什么是万向节锁(Gimbal Lock)？

万向节锁可能发生在陀螺仪、望远镜和其他向多个方向移动的设备中，当万向节或支架以阻止设备朝所需方向移动的方式对齐时，就会产生万向节锁。陀螺仪是一个旋转的轮子，支撑在一系列的笼子或支架内，在飞机和船舶上用来帮助导航。每个笼子提供三个方向中的一个方向的运动，允许陀螺仪安装在移动的船舶或飞机上，同时保持水平方向。望远镜中可能会出现万向节锁陀螺仪最早出现在18世纪的文学作品中，在20世纪早期，Elmer Sperry制造了第一个用于飞机自动驾驶仪控制的陀螺仪。使用陀螺仪进行导航的好处是，无论船舶或飞机的运动如何，旋转的陀螺仪轮都能保持水平方向即使在海上风暴或飞机颠簸期间，仪器与仪器之间的陀螺仪也可以提供"人造地平线"或仪器水平视图。太空中的所有物体都可以用三个角的组合。空间中的所有物体都可以用三个角的组合来描述，这三个角是由一个叫做欧拉角的数学公式定义的这三个角度通常用x、y和z轴来描述。一个设备被称为有三个自由度，当它可以上下、向左或向右、向内或向外转动时。安装在三个笼子里的陀螺仪，每一个都以三个角度中的一个旋转，理论上可以朝导航所需的任何方向转动万向节锁的效果可以在陀螺仪中看到，但也可以出现在不太复杂的设备中。例如，观察者用望远镜跟踪头顶上的卫星时，会到达望远镜指向正上方的点。此时，观测者将望远镜旋转180°，当卫星朝着相反方向向地平线移动时，可以继续跟踪卫星。如果被跟踪的物体（如飞机）在头顶上移动，然后改变方向，就会发生万向节锁定90°并移动。此时，望远镜不能侧向转动，因为支架或万向节阻止了该方向的移动。仪器必须旋转，或者打开底座，才能克服这个问题。人类可以适应这些情况下，因为他们可能认识到，除非望远镜旋转90°，否则望远镜无法继续跟踪飞机。问题是，通常情况下，在观察者能够在望远镜目镜中再次找到目标之前，目标跟踪会丢失。当雷达天线位于天线上方时，用于跟踪飞机转弯的雷达天线也会发生这种情况必须编写计算机软件来补偿由于万向节锁造成的跟踪损失在陀螺仪中，当保持架排成一行时，有几个角度会发生万向节锁定，从而阻止陀螺仪转动。就像望远镜的例子一样，陀螺仪现在不能自由移动，被称为"陀螺锁定"。进行特技飞行或在不寻常的方向上转弯和旋转的飞机，在飞行特技飞行前，飞行员通常会手动锁定陀螺仪，以防止万向节锁定和陀螺仪受力。航天器导航使用陀螺仪保持一个已知的参考点。太空中没有地平线，其位置必须由它相对于特定恒星的位置来确定，这是一种叫做天体导航的技术。当航天器翻滚或改变方向时，保持"水平"方向的陀螺仪会锁死并导致基准丢失为了防止导航错误，宇航员必须视觉参考导航星并重置陀螺仪。解决问题的一个方法是增加第四个自由度，另一个笼子，它安装在与其他保持架不同的方向或角度上，即使两个保持架被万向节锁定，也能提供移动，从而允许仪器继续导航。