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图4-12 一个自由度的稳定平台的示意图。取自原始的报告幻灯片
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陀螺仪是放置在支持框架中央的水平平台上的小盒子（图4-12上的“Gyro”）。［你们可以暂时不去管加速度计（Accel）；我们只要注意陀螺仪。］和以前的例子不同，陀螺仪的自转轴（SRA）是垂直的；不过输出轴（OA）仍旧水平。我们想象整个框架安装在沿图所示方向（图4-12中的“向前运动”方向）飞行的飞机中，那么输入轴就是飞机的俯仰运动的轴。当飞机向上或向下时，陀螺仪的飞轮开始绕输出轴进动，信号发生器就产生一个信号，但不是产生一个转矩来平衡，而是通过反馈系统用下述操作来替代：当飞机一开始绕俯仰运动的轴转动时，承载陀螺仪的框架相对于飞机转向相反的方向，这样一来抵消 了运动；我们把它转回原位，我们就没有信号了。换句话说，我们通过反馈保持了平台稳定，我们实际上完全不需要让陀螺仪运动！这比让它摇摆和转动并试图通过测量信号发生器的输出来计算飞机的上下颠簸方便了许多！将信号用这种方法回馈简便得多，平台完全不转动，陀螺仪始终保持它的轴不动——我们可以通过比较平台和飞机的地板就知道 颠簸角度。
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图4-13是一张解剖图，表示真实的“一个自由度”的陀螺仪的结构。在这张图上陀螺的飞轮看上去很大，但整个仪器可以放在我的手掌上。陀螺飞轮放在一个盒子里，它漂浮在非常少量的油中——它们充满着围绕盒子的罅隙——但已足够使两端的微小宝石轴承不需要支持重量。陀螺仪的飞轮一直在不停地旋转。支撑自转轴的轴承不要求是无摩擦的，因为它们被抵消了——摩擦力被引擎的动力克服了，引擎转动一个小马达，马达使陀螺仪的飞轮旋转。还有探测盒子极其微小的运动的电磁线圈［图4-13中的信号—转矩双同步（dualsyn）］，线圈提供反馈信号，反馈信号或者用来在盒子上产生绕输出轴的转矩，或者使承载陀螺仪的平台绕输入轴转动。
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图4-13 一个自由度的组合陀螺仪的解剖图。取自原始的报告幻灯片
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这里有一个有点困难的技术问题：给驱使陀螺飞轮转动的马达输送动力，我们必须将电流从仪器的固定部分送入转动着的盒子里面。这意味着导线必须和盒子接触，还有接触实际上必须无摩擦，这是非常困难的。所用的方法是下面这样的：四个精确制造的半圆形弹簧在盒子上和导线连接，如图4-14所示。弹簧是非常好的材料制造，像钟表弹簧的材料，只是非常精细。它们保持平衡，使得盒子准确地处在零位置时不产生转矩；如果盒子微微转动，它们产生很小的转矩——不过，由于弹簧做得如此完美，转矩可以精确知道——我们知道它的正确的方程式——它在反馈器件的线路中得到修正。
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图4-14 在一个自由度的陀螺仪中从套子到漂浮着的常平架的电连接
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盒子和油之间也有很大的摩擦力，在盒子转动时产生绕输出轴的转矩。但是液体油的摩擦定律是十分准确地知道的：转矩精确地正比于盒子转动的速率。所以它能在反馈线路的计算部分被完全校正，对于弹簧也是一样。
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像这类精密器械的主要原则并不是 尽量使每样东西都完美无瑕，而是使每样东西都确定和准确 。
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这种器件就像奇妙的“单马车”[3] ：每样东西都做到当前机械学可能的绝对极限，他们还在努力把它做得更好。但最严重的问题在于：假如陀螺飞轮的轴略微偏离盒子的中心，如图4-15所示，会发生什么情况。这样一来盒子的重心和输出轴不一致，飞轮的重量就要使盒子转动，产生许多不需要的转矩。
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图4-15 在一台一个自由度的陀螺仪中漂浮着不平衡的常平架造成相对于输出轴的不需要的转矩
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为了固定它，你要做的第一件事是钻一个小洞，或者将重物放在盒子里放一些重物使它尽可能平衡。然后你非常仔细地测量存在的剩余偏移，通过这种测量来校准。当你测量了你建造的某一器件并发现你不能将偏移减到零，你可以在反馈线路中使它得到校正。虽然在这个情况中问题在于偏移是不确定的，陀螺仪运行两三个小时后，由于轴承的磨损重心的位置会稍稍移动。
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现在，这种类型的陀螺仪比起10年前制造的改进了100多倍。最好的一种产生的偏移在每小时一度的1/100以下。对于图4-13所示的器件，它的陀螺飞轮的重心偏离盒子中心的运动不会大于百万分之一英寸的1/10！精密的机械常规应用要求达到诸如一亿分之一英寸，这比现在的精密机械常规提高一千倍。确实，这是最重要的问题之一——保证轴承不磨损，这样陀螺飞轮偏离中心向两边的移动不超过20个原子。
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4-7 加速度计
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我们前面讨论的器件可以用来告诉我们哪一方向是上方，或者使某个东西不会绕一个轴转动。如果我们有三台这样的器件沿三个轴安置，装在各种常平架上，如此等等，那么我们就可以使某个物体绝对稳定。当飞机转弯时，飞机内的平台保持水平，它完全不会向左或向右转动，它不会发生任何变化。用这样的方法我们就能保证它恒定指向北方，或东方，或上方或下方，或者任何其他方向。但下一个问题是要知道我们现在在什么地方 ：我们已经走了多远？
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现在，你们知道你们在飞机里面不能进行某种测量来求出飞机飞得多快，所以你肯定不能够测量出它飞出多远 ，但你可以测量它的加速度 是多少。因此，如果我们开始的时候测量出没有加速度，我们就说，“好，我们处在零点位置并且没有加速度。”当我们开始运动时我们一定要加速。当我们加速时就可以把它 测量出来。然后我们用计算机把加速度积分，我们就可以求出飞机的速率，再次积分我们就可以求出飞机的位置。因此，要确定某个物体走了多远的方法是测量加速度再对它积分两次。
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你怎样测量加速度呢？测量加速度的简单器件的略图画在图4-16中。最重要的部件只是一个重物（图中“地震重物”）。还有一个很弱的弹簧（弹性遏阻器）使重物大体上保持在原位，还有一个抑制它振荡的阻尼器，但这些细节都是不重要的。现在假设这整个器件向前加速，沿着箭头所指的方向（敏感轴）。当然，重物就要向后运动，我们利用标尺（指示加速度的标尺）测量它向后运动的距离；我们可以从这求出加速度，积分两次就到距离。很自然，如果我们在重物位置的测量中产生一点误差，这样我们求得的加速度有微小的偏差。经过很长的时间以后，对加速度积分两次，距离偏差就很大 。所以，我们必须把器件做得更好。
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图4-16 简单的加速器略图。取自原始的报告幻灯片
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