論陀螺儀在燃?xì)庑袠I(yè)的應(yīng)用

鄭芳 胡潤(rùn)東 馮哲 黃蘭蘭 何楓 陸益希

摘要：現(xiàn)今世界格局中，測(cè)量主要是以信息化技術(shù)形式展開(kāi)，側(cè)重于發(fā)展精確性高的制導(dǎo)儀器，慣性技術(shù)是一項(xiàng)能夠增強(qiáng)測(cè)量系統(tǒng)和提升導(dǎo)向能力的重要技術(shù)。陀螺儀是其中作用顯著的一部分。所以，一切研究工作的首要考慮因素為陀螺儀的使用和研究，因此，研究陀螺儀現(xiàn)實(shí)意義重大。本文對(duì)陀螺儀應(yīng)用在燃?xì)庑袠I(yè)的情勢(shì)詳加介紹，劃分為四部分展開(kāi)論述：第一部分是緒論部分，研究其背景、意義，以及研究方法、研究?jī)?nèi)容等，并且對(duì)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀加以介紹。第二部分是陀螺儀相關(guān)概述，分別介紹了陀螺儀的原理和幾個(gè)常見(jiàn)的陀螺儀介紹。第三部分是研究陀螺儀在燃?xì)庑袠I(yè)的應(yīng)用，從陀螺儀應(yīng)用在燃?xì)庑袠I(yè)的技術(shù)構(gòu)成、較大優(yōu)勢(shì)展開(kāi)論述，并且具體展開(kāi)應(yīng)用介紹。第四部分是結(jié)語(yǔ)部分，對(duì)全文進(jìn)行內(nèi)容的總結(jié)、概括。

關(guān)鍵詞：陀螺儀;燃?xì)庑袠I(yè);測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)

一、緒論

（一）研究背景和意義

陀螺儀實(shí)際是慣性測(cè)量器件，也是慣性下導(dǎo)航、指導(dǎo)和測(cè)量系統(tǒng)的主要部件，被積極運(yùn)用在軍事和民用領(lǐng)域。陀螺儀由于在慣性技術(shù)中效用明顯，所以探究陀螺儀應(yīng)用很有必要，也極具意義。如今陀螺儀進(jìn)入的階段劃分為四個(gè)，分別是靜電陀螺、激光陀螺和光纖陀螺、振動(dòng)陀螺。隨著地面以下非開(kāi)挖敷設(shè)管線(xiàn)施工項(xiàng)目增多，使得地面以下的空間日漸擁擠。盡管非開(kāi)挖敷設(shè)施工具備優(yōu)勢(shì)，不過(guò)施工作業(yè)和施工設(shè)備等不相一致，一旦燃?xì)夤艿谰€(xiàn)路投產(chǎn)時(shí)不能供應(yīng)確切的管線(xiàn)平面位置和埋深數(shù)據(jù)資料等，進(jìn)而會(huì)對(duì)燃?xì)夤艿腊踩\(yùn)行留下部分安全隱患。

2014年6月14日國(guó)務(wù)院辦公廳曾下發(fā)了關(guān)于加強(qiáng)城市地下管線(xiàn)建設(shè)管理的指導(dǎo)意見(jiàn);2014年12月住建部、工信部、廣電總局、安監(jiān)總局和國(guó)家能源局等部門(mén)曾聯(lián)合印發(fā)“關(guān)于開(kāi)展城市地下管線(xiàn)普查工作的通知”，所以管線(xiàn)軌跡的測(cè)量重建迫在眉睫。目前已知并被國(guó)內(nèi)外廣泛認(rèn)可的管線(xiàn)軌跡測(cè)量方法有三種：①地質(zhì)雷達(dá)測(cè)量法：發(fā)射機(jī)通過(guò)發(fā)射天線(xiàn)發(fā)射固定頻率的脈沖電磁波信號(hào)，等這一信號(hào)碰到管線(xiàn)時(shí)便能夠出現(xiàn)一個(gè)反射信號(hào)，根據(jù)該信號(hào)到達(dá)的滯后時(shí)間及波速波形等可以判斷出管線(xiàn)的基本形狀和埋設(shè)深度等信息。②電磁感應(yīng)法：通過(guò)電磁感應(yīng)法探測(cè)地下管線(xiàn)時(shí)必須要求被測(cè)管線(xiàn)為金屬材質(zhì)，否則必須加金屬探頭才能感應(yīng)出管線(xiàn)的位置及埋設(shè)深度等信息。③電子羅盤(pán)測(cè)量法：牽引電子羅盤(pán)組成的管線(xiàn)測(cè)量裝置，實(shí)時(shí)測(cè)量姿態(tài)角度，并結(jié)合行進(jìn)的距離信息獲取所測(cè)管線(xiàn)的三維軌跡。

當(dāng)前研究陀螺儀具體應(yīng)用的學(xué)者和文章有很多，但是大部分集中于陀螺儀使用原理上，對(duì)于其在具體行業(yè)的應(yīng)用探究比較少。本文選題是從陀螺儀在燃?xì)庑袠I(yè)的應(yīng)用展開(kāi)研究，堅(jiān)持從陀螺儀有關(guān)概述基礎(chǔ)上探究燃?xì)庑袠I(yè)陀螺儀的使用技術(shù)構(gòu)成和應(yīng)用優(yōu)勢(shì)等，這也是對(duì)陀螺儀使用研究提供一個(gè)新思路和參考，所以具備現(xiàn)實(shí)研究意義。

（二）研究方法和研究?jī)?nèi)容

1.2.1研究方法

結(jié)合本文的特點(diǎn)，研究上主要用到下述幾種方法：

（1）文獻(xiàn)檢索法

對(duì)于陀螺儀原理及其在燃?xì)庑袠I(yè)的應(yīng)用研究，首先要閱讀許多文獻(xiàn)成果，將論文議題的研究進(jìn)展情況總結(jié)起來(lái)，積極找出此前研究上存在的不足。同時(shí)在充分了解陀螺儀應(yīng)用現(xiàn)狀和燃?xì)庑袠I(yè)陀螺儀應(yīng)用時(shí)，因?yàn)椴⒉荒苡H身調(diào)查研究，所以憑借文獻(xiàn)檢索，匯總多種資料進(jìn)行分析總結(jié)。

（2）比較分析法

論文中會(huì)對(duì)國(guó)內(nèi)外關(guān)于陀螺儀研究的現(xiàn)狀進(jìn)行分析，并且從常用的幾種陀螺儀對(duì)比分析，總結(jié)其具備的各個(gè)特性，進(jìn)而針對(duì)燃?xì)庑袠I(yè)陀螺儀精確需求給出具體使用介紹。

（3）理論聯(lián)合實(shí)際方法

對(duì)陀螺儀的原理進(jìn)行分析，結(jié)合應(yīng)用理論分析燃?xì)庑袠I(yè)現(xiàn)狀和陀螺儀應(yīng)用的有效領(lǐng)域和方式。結(jié)合所學(xué)專(zhuān)業(yè)知識(shí)，給出適用的陀螺儀應(yīng)用總結(jié)。

1.2.2研究?jī)?nèi)容

本文主要研究目的是對(duì)陀螺儀在燃?xì)庑袠I(yè)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)等合理介紹，并且對(duì)其應(yīng)用在燃?xì)庑袠I(yè)解決的問(wèn)題展開(kāi)分析。

（1）介紹了陀螺儀的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，分析了陀螺儀的工作原理和諸多層面的應(yīng)用。

（2）對(duì)于常見(jiàn)的幾種陀螺儀，如光纖陀螺儀、驅(qū)動(dòng)彈性陀螺儀、微機(jī)陀螺儀等重點(diǎn)介紹，分別從它們各自的工作原理著手。

（3）具體到燃?xì)庑袠I(yè)，對(duì)于陀螺儀的技術(shù)構(gòu)成、運(yùn)用優(yōu)勢(shì)等合理分析、介紹。

（三）國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.3.1國(guó)外研究現(xiàn)狀

對(duì)于陀螺儀及其應(yīng)用從20世紀(jì)初，國(guó)外就進(jìn)行了相關(guān)研究。而在上世紀(jì)50年代之后，陸續(xù)就有陀螺儀轉(zhuǎn)子液浮、磁浮和動(dòng)壓氣浮、靜電懸浮和饒性支承技術(shù)，讓陀螺儀的構(gòu)造得以改進(jìn)，其精確度也較大提升。1975年激光陀螺研制成功，不被機(jī)械摩擦和重力加速度的影響，能夠承載的振動(dòng)能力較強(qiáng)。而在飛機(jī)、導(dǎo)彈等慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。到了80年代之后，現(xiàn)代光纖陀螺儀則發(fā)展迅速，也讓激光諧振陀螺儀獲得較大發(fā)展。傳統(tǒng)的機(jī)械轉(zhuǎn)子陀螺儀，由于其高精度和可靠性，在今后相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，仍將獲得廣泛應(yīng)用，特別是在需要高精度的場(chǎng)合。

在美國(guó)和日本大力發(fā)展定向鉆進(jìn)和微型隧道技術(shù)的同時(shí)，英國(guó)對(duì)管道（線(xiàn)）修復(fù)和更新產(chǎn)生迫切需求，但在進(jìn)行修復(fù)前，首先要查明管道內(nèi)部狀況，導(dǎo)致了閉路電視及相關(guān)技術(shù)的誕生。同化虹si扣form法（軟襯法）、內(nèi)襯法管道修復(fù)技術(shù)和爆管法更換技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生。非開(kāi)挖施工工藝受到世界各地關(guān)注，取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。19%國(guó)際非開(kāi)挖協(xié)會(huì)成立于英國(guó)倫敦，這表明非開(kāi)挖技術(shù)的研究和發(fā)展世界己進(jìn)入一個(gè)新的時(shí)代。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，國(guó)際非開(kāi)挖技術(shù)協(xié)會(huì)和主要的外國(guó)公司，在建的非開(kāi)挖管道建設(shè)項(xiàng)目，個(gè)別城市和地區(qū)，如柏林達(dá)到40。經(jīng)過(guò)數(shù)些年發(fā)展，世界范圍內(nèi)非開(kāi)挖技術(shù)，包括通過(guò)鋪設(shè)、更新、維護(hù)、管理和地下管線(xiàn)都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，其系列配套技術(shù)也己經(jīng)成熟。對(duì)于燃?xì)夤艿乐械娜S精確定位技術(shù)，國(guó)外對(duì)管線(xiàn)三維軌跡測(cè)量系統(tǒng)的研究起步較早，現(xiàn)在也已經(jīng)有了較為成熟的裝置，可以精確完成施工方的測(cè)量要求。比利時(shí)的REDUCT公司在該領(lǐng)域研究比較深入，率先做出了全球唯一快速精確取得地下管線(xiàn)三維空間坐標(biāo)和唯一不受電磁波干擾、不受地形、管材、深度等限制的慣性管道三維定位儀，該公司的DR-4世界上用途最廣的3D管道測(cè)繪系統(tǒng)，其高精確度和易于操作的特點(diǎn)使其成為所有公用管道基礎(chǔ)設(shè)施測(cè)繪時(shí)的首選系統(tǒng)。

最近幾年，陀螺儀已經(jīng)在汽車(chē)的穩(wěn)定控制系統(tǒng)、GPS獲得越來(lái)越多的應(yīng)用。在消費(fèi)電子領(lǐng)域，攝像機(jī)、數(shù)碼相機(jī)的圖像防抖也是陀螺儀很有前途的應(yīng)用。分析家預(yù)計(jì)，僅MEMS（MicroElectroMechanicalSystem，微電子機(jī)械系統(tǒng)）陀螺儀的市場(chǎng)就將從2006年的4億美元增長(zhǎng)到2012年的12億美元。隨著工業(yè)和消費(fèi)類(lèi)機(jī)器人的發(fā)展，陀螺儀將有望在這兩個(gè)市場(chǎng)大顯身手。在自動(dòng)化流水線(xiàn)上，陀螺儀有助于提高自動(dòng)化程度。光纖陀螺發(fā)展的方向：一是向更高精度、更高可靠性的方向發(fā)展，為航天、航空、航海提供高精度的慣性元件;二是向體積小、高度集成、價(jià)格便宜、結(jié)構(gòu)更牢固的超小型化方向發(fā)展，為戰(zhàn)術(shù)級(jí)應(yīng)用提供堅(jiān)固、廉價(jià)的慣性傳感器;三是朝多軸化方向發(fā)展。

1.3.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

近年來(lái)，對(duì)于陀螺儀的相關(guān)研究有很多，從中國(guó)知網(wǎng)搜索“陀螺儀原理”，總共出現(xiàn)2856篇文獻(xiàn)，各有研究側(cè)重點(diǎn)。比如探究陀螺儀本身，如王治平（2019）文章《陀螺儀的過(guò)去、現(xiàn)在和未來(lái)》，對(duì)于各種陀螺儀展開(kāi)介紹和分析其運(yùn)用原理，表示并不是所有的都是應(yīng)用角動(dòng)量守恒，只是陀螺儀更傾向于對(duì)角度傳感器的一致稱(chēng)呼。對(duì)于陀螺儀應(yīng)用領(lǐng)域也有探究，比如鄭仁?。?020）發(fā)布文章《陀螺儀在定向鉆穿越工程中的應(yīng)用》中指出，定向鉆穿越管線(xiàn)施工里，精確定位技術(shù)針對(duì)非開(kāi)挖施工模式安裝地下管線(xiàn)施工的實(shí)用性比較強(qiáng)，陀螺儀的三維精確定位技術(shù)屬于一個(gè)有著明媚發(fā)展前景的方向。文章結(jié)合臨港-化工區(qū)二標(biāo)段工程的具體施工實(shí)踐，對(duì)陀螺儀三維精確定位技術(shù)合理消化、應(yīng)用和成效等分析，最終找準(zhǔn)具體應(yīng)用中應(yīng)對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題的有效辦法，也為本文陀螺儀具體應(yīng)用提供了借鑒。又如梁飛（2019）在文章《一種基于運(yùn)動(dòng)模型和慣導(dǎo)陀螺儀的列車(chē)定位方法》中指出GPS、BD定位是列車(chē)定位的重要策略之一。要想有效解決衛(wèi)星信號(hào)缺失定位問(wèn)題，可以在慣導(dǎo)陀螺儀基礎(chǔ)上，運(yùn)用Kalman濾波算法合理處置好衛(wèi)星信號(hào)盲區(qū)的列車(chē)定位策略。李瑞通（2018）也有文章《基于陀螺儀技術(shù)的管線(xiàn)三維可視化研究》發(fā)布，指出現(xiàn)今運(yùn)用非開(kāi)挖技術(shù)實(shí)施管線(xiàn)鋪設(shè)和軌跡測(cè)量十分普遍，此種技術(shù)被廣泛應(yīng)用于電纜溝軌跡測(cè)量、燃?xì)夤芫€(xiàn)鋪設(shè)還有地下給排水管線(xiàn)勘測(cè)等部分。它的出現(xiàn)也將傳統(tǒng)技術(shù)對(duì)于環(huán)境的污染和破壞有所避免，也省去了人力、物力等成本。在研究中，作者針對(duì)陀螺儀技術(shù)的特點(diǎn)提出了兩種軌跡測(cè)量方法并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的硬件裝置。本文所研究的管線(xiàn)三維軌跡測(cè)量方案具體從以下幾個(gè)方面進(jìn)行論述：（1）隨著慣性傳感器和微控制器的快速發(fā)展，陀螺儀芯片集成化程度越來(lái)越高，裝置體積越來(lái)越小，更便于操控，受外界干擾較小。本文基于陀螺儀的這些特點(diǎn)提出了三種姿態(tài)測(cè)量方法和兩種軌跡測(cè)量算法，并對(duì)姿態(tài)測(cè)量方法進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明與比較，對(duì)兩種軌跡測(cè)量算法進(jìn)行了詳細(xì)的理論推導(dǎo)。（2）設(shè)計(jì)了一套基于慣性傳感器的軌跡測(cè)量系統(tǒng)，由平衡小車(chē)、DSP開(kāi)發(fā)板TMS320F28069、MPU9250、氣壓計(jì)、電機(jī)編碼器、電壓轉(zhuǎn)換模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊、上位機(jī)電腦和檢測(cè)計(jì)算軟件組成。測(cè)量系統(tǒng)在工作時(shí)，由平衡小車(chē)的電機(jī)帶動(dòng)小車(chē)行走，編碼器采集脈沖數(shù)據(jù)，姿態(tài)傳感器以一定的頻率測(cè)量俯仰角、橫滾角、偏航角以及高度數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸模塊不斷地發(fā)送給上位機(jī)，然后PC端再對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。這些都對(duì)現(xiàn)實(shí)具備指導(dǎo)意義，也對(duì)論文的完成提供了參考。

綜上所述，對(duì)于陀螺儀的研究很多，各個(gè)領(lǐng)域探究應(yīng)用的也很多，不過(guò)對(duì)于燃?xì)夤艿缿?yīng)用先進(jìn)技術(shù)，合理利用陀螺儀提升精確定位很有益處，值得不斷探究，為技術(shù)的深度發(fā)展提供參考和借鑒。

二、陀螺儀相關(guān)概述

（一）陀螺儀原理

陀螺儀的原理指的是一個(gè)旋轉(zhuǎn)物體的旋轉(zhuǎn)軸指向并不被外力所影響下，是不會(huì)輕易改變。大眾遵照這一原理，運(yùn)用它維持方向，制造出來(lái)的儀器即為陀螺儀。陀螺儀工作的時(shí)候需要借力，讓它迅速轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，往往速度保持每分鐘幾十萬(wàn)轉(zhuǎn)，工作時(shí)間比較長(zhǎng)。而后運(yùn)用多種策略對(duì)軸所指示的方向進(jìn)行讀取，自動(dòng)將相關(guān)數(shù)據(jù)信號(hào)傳遞給管控系統(tǒng)中。實(shí)際生活里，陀螺儀進(jìn)行進(jìn)給運(yùn)動(dòng)就是在重力力矩效用下產(chǎn)生。

陀螺儀較多運(yùn)用在航空、航天以及航海等領(lǐng)域。這是由其具備的兩個(gè)基礎(chǔ)性特點(diǎn)所決定，其一是定軸性，其二是進(jìn)動(dòng)性，這些都是基于角動(dòng)量守恒原則之上。

定軸性（inertia or rigidity）：陀螺轉(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，并不被外力矩作用于陀螺儀上，陀螺儀其自轉(zhuǎn)軸保持慣性空間里的指向穩(wěn)定不變，也就是朝著一個(gè)固定方向指。而且是對(duì)任一改變轉(zhuǎn)子軸向反抗的力量。此種物理現(xiàn)象被稱(chēng)為陀螺儀的定軸性、穩(wěn)定性。在物理量上隨兩點(diǎn)改變，其一是轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越大則穩(wěn)定性越好;轉(zhuǎn)子角速度越大，則穩(wěn)定性也越好?！稗D(zhuǎn)動(dòng)慣量”指的是剛體轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候慣性大小的物理量。一旦運(yùn)用一樣的力矩依次在兩個(gè)繞定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的各個(gè)剛體做用上，它們能夠收獲的角速度也不相同。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大的剛體對(duì)應(yīng)的角速度比較小，同時(shí)維持的原本轉(zhuǎn)動(dòng)情況慣性大;與之相反，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較小的剛體取得的角速度比較大，同時(shí)維持的原本轉(zhuǎn)動(dòng)情況慣性較小。

進(jìn)動(dòng)性（precession）：一旦轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，如果外力矩在外環(huán)軸起到作用，則陀螺儀則是繞著內(nèi)環(huán)軸轉(zhuǎn)動(dòng);一旦外力矩對(duì)內(nèi)環(huán)軸作用，陀螺儀則是繞著外環(huán)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)角速度其方向需要和外力矩作用方向彼此垂直。此種特點(diǎn)，被稱(chēng)之為陀螺儀的進(jìn)動(dòng)性。進(jìn)動(dòng)角速度其方向是受動(dòng)力矩H的方向、外力矩M的方向所決定，同時(shí)從自轉(zhuǎn)角速度的矢量以較短的路徑對(duì)外力矩進(jìn)行追擊。進(jìn)動(dòng)方向能夠運(yùn)用右手定則予以判定，也就是將右手伸直，大拇指和食指保持垂直，手指沿著自轉(zhuǎn)軸的方向，而手掌朝著外力矩的正方向，讓手掌和4指維持彎曲握拳態(tài)勢(shì)，此時(shí)大拇指的方向就是進(jìn)動(dòng)角速度的具體方向。進(jìn)動(dòng)角速度在大小上則是歸究于轉(zhuǎn)子動(dòng)量矩H和外力矩M的大小，具體計(jì)算公式是M/H（圖1）。實(shí)際上，進(jìn)動(dòng)性大小存在著三個(gè)影響因素：

（1）受到外界作用力越大，則存在的進(jìn)動(dòng)角速度也就越大;

（2）轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越大，則進(jìn)動(dòng)角速度也就越小;

（3）轉(zhuǎn)子角速度越大，則進(jìn)動(dòng)角速度也就越小。

（二）常見(jiàn)陀螺儀介紹

2.2.1光纖陀螺儀

光纖陀螺儀是光導(dǎo)纖維線(xiàn)圈之上的敏感元件，經(jīng)由激光二極管射出光線(xiàn)朝著兩個(gè)方向順著光導(dǎo)纖維進(jìn)行傳播。光傳播的路徑差別也將敏感元件的角位移造成不同結(jié)果。光纖陀螺儀和一般的機(jī)械陀螺儀比起來(lái)，優(yōu)勢(shì)在于全固態(tài)，不存在旋轉(zhuǎn)和摩擦等部件，使用壽命比較長(zhǎng)，動(dòng)態(tài)范疇較大，能夠瞬間啟動(dòng)，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，尺寸也小，比較輕。相較于激光陀螺儀，它不具備閉鎖問(wèn)題，更不需要在石英塊上進(jìn)行精密加工，成本較低。

光纖陀螺儀的工作原理：一旦光束在環(huán)形通道中進(jìn)行，如果環(huán)形通道自身具備轉(zhuǎn)動(dòng)速度，如此光線(xiàn)順著通道轉(zhuǎn)動(dòng)方向行進(jìn)時(shí)間要相較于順著通道轉(zhuǎn)動(dòng)相反方向要去的時(shí)間更多。一旦光學(xué)環(huán)路轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，各個(gè)行進(jìn)方向中，光學(xué)環(huán)路光程比起環(huán)路靜止的光程存在變化。運(yùn)用此種光程變化，就將兩條光路的干涉條紋變化檢測(cè)出來(lái)，進(jìn)而測(cè)出光路旋轉(zhuǎn)角速度。

2.2.2驅(qū)動(dòng)彈性陀螺儀

彈性驅(qū)動(dòng)指的是運(yùn)用發(fā)條彈簧儲(chǔ)備的彈簧勢(shì)能將陀螺儀轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)高速旋轉(zhuǎn)的陀螺儀，最為顯著的特性就是在啟動(dòng)時(shí)間上比較短。

驅(qū)動(dòng)彈性陀螺儀的啟動(dòng)原理：發(fā)條彈簧屬于彈性驅(qū)動(dòng)陀螺儀的動(dòng)力源中最為重要的元件。一般在發(fā)條選擇上多用蝸線(xiàn)發(fā)條、直線(xiàn)蝸卷發(fā)條。前者自由形態(tài)下維持著蝸卷型，運(yùn)用蝸卷發(fā)條卷緊回復(fù)到自由狀態(tài)恢復(fù)力矩。直線(xiàn)蝸卷發(fā)條的工作部分在自由狀態(tài)下展現(xiàn)出的直線(xiàn)形，兩頭的形狀呈現(xiàn)出多種類(lèi)型，由于不具備原始彎曲，因此加工成本比較低。整個(gè)研制中，前前后后都運(yùn)用過(guò)蝸線(xiàn)發(fā)條、直線(xiàn)蝸卷發(fā)條等，選用直線(xiàn)蝸卷發(fā)條便于加工，并且因?yàn)榘l(fā)條鋼帶在厚度上能夠小一些，便于裝配（圖2）。

因?yàn)閺椥则?qū)動(dòng)陀螺儀的啟動(dòng)時(shí)間比較快，一般都會(huì)應(yīng)用在需要快速啟動(dòng)的場(chǎng)景。此種陀螺儀在結(jié)構(gòu)上比較簡(jiǎn)單，制造成本也低，可靠性更好。倘若實(shí)際運(yùn)用中需要工作時(shí)間比較短，區(qū)間維持在20-40秒之間。如此轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)之后，能夠憑借慣性運(yùn)轉(zhuǎn)保證陀螺儀的正常工作。倘若需要工作的時(shí)間比較長(zhǎng)，能夠增添電保障轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。比如運(yùn)用發(fā)條彈簧讓陀螺儀轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)速度維持在18000r/min，而后轉(zhuǎn)換為微電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速22000r/min。倘若對(duì)于轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性要求并不太高，則可以采取較為簡(jiǎn)易的策略保障轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速維持在對(duì)應(yīng)的范疇中。

2.2.3微機(jī)械陀螺儀

微機(jī)械陀螺儀其實(shí)是建立在微米技術(shù)之上的先進(jìn)技術(shù)，是對(duì)微米材料進(jìn)行設(shè)計(jì)和加工、測(cè)量、控制的技術(shù)，能夠集機(jī)械構(gòu)件、光學(xué)系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)部件、電控系統(tǒng)等形成綜合單元微型系統(tǒng)。微機(jī)械陀螺儀的工作原理為：傳統(tǒng)的陀螺儀運(yùn)用的是角動(dòng)量守恒原理，所以它屬于不停轉(zhuǎn)動(dòng)的一個(gè)物體，其轉(zhuǎn)軸指向并不會(huì)和承載它的支架旋轉(zhuǎn)而合理變化。不過(guò)微機(jī)械陀螺儀工作原理與之相區(qū)別，由于需要微機(jī)械技術(shù)在硅片襯底中加工可轉(zhuǎn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)比較難。微機(jī)械陀螺儀運(yùn)用的是科里奧利力——旋轉(zhuǎn)物體在徑向運(yùn)動(dòng)中接受的切向力。

倘若物體在圓盤(pán)上不進(jìn)行徑向運(yùn)動(dòng)，那么就不會(huì)產(chǎn)生科里奧利力。所以，在微機(jī)械陀螺儀設(shè)計(jì)的時(shí)候，物體被驅(qū)動(dòng)，反反復(fù)復(fù)進(jìn)行徑向運(yùn)動(dòng)或是震蕩，相對(duì)而言科里奧利力就要求不停橫向往返變化，使得物體橫向運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)微小震蕩，與驅(qū)動(dòng)力形成90°。

2.2.4慣性陀螺儀

慣性陀螺儀定位技術(shù)是一種領(lǐng)先的管道精確定位技術(shù)，能夠自動(dòng)生成三維坐標(biāo)之上的地下管道空間曲線(xiàn)圖，進(jìn)而確定精確的定位埋深較深的管道，不會(huì)因?yàn)楣艿啦馁|(zhì)有所限制。倘若要求取得管道的某位置確切埋深，就需要在測(cè)量該點(diǎn)的上方地面高程，同時(shí)讓?xiě)T性陀螺儀的定位技術(shù)生成此點(diǎn)坐標(biāo)和高程相減，如此就能夠了解到此點(diǎn)管道的確切埋深。

慣性陀螺儀是以高速回轉(zhuǎn)體的動(dòng)量矩敏感殼體相對(duì)慣性空間和自轉(zhuǎn)軸繞正交的一個(gè)或是兩個(gè)軸的角運(yùn)動(dòng)檢測(cè)設(shè)備。在旋轉(zhuǎn)中，倘若受外力效用，轉(zhuǎn)動(dòng)輪的某點(diǎn)會(huì)受力而被陀螺儀發(fā)現(xiàn)傾斜，進(jìn)而讓陀螺儀受到勢(shì)能相較陀螺儀的旋轉(zhuǎn)時(shí)速低，那么這時(shí)受力點(diǎn)就會(huì)有所傾斜而向上滑動(dòng)。整個(gè)向斜上角運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，陀螺儀受力點(diǎn)的勢(shì)能也會(huì)向下運(yùn)行。如此受力點(diǎn)與之相反的直徑另一端，一樣會(huì)有對(duì)應(yīng)的勢(shì)能，此勢(shì)能和受力點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方正相反，受力點(diǎn)向下，勢(shì)能向上，一般稱(chēng)點(diǎn)為聯(lián)動(dòng)受力點(diǎn)。一旦聯(lián)動(dòng)受力點(diǎn)旋轉(zhuǎn)到180°的時(shí)候，斜上角到斜下角，如此聯(lián)動(dòng)受力點(diǎn)會(huì)將陀螺儀向上拉動(dòng)。此時(shí)受力點(diǎn)和聯(lián)動(dòng)受力點(diǎn)彼此作用，進(jìn)而讓陀螺儀回歸平衡。

實(shí)際中，慣性陀螺儀和加速度會(huì)因坐標(biāo)系的變化，加速度性質(zhì)也出現(xiàn)變化，轉(zhuǎn)變?yōu)轫樦鴮?dǎo)航坐標(biāo)方向進(jìn)行加速度。例如讓北向加速度計(jì)和東向的加速度計(jì)實(shí)測(cè)加速度值進(jìn)行積分，分別在初始速度上獲得對(duì)應(yīng)的速度分量。如此和初始經(jīng)緯坐標(biāo)相加，進(jìn)而確定管線(xiàn)的具體位置。因?yàn)閼T性陀螺儀的誤差數(shù)值相當(dāng)小，僅在15cm，而能夠探測(cè)的速度多過(guò)500m，所以，此種探測(cè)儀器極具應(yīng)用價(jià)值。

三、陀螺儀在燃?xì)庑袠I(yè)的應(yīng)用

隨著城市建設(shè)的較快發(fā)展，燃?xì)夤芫€(xiàn)可覆蓋區(qū)域日漸擴(kuò)大，分布的密度也日漸增大，隨之而來(lái)的燃?xì)忭敼芊笤O(shè)施工也不斷增多。燃?xì)忭敼芊笤O(shè)市場(chǎng)需要穿過(guò)鐵路、公路和河流等，建立在城市市容環(huán)境、交通影響等基礎(chǔ)上的考慮，運(yùn)用非開(kāi)挖技術(shù)敷設(shè)的狀況日漸增多。由于地下土壤、石塊等影響，完成施工之后，實(shí)際的管線(xiàn)平面位置、埋深等可能會(huì)和管線(xiàn)設(shè)計(jì)圖有所偏差，往往偏差會(huì)維持在0.5m-5m之間。那么，在非開(kāi)挖施工技術(shù)提升燃?xì)夤艿朗┕ば实耐瑫r(shí)，也有一大難題，即怎樣確保非開(kāi)挖穿越管線(xiàn)測(cè)量走向精確。究其原因在于實(shí)際操作中，由于埋深大，則會(huì)讓一般的設(shè)備探測(cè)存在深度不足，不能將探測(cè)管線(xiàn)的確切位置確定;操作需要穿越地表障礙物，讓運(yùn)維人員不能穿越地面障礙進(jìn)行巡檢，增加探測(cè)難度;還有前面提到的管線(xiàn)實(shí)際竣工位置和設(shè)計(jì)圖存在偏差，會(huì)造成竣工資料的不完備，為之后施工、巡檢等增加難度。為了成功獲取非開(kāi)挖管線(xiàn)和探測(cè)管線(xiàn)位置的確切位置，合理的運(yùn)用地下空間，盡可能避免出現(xiàn)管線(xiàn)切改，減少甚至避免出現(xiàn)潛在的地下事故隱患，則能夠應(yīng)用慣性陀螺儀精確定位地下管線(xiàn)，用以解決一般探測(cè)手段無(wú)法有效解決的問(wèn)題。

（一）陀螺儀應(yīng)用在燃?xì)庑袠I(yè)的技術(shù)構(gòu)成

在燃?xì)庑袠I(yè)管道施工中，慣性陀螺儀的應(yīng)用側(cè)重于定位技術(shù)，是一種國(guó)際領(lǐng)先的管道精確定位技術(shù)，可以自動(dòng)生成三維坐標(biāo)（x，y，z）的地下管道空間曲線(xiàn)圖，讓埋深比較深的管道能夠精確定位，而不被管道材質(zhì)影響。倘若要求收集管道中某位置的確切埋深，可以對(duì)該點(diǎn)上方的地面高程進(jìn)行測(cè)量，并且運(yùn)用慣性陀螺儀定位技術(shù)形成該點(diǎn)的Z坐標(biāo)和地面高程相減，就能夠讓該點(diǎn)管道的埋深精確獲知。

慣性陀螺儀定位技術(shù)是由硬件、軟件兩個(gè)部分構(gòu)成，硬件部分是由測(cè)量主機(jī)、牽引鋼繩構(gòu)成，前者是由支架、陀螺儀組成，等到管道定向穿過(guò)施工完工之后，將管道兩側(cè)切開(kāi)，讓測(cè)量主機(jī)被納入被測(cè)管道中，通過(guò)牽引鋼繩帶動(dòng)管道來(lái)回拖行，測(cè)量主機(jī)會(huì)將各個(gè)被測(cè)管道點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)自動(dòng)記錄好。

同時(shí)，軟件實(shí)際是運(yùn)用于解算測(cè)量主機(jī)收集數(shù)據(jù)的完整系列電腦程序，透過(guò)軟件解算，獲取管道三維坐標(biāo)，并且逐步生成管道位置三維曲線(xiàn)圖。見(jiàn)圖4，圖中的藍(lán)色曲線(xiàn)就是生成的管道縱剖面軌跡。

（二）陀螺儀應(yīng)用在燃?xì)庑袠I(yè)的優(yōu)勢(shì)

陀螺儀三維精確定位技術(shù)應(yīng)用在燃?xì)庑袠I(yè)極具優(yōu)勢(shì)，利用陀螺儀原理和計(jì)算機(jī)技術(shù)有機(jī)融合，運(yùn)用其中的導(dǎo)航技術(shù)自動(dòng)生成三維空間坐標(biāo)，組成管線(xiàn)三維圖形，將管線(xiàn)管材、埋深和地表環(huán)境等限制逐一突破，如此確切、安全的定位非開(kāi)挖施工管線(xiàn)位置，能夠有效處理非開(kāi)挖施工管線(xiàn)較難探測(cè)問(wèn)題。本身，陀螺儀運(yùn)用在燃?xì)庑袠I(yè)具備許多特別技術(shù)特性：對(duì)所有材質(zhì)的管道都可測(cè)量;不被地形障礙所影響;不被電磁波所干擾;不被深度所限制;形成的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)能夠生成SCV表格、SCR腳本和XML文件，較易完成數(shù)據(jù)的交換;成果數(shù)據(jù)都能夠從軟件自動(dòng)運(yùn)算出來(lái)，不需要人工核算，讓人為誤差因素消掉，并且完成重復(fù)性驗(yàn)證。

關(guān)于陀螺儀應(yīng)用在燃?xì)庑袠I(yè)的優(yōu)勢(shì)有下述幾點(diǎn)：

（1）測(cè)量的精確度較高。水平方向和深度方向都應(yīng)當(dāng)保證±0.2%L，在這之中L屬于目標(biāo)管道的長(zhǎng)度，一旦L<100m的時(shí)候需要用100m代入合理計(jì)算;

（2）坐標(biāo)成效較好。系統(tǒng)能夠遵照相應(yīng)距離核算出管道的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，能夠透過(guò)管道的首尾絕對(duì)坐標(biāo)，核算出管道沿線(xiàn)的所有坐標(biāo)數(shù)據(jù)，位置得以永久確定，隨便地表、基樁等任意變化，都可以較快的將管道位置定位查找出來(lái)。

（3）不被外部所影響。測(cè)量工作模式不會(huì)因?yàn)殡姶挪ㄊ艿礁蓴_，也不會(huì)因?yàn)榈孛姝h(huán)境、交通和天氣、光線(xiàn)等所影響，更不會(huì)因?yàn)楣艿啦馁|(zhì)、周遭環(huán)境等所干擾，也不被埋設(shè)深度所限制。

對(duì)于陀螺儀應(yīng)用在燃?xì)庑袠I(yè)的建設(shè)需要確定一個(gè)明確的目標(biāo)，即組建起頗為完備的燃?xì)夤艿雷鴺?biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)。運(yùn)用三維慣性陀螺管道測(cè)繪，可以將老舊沒(méi)有真實(shí)路徑坐標(biāo)的部分填補(bǔ)起來(lái)，進(jìn)而對(duì)管線(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)更新、完善，最終為老舊管道的查找和施工運(yùn)維等供應(yīng)決策依據(jù)。此外，運(yùn)用三維慣性管道測(cè)繪，能夠讓新建的頂管管道竣工驗(yàn)收方面的策略更為強(qiáng)化。透過(guò)對(duì)設(shè)備運(yùn)用的管道具體竣工數(shù)據(jù)和管道施工設(shè)計(jì)圖合理比對(duì)，對(duì)施工是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求合理評(píng)價(jià)，保障敷設(shè)的規(guī)范性要求，取得確切的燃?xì)夤艿雷鴺?biāo)信息，進(jìn)而確保燃?xì)夤艿赖暮侠戆踩\(yùn)行，以便之后的工作做到精確化管理。

（三）具體應(yīng)用

運(yùn)用慣性陀螺儀定位技術(shù)針對(duì)燃?xì)夤艿勒归_(kāi)定位，本文介紹的案例就是針對(duì)某市區(qū)的水道燃?xì)怃撝乒艿浪蕉ㄏ蜚@穿工程運(yùn)用慣性陀螺儀展開(kāi)測(cè)量。

（1）數(shù)據(jù)采集和解算

在管道水平定向鉆穿越施工完工后，將管道兩側(cè)切開(kāi)，運(yùn)用全站儀對(duì)管道兩側(cè)的軸線(xiàn)中點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，并且逐一記錄下來(lái)。在管道內(nèi)部穿線(xiàn)，讓?xiě)T性陀螺儀能夠在管道中拖拉同行。如今穿線(xiàn)形式可有兩種選擇，其一是穿管器穿線(xiàn)。讓穿管器在管道一端進(jìn)去，人工在管口助力其推入管道內(nèi)部，并且最后由管道的另一端穿出，使得露出的穿管器金屬頭和牽引鋼繩相連，而后遵照原本的路徑拖回穿管器，由此結(jié)束整個(gè)穿線(xiàn)工作。其二是鼓風(fēng)機(jī)穿線(xiàn)。風(fēng)箏線(xiàn)綁膨脹塑料袋入到管道一端，運(yùn)用鼓風(fēng)機(jī)對(duì)準(zhǔn)的管口塑料袋鼓風(fēng)，待到塑料袋吹到管道的另一側(cè)，也就結(jié)束穿線(xiàn)。其三，待到穿好的管道線(xiàn)和鋼繩牽引后，讓牽引鋼繩放在管道里，而后牽引鋼繩和測(cè)量主體相連，并且將測(cè)量主機(jī)拉動(dòng)由管道一側(cè)朝著另一側(cè)滑動(dòng)，由牽引鋼繩拖動(dòng)在管道中來(lái)回通行，將數(shù)據(jù)一一采集完。其四是透過(guò)電腦程序解算測(cè)量主機(jī)整理收集到的數(shù)據(jù)，進(jìn)而獲取管道三維坐標(biāo)。

（2）數(shù)據(jù)分析

本次檢測(cè)某市區(qū)的水道燃?xì)怃撡|(zhì)管道，可以運(yùn)用慣性陀螺儀來(lái)來(lái)回回采集兩組數(shù)據(jù)。將儀器固定的頻率采集數(shù)據(jù)，待到解算的時(shí)候，讓采樣中的里程間隔合理設(shè)置在1m，那么對(duì)應(yīng)就會(huì)生成一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，進(jìn)而構(gòu)成管道三維坐標(biāo)。因?yàn)楣艿赖淖鴺?biāo)數(shù)據(jù)永遠(yuǎn)不變，隨便地表和基樁變化，都可以透過(guò)此坐標(biāo)較快的定位尋找到管道位置。一旦管道周遭展開(kāi)第三方施工的時(shí)候，因?yàn)楣艿赖脑敱M位置能夠確定，所以能夠規(guī)避掉第三方施工的破壞性。

透過(guò)實(shí)例介紹慣性陀螺儀定位技術(shù)在燃?xì)庑袠I(yè)具體運(yùn)用，可以有效處理好當(dāng)前超常埋深管道的探測(cè)難題，可以較好的將第三方定向穿越施工對(duì)于燃?xì)夤艿榔茐牡目赡軠p少，具體結(jié)果既可靠又穩(wěn)定。如此也為之后管道運(yùn)行、監(jiān)管形成讓人信賴(lài)的技術(shù)資料，極大的能夠減少非開(kāi)挖施工事故的發(fā)生。

四、結(jié)論

憑借慣性陀螺儀的諸多優(yōu)勢(shì)，如今早就被廣泛運(yùn)用在多種領(lǐng)域，尤其是對(duì)于部分遠(yuǎn)距離較大類(lèi)型的穿越工程管線(xiàn)定位測(cè)量，作用更為明顯。伴隨著社會(huì)進(jìn)步和發(fā)展，相信此種高尖端測(cè)量?jī)x器會(huì)被運(yùn)用到更多社會(huì)行業(yè)中，進(jìn)而創(chuàng)造出多種經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值。本文是探究陀螺儀應(yīng)用在燃?xì)庑袠I(yè)的情況，總結(jié)了下述幾點(diǎn)：

（1）圍繞著論文課題《論陀螺儀在燃?xì)庑袠I(yè)的應(yīng)用》，研究其背景、意義和研究方法、研究?jī)?nèi)容還有國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀。為后續(xù)的課題研究打好了基礎(chǔ)。

（2）從陀螺儀的原理以及集中常見(jiàn)陀螺儀出發(fā)，對(duì)和陀螺儀有關(guān)的概述逐一介紹。了解到陀螺儀能夠幫助燃?xì)夤艿赖氖┕ぞ_度提升，也為之后的維修、檢測(cè)提供了可靠數(shù)據(jù)和技術(shù)支持。

（3）指出在燃?xì)庑袠I(yè)，陀螺儀其應(yīng)用具備的優(yōu)勢(shì)有三點(diǎn)，并且介紹了相應(yīng)的技術(shù)構(gòu)成，更以實(shí)際案例介紹了陀螺儀的適用。

（4）在論文完成過(guò)程中，對(duì)于所學(xué)專(zhuān)業(yè)知識(shí)也重新鞏固了一遍，由于學(xué)力有限，論文對(duì)于部分內(nèi)容未有探究或是詳加探究。相信在今后的工作、學(xué)習(xí)中會(huì)不斷得到鞏固。

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