什么是万向节锁？(gimbal lock?)

万向节锁定可能发生在陀螺仪、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向所需方向移动的方式对齐时，就会造成万向节锁定。陀螺仪是一个旋转的轮子，被支撑在一系列笼子或支架内，被用于飞机和船舶以帮助导航。每个笼子提供三个方向之一的运动，使陀螺仪可以安装在移动的船舶或飞机上，同时保持水平方向。...

All objects in space can be described by a combination of three angles.

陀螺仪最早在18世纪的文献中被讨论，19世纪建造了用于船舶的实用仪器。Elmer Sperry在20世纪初建造了第一个用于飞机自动驾驶控制的陀螺仪。使用陀螺仪进行导航的好处是，无论船舶或飞机如何运动，旋转的陀螺仪轮都能保持一个水平方向。将陀螺仪连接到仪器上，可以提供一个 "人工地平线"，或者说，即使在海上风暴或飞机湍流期间，也可以通过仪器查看水平。

空间中的所有物体都可以由三个角度的组合来描述，这些角度由一个叫做欧拉角的数学公式来定义。这三个角度通常用x轴、y轴和z轴等术语来描述。当一个设备可以向上或向下、向左或向右、向内或向外转动时，就说它有三个自由度。安装在三个笼子里的陀螺仪，每个都以三个角度中的一个旋转，理论上可以转向导航所需的任何方向。

万向节锁定的效果可以在陀螺仪中看到，但在不太复杂的设备中也会发生。举个例子，一个观众用望远镜跟踪头顶上的卫星，会达到一个点，即望远镜直指上方。在这一点上，观看者将望远镜转动180°，可以继续跟踪卫星，因为它以相反的方向向地平线移动。

如果被跟踪的物体，如飞机，在头顶上移动，然后改变方向90°并移开，就会发生万向节锁定。在这一点上，望远镜无法转向，因为支架或万向节阻止了该方向的移动。仪器必须旋转，或在其基座上转动，以克服这个问题。

人类可以适应这些情况，因为他们可能认识到望远镜不能继续跟踪飞机，除非将望远镜转动90°。问题是，经常会失去对物体的跟踪，直到观看者能在望远镜目镜中再次找到它。这种情况也可能发生在用于跟踪飞机的雷达天线上，这些天线在位于天线上方时转弯。必须编写计算机软件来补偿因万向节锁定而造成的跟踪损失。

在陀螺仪中，有几个角度会发生万向节锁定，当保持架排成一排，阻止陀螺仪转动。就像望远镜的例子一样，陀螺仪现在被阻止自由移动，被称为 "陀螺锁定"。进行特技飞行的飞机，或在不寻常的方向上转弯和旋转的飞机，会在其导航仪器中引起这种行为。执行这些动作的飞行员通常会在特技飞行前手动锁定陀螺仪，以防止万向节锁定和陀螺仪的压力。

航天器导航使用陀螺仪来保持一个已知的参考点。太空中没有地平线，位置必须由其相对于特定星星的位置来确定，这种技术称为天体导航。当航天器翻滚或改变方向时，保持 "水平 "方向的陀螺仪可能会锁定万向节并导致参考点的丢失。

宇航员必须目视参考导航星并重置陀螺仪以防止导航错误。解决这个问题的方法之一是增加第四个自由度，即另一个保持架，它的安装方向或角度与其他保持架不同。这样，即使两个保持架被万向节锁定，也能提供运动，从而使仪器能够继续导航。