的船舶或飛機上，同時保持水平方向。
望遠鏡中可能會出現萬向節鎖陀螺儀最早出現在18世紀的文學作品中，在20世紀早期，Elmer Sperry制造了第一個用于飛機自動駕駛儀控制的陀螺儀。使用陀螺儀進行導航的好處是，無論船舶或飛機的運動如何，旋轉的陀螺儀輪都能保持水平方向即使在海上風暴或飛機顛簸期間，儀器與儀器之間的陀螺儀也可以提供"人造地平線"或儀器水平視圖。
太空中的所有物體都可以用三個角的組合。空間中的所有物體都可以用三個角的組合來描述，這三個角是由一個叫做歐拉角的數學公式定義的這三個角度通常用x、y和z軸來描述。一個設備被稱為有三個自由度，當它可以上下、向左或向右、向內或向外轉動時。安裝在三個籠子里的陀螺儀，每一個都以三個角度中的一個旋轉，理論上可以朝導航所需的任何方向轉動萬向節鎖的效果可以在陀螺儀中看到，但也可以出現在不太復雜的設備中。例如，觀察者用望遠鏡跟蹤頭頂上的衛星時，會到達望遠鏡指向正上方的點。此時，觀測者將望遠鏡旋轉180°，當衛星朝著相反方向向地平線移動時，可以繼續跟蹤衛星。如果被跟蹤的物體（如飛機）在頭頂上移動，然后改變方向，就會發生萬向節鎖定90°并移動。此時，望遠鏡不能側向轉動，因為支架或萬向節阻止了該方向的移動。儀器必須旋轉，或者打開底座，才能克服這個問題。人類可以適應這些情況下，因為他們可能認識到，除非望遠鏡旋轉90°，否則望遠鏡無法繼續跟蹤飛機。問題是，通常情況下，在觀察者能夠在望遠鏡目鏡中再次找到目標之前，目標跟蹤會丟失。當雷達天線位于天線上方時，用于跟蹤飛機轉彎的雷達天線也會發生這種情況必須編寫計算機軟件來補償由于萬向節鎖造成的跟蹤損失在陀螺儀中，當保持架排成一行時，有幾個角度會發生萬向節鎖定，從而阻止陀螺儀轉動。就像望遠鏡的例子一樣，陀螺儀現在不能自由移動，被稱為"陀螺鎖定"。進行特技飛行或在不尋常的方向上轉彎和旋轉的飛機，在飛行特技飛行前，飛行員通常會手動鎖定陀螺儀，以防止萬向節鎖定和陀螺儀受力。航天器導航使用陀螺儀保持一個已知的參考點。太空中沒有地平線，其位置必須由它相對于特定恒星的位置來確定，這是一種叫做天體導航的技術。當航天器翻滾或改變方向時，保持"水平"方向的陀螺儀會鎖死并導致基準丟失為了防止導航錯誤，宇航員必須視覺參考導航星并重置陀螺儀。解決問題的一個方法是增加第四個自由度，另一個籠子，它安裝在與其他保持架不同的方向或角度上，即使兩個保持架被萬向節鎖定，也能提供移動，從而允許儀器繼續導航。
望遠鏡中可能會出現萬向節鎖陀螺儀最早出現在18世紀的文學作品中，在20世紀早期，Elmer Sperry制造了第一個用于飛機自動駕駛儀控制的陀螺儀。使用陀螺儀進行導航的好處是，無論船舶或飛機的運動如何，旋轉的陀螺儀輪都能保持水平方向即使在海上風暴或飛機顛簸期間，儀器與儀器之間的陀螺儀也可以提供"人造地平線"或儀器水平視圖。太空中的所有物體都可以用三個角的組合。空間中的所有物體都可以用三個角的組合來描述，這三個角是由一個叫做歐拉角的數學公式定義的這三個角度通常用x、y和z軸來描述。一個設備被稱為有三個自由度，當它可以上下、向左或向右、向內或向外轉動時。安裝在三個籠子里的陀螺儀，每一個都以三個角度中的一個旋轉，理論上可以朝導航所需的任何方向轉動萬向節鎖的效果可以在陀螺儀中看到，但也可以出現在不太復雜的設備中。例如，觀察者用望遠鏡跟蹤頭頂上的衛星時，會到達望遠鏡指向正上方的點。此時，觀測者將望遠鏡旋轉180°，當衛星朝著相反方向向地平線移動時，可以繼續跟蹤衛星。如果被跟蹤的物體（如飛機）在頭頂上移動，然后改變方向，就會發生萬向節鎖定90°并移動。此時，望遠鏡不能側向轉動，因為支架或萬向節阻止了該方向的移動。儀器必須旋轉，或者打開底座，才能克服這個問題。人類可以適應這些情況下，因為他們可能認識到，除非望遠鏡旋轉90°，否則望遠鏡無法繼續跟蹤飛機。問題是，通常情況下，在觀察者能夠在望遠鏡目鏡中再次找到目標之前，目標跟蹤會丟失。當雷達天線位于天線上方時，用于跟蹤飛機轉彎的雷達天線也會發生這種情況必須編寫計算機軟件來補償由于萬向節鎖造成的跟蹤損失在陀螺儀中，當保持架排成一行時，有幾個角度會發生萬向節鎖定，從而阻止陀螺儀轉動。就像望遠鏡的例子一樣，陀螺儀現在不能自由移動，被稱為"陀螺鎖定"。進行特技飛行或在不尋常的方向上轉彎和旋轉的飛機，在飛行特技飛行前，飛行員通常會手動鎖定陀螺儀，以防止萬向節鎖定和陀螺儀受力。航天器導航使用陀螺儀保持一個已知的參考點。太空中沒有地平線，其位置必須由它相對于特定恒星的位置來確定，這是一種叫做天體導航的技術。當航天器翻滾或改變方向時，保持"水平"方向的陀螺儀會鎖死并導致基準丟失為了防止導航錯誤，宇航員必須視覺參考導航星并重置陀螺儀。解決問題的一個方法是增加第四個自由度，另一個籠子，它安裝在與其他保持架不同的方向或角度上，即使兩個保持架被萬向節鎖定，也能提供移動，從而允許儀器繼續導航。
- 發表于 2020-08-18 15:29
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- 分類：科學教育
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