读懂陀螺仪传感器:导航、无人机以及永不会跌倒的车都离不开它!

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对于角速度传感器,很多人可能会比较陌生,不过,如果提到它的另一个名字——陀螺仪,相信有不少人知道。

陀螺仪的原理

陀螺仪,是一种用来感测与维持方向的装置,基于角动量不灭的理论设计出来的。陀螺仪一旦开始旋转,由于轮子的角动量,陀螺仪有抗拒方向改变的趋向。

通俗地说,一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时,是不会改变的。大家如果玩过陀螺就会知道,旋转的陀螺遇到外力时,它的轴的方向是不会随着外力的方向发生改变的。我们骑自行车其实也是利用了这个原理。轮子转得越快越不容易倒,因为车轴有一股保持水平的力量

人们根据这个道理,用它来保持方向,制造出来的东西就叫做陀螺仪,然后再用多种方法读取轴所指示的方向,并自动将数据信号传给控制系统。

陀螺仪的基本部件包括


1、陀螺转子(常采用同步电机、磁滞电机、三相交流电机等拖动方法来使陀螺转子绕自转轴高速旋转,并见其转速近似为常值)。

2、内、外框架(或称内、外环,它是使陀螺自转轴获得所需角转动自由度的结构)。

3、附件(是指力矩马达、信号传感器等)。

陀螺仪的两个重要特性

陀螺仪有两个非常重要的基本特性:一为定轴性,另一是进动性,这两种特性都是建立在角动量守恒的原则下。

定轴性

当陀螺转子以高速旋转时,在没有任何外力矩作用在陀螺仪上时,陀螺仪的自转轴在惯性空间中的指向保持稳定不变,即指向一个固定的方向;同时反抗任何改变转子轴向的力量。这种物理现象称为陀螺仪的定轴性或稳定性。

其稳定性随以下的物理量而改变:

1、转子的转动惯量愈大,稳定性愈好;

2、转子角速度愈大,稳定性愈好。

所谓的“转动惯量”,是描述刚体在转动中的惯性大小的物理量。当以相同的力矩分别作用于两个绕定轴转动的不同刚体时,它们所获得的角速度一般是不一样的,转动惯量大的刚体所获得的角速度小,也就是保持原有转动状态的惯性大;反之,转动惯量小的刚体所获得的角速度大,也就是保持原有转动状态的惯性小。

进动性

当转子高速旋转时,若外力矩作用于外环轴,陀螺仪将绕内环轴转动;若外力矩作用于内环轴,陀螺仪将绕外环轴转动。其转动角速度方向与外力矩作用方向互相垂直。这种特性,叫做陀螺仪的进动性。

进动性的大小有三个影响的因素:

1、外界作用力愈大,其进动角速度也愈大;

2、转子的转动惯量愈大,进动角速度愈小;

3、转子的角速度愈大,进动角速度愈小。

陀螺仪的前世今生

陀螺仪由1850年法国物理学家莱昂·傅科在研究地球自传中获得灵感而发明出来的,类似像是把一个高速旋转的陀螺放到一个万向支架上,靠陀螺的方向来计算角速度,和现在小巧的芯片造型大相径庭。

陀螺仪发明以后,首先被用在航海上(当年还没有发明飞机),后来被用在航空上。因为飞机飞在空中,是无法像地面一样靠肉眼辨认方向的,而飞行中方向都看不清楚危险性极高,所以陀螺仪迅速得到了应用,成为飞行仪表的核心。

到了第二次世界大战,各个国家都玩命的制造新式武器,德国人搞了飞弹去炸英国,这是今天导弹的雏形。从德国飞到英国,千里迢迢怎么让飞弹能飞到,还能落到目标呢?于是,德国人搞出来惯性制导系统。惯性制导系统采用用陀螺仪确定方向和角速度,用加速度计测试加速度,然后通过数学计算,就可以算出飞弹飞行的距离和路线,然后控制飞行姿态,争取让飞弹落到想去的地方。不过那时候计算机也好,仪器也好,精度都是不太够的,所以德国的飞弹偏差很大,想要炸伦敦,结果炸得到处都是,颇让英国人恐慌了一阵。

不过,从此以后,以陀螺仪为核心的惯性制导系统就被广泛应用于航空航天,今天的导弹里面依然有这套东西,而随着需求的刺激,陀螺仪也在不断进化。

传统的惯性陀螺仪主要是指机械式的陀螺仪,机械式的陀螺仪对工艺结构的要求很高,结构复杂,它的精度受到了很多方面的制约。

自从上个世纪七十年代以来,现代陀螺仪的发展已经进入了一个全新的阶段。1976年等提出了现代光纤陀螺仪的基本设想,到八十年代以后,现代光纤陀螺仪就得到了非常迅速的发展,与此同时激光谐振陀螺仪也有了很大的发展。由于光纤陀螺仪具有结构紧凑,灵敏度高,工作可靠等等优点,所以目前光纤陀螺仪在很多的领域已经完全取代了机械式的传统的陀螺仪,成为现代导航仪器中的关键部件。

同时,激光陀螺仪也有突破,它通过光程差来测量旋转角速度,优点和光纤陀螺仪差不多,但成本高一些。

而我们现在智能手机上采用的陀螺仪是MEMS(微机电)陀螺仪,它精度并不如前面说到的光纤和激光陀螺仪,需要参考其他传感器的数据才能实现功能,但其体积小、功耗低、易于数字化和智能化,特别是成本低,易于批量生产,非常适合手机、汽车牵引控制系统、医疗器材这些需要大规模生产的设备。

陀螺仪的分类

按照转子转动的自由度分成:双自由度陀螺仪(也称三自由度陀螺仪)和单自由度陀螺仪(也称二自由度陀螺仪)。前者用于测定飞行器的姿态角,后者用于测定姿态角速度,因此常称单自由度陀螺仪为。

但通常多按陀螺仪中所采用的支承方式分类:

滚珠轴承自由陀螺仪

它是经典的陀螺仪。利用滚珠轴承支承是应用最早、最广泛的支承方式。滚珠轴承靠直接接触,摩擦力矩大,陀螺仪的精度不高,漂移率为每小时几度,但工作可靠,迄今还用在精度要求不高的场合。

一个自由转子陀螺仪(双自由度陀螺仪)靠内环轴和外环轴角度传感元件可以测量两个姿态角。

液浮陀螺仪

又称浮子陀螺。内框架(内环)和转子形成密封球形或圆柱形的浮子组件。转子在浮子组件内高速旋转,在浮子组件与壳体间充以浮液,用以产生所需要的浮力和阻尼。浮力与浮子组件的重量相等者,称为全浮陀螺;浮力小于浮子组件重量者称为半浮陀螺。

由于利用浮力支承,摩擦力矩减小,陀螺仪的精度较高,但因不能定位仍有摩擦存在。为弥补这一不足,通常在液浮的基础上增加磁悬浮,即由浮液承担浮子组件的重量,而用磁场形成的推力使浮子组件悬浮在中心位置。

现代高精度的单自由度液浮陀螺常是液浮、磁浮和动压气浮并用的三浮陀螺仪。这种陀螺仪比滚珠轴承陀螺仪的精度高,漂移率为0.01度/时。但液浮陀螺仪要求较高的加工精度、严格的装配、精确的温控,因而成本较高。

静电陀螺仪

又称电浮陀螺。在金属球形空心转子的周围装有均匀分布的高压电极,对转子形成静电场,用静电力支承高速旋转的转子。这种方式属于球形支承,转子不仅能绕自转轴旋转,同时也能绕垂直于自转轴的任何方向转动,故属自由转子陀螺仪类型。

静电场仅有吸力,转子离电极越近吸力就越大,这就使转子处于不稳定状态。用一套支承电路改变转子所受的力,可使转子保持在中心位置。静电陀螺仪采用非接触支承,不存在摩擦,所以精度很高,漂移率低达10~10度/时。它不能承受较大的冲击和振动。它的缺点是结构和制造工艺复杂,成本较高。

挠性陀螺仪

转子装在弹性支承装置上的陀螺仪。在挠性陀螺仪中应用较广的是动力调谐挠性陀螺仪。它由内挠性杆、外挠性杆、平衡环、转子、驱动轴和电机等组成。

它靠平衡环扭摆运动时产生的动力反作用力矩(陀螺力矩)来平衡挠性杆支承产生的弹性力矩,从而使转子成为一个无约束的自由转子,这种平衡就是调谐。

挠性陀螺仪是60年代迅速发展起来的惯性元件,它因结构简单、精度高(与液浮陀螺相近)、成本低,在飞机和导弹上得到了广泛应用。

激光陀螺仪

它的结构原理与上面几种陀螺仪完全不同。激光陀螺实际上是一种环形激光器,没有高速旋转的机械转子,但它利用激光技术测量物体相对于惯性空间的角速度,具有速率陀螺仪的功能。

激光陀螺仪的结构和工作是:用热膨胀系数极小的材料制成三角形空腔。在空腔的各顶点分别安装三块反射镜,形成闭合光路。腔体被抽成真空,充以氦氖气,并装设电极,形成激光发生器。

激光发生器产生两束射向相反的激光。当环形激光器处于静止状态时,两束激光绕行一周的光程相等,因而频率相同,两个频率之差(频差)为零,干涉条纹为零。

当环形激光器绕垂直于闭合光路平面的轴转动时,与转动方向一致的那束光的光程延长,波长增大,频率降低;另一束光则相反,因而出现频差,形成干涉条纹。

单位时间的干涉条纹数正比于转动角速度。激光陀螺的漂移率低达0.1~0.01度/时,可靠性高,不受线加速度等的影响,已在飞行器的惯性导航中得到应用,是很有发展前途的新型陀螺仪。

MEMS陀螺仪

即硅微机电陀螺仪,绝大多数的MEMS陀螺仪依赖于相互正交的振动和转动引起的交变科里奥利力。MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystems)是指集机械元素、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的完整微型机电系统。

MEMS陀螺仪是利用coriolis定理,将旋转物体的角速度转换成与角速度成正比的直流电压信号,其核心部件通过掺杂技术、光刻技术、腐蚀技术、LIGA技术、封装技术等批量生产的。

它主要特点:


1、体积小、重量轻,其边长都小于1mm,器件核心的重量仅为1.2mg。

2、成本低。

3、可靠性好,工作寿命超过10万小时,能承受1000g的冲击。

4、测量范围大。

一百多年以前,莱昂·傅科发明陀螺仪是为了科学研究。如今,这个小东西却让我们的生活有了翻天覆地的改变。陀螺仪器不仅可以作为指示仪表,而更重要的是它可以作为自动控制系统中的一个敏感元件,即可作为信号传感器。

根据需要,陀螺仪器能提供准确的方位、水平、位置、速度和加速度等信号,以便驾驶员或用自动导航仪来控制飞机、舰船或航天飞机等航行体按一定的航线飞行,而在导弹、卫星运载器或空间探测火箭等航行体的制导中,则直接利用这些信号完成航行体的姿态控制和轨道控制。

作为稳定器,陀螺仪器能使列车在单轨上行驶,能减小船舶在风浪中的摇摆,能使安装在飞机或卫星上的照相机相对地面稳定等等。

作为精密测试仪器,陀螺仪器能够为地面设施、矿山隧道、地下铁路、石油钻探以及导弹发射井等提供准确的方位基准。

如果没有它,就没有飞机,没有火箭,没有现代生活,这恐怕是他的发明者都没有想到的。小小的陀螺仪,让我们的世界变得更美好。

在接下来的内容中,我们将更多地了解陀螺仪在国民生活应用中的表现。

我们大致了解陀螺仪的来历,原理和种类,那么,它与我们的日常生活有怎样的关系呢?

陀螺仪器最早是用于航海导航,但随着科学技术的发展,它在航空和航天事业中也得到广泛的应用。陀螺仪器不仅可以作为指示仪表,而更重要的是它可以作为自动控制系统中的一个敏感元件,即可作为信号传感器。

根据需要,陀螺仪器能提供准确的方位、水平、位置、速度和加速度等信号,以便驾驶员或用自动导航仪来控制飞机、舰船或航天飞机等航行体按一定的航线飞行,而在导弹、卫星运载器或空间探测火箭等航行体的制导中,则直接利用这些信号完成航行体的姿态控制和轨道控制。

作为稳定器,陀螺仪器能使列车在单轨上行驶,能减小船舶在风浪中的摇摆,能使安装在飞机或卫星上的照相机相对地面稳定等等。作为精密测试仪器,陀螺仪器能够为地面设施、矿山隧道、地下铁路、石油钻探以及导弹发射井等提供准确的方位基准。

陀螺仪器的应用范围是相当广泛的,它在现代化的国防建设和国民经济建设中均占重要的地位。

陀螺仪在航空飞行领域的应用

由于各种电子设备和电脑控制的高科技发展,各种现代飞机的设计大多数都是静不稳定的,必须利用电子设备和电脑来辅助控制来使飞机取得良好的飞行控制。

这种飞机单纯依靠飞行员手指来控制难度会加大。飞机虽然仍能飞行,但是会出现不同程度的摇晃不定,总是处于一种不稳定的飞行状态。有时重心设定的不太准确,稍微有差别,也会使飞机飞行不太稳定。

空中有各种乱流,也会使飞机飞行不够稳定,这时就使用陀螺仪增稳,飞机就会一直平稳的飞行,让飞行员感觉更容易操控飞机,做出各种动作也更加标准。

陀螺仪让飞行员感觉最明显的是降落的时候,而最需要陀螺仪帮助的也是飞机的降落。因为降落的飞机由于速度较慢,临近失速点,这时更容易受风的影响而导致机翼上下晃动,这时就要不断的用手指去调整飞机姿态使其保持水平不变而逐步下降高度,很多新手飞行员有时修正过多,飞机就会产生更大的晃动,很容易进入失速而导致降落失败。

但是如果将陀螺仪打开增稳状态,由于陀螺仪的传感器非常敏感,机翼稍微有轻微下压,陀螺仪立即发出指令让打副翼让飞机回平,这个过程发生的很快,以至于你都可能看不到机翼下压就已经被陀螺仪修正了。所以你将会看到飞机总是非常平稳的保持水平不变而逐步下降高度,对飞行员有很大的帮助。

对战斗机飞行员来说,陀螺仪的锁定功能将会大大的增加飞行乐趣。比如在战机超低空倒飞通场情况下,飞机性能较好或者调整得当时,通常在正飞状态下,即使不动升降舵飞机也能保持正飞。但是飞机倒飞时通常要稍微推升降舵才能保持倒飞,如果不是技术极其高超,手指很难保持推舵的舵量不变使飞机在倒飞状态下保持飞机一直在同一直线倒飞。


这就是为什么大多数人敢做超低空正飞通常而不敢做超低空倒飞通场,或者正飞通场敢做的很低而倒飞通常不敢做的很低,因为正飞的时候手指可以不动升降舵飞机都能保持直线飞行,而倒飞的时候手指要一直推着舵面,飞机速度快且高度低,手指稍微移动就可能触地炸鸡。这是使用陀螺仪的锁定状态,就变得非常容易了。

因为在倒飞状态下,陀螺仪会自动锁定倒飞的姿态,升降舵操纵杆回中不动,陀螺仪都会自动将飞机一直保持直线倒飞状态,而不用担心手指推舵的舵量是否准确。那么你就可以放心的在跑道远端操控飞机进入超低空倒飞通场状态,然后可以不用怎么操控,飞机也能一直保持超低空倒飞通场了。

陀螺仪在车载导航设备中的应用

车载导航是通过接受GPS卫星信号定位成功后,确定目标再根据导航软件自带数据库规划路线,然后进行导航。因为GPS需要车载导航系统在同步卫星的直接视线之内才能工作,所以隧道、桥梁、或是高层建筑物都会挡住这直接视线,使得导航系统无法工作。

再者,导航系统是利用三角、几何的法则来计算汽车位置的,所以汽车至少要同时在三个同步卫星的视线之下,才能确定位置。在导航系统直接视线范围内的同步卫星越多,定位就越准确。

当然,大多数的同步卫星都是在人口密集的大都市的上空,所以当你远离城区时,导航系统的效果就不会太好了甚至根本就不能工作。这就是所谓的“导航盲区”。

针对这个问题,有导航厂商寻找到了解决之道,而实现精准导航的奥妙在于一个小东西——陀螺仪。

当陀螺仪应用到车载导航上,便大幅度提升了导航的精准度,它的作用体现在:

1、陀螺仪能在GPS信号不好时能继续发挥导航的作用并修正GPS定位不准的问题

在GPS信号不好时,陀螺仪可根据已获知的方位、方向和速度来继续进行精确导航,这也是惯性导航技术的基本原理。同时也可修正GPS信号不好时定位偏差过大的问题。

2、陀螺仪能比GPS提供更灵敏准确的方向和速度

GPS是无法即时发现车子速度和方向的改变的,要等跑了一段距离之后才能测出,因此当你车子在非导航情况下转变了方向后,就会出现小陈那样的状况,导航就无法辨识你车子的转向,结果把方向导错了。而陀螺仪能够在方向和速度改变的瞬间即时测出,从而能让导航软件及时的修改导航路线

3、陀螺仪在上立交桥时更灵敏准确的识别

民用GPS的精度是无法识别上没上立交桥的,而陀螺仪却可测出车子是否向上移动了,从而能让导航软件及时的修改导航路线。依靠GPS卫星的信号导航和陀螺仪的惯性导航,有效提高了导航精准度,即使在失去GPS信号后,系统仍能通过自主推算来继续导航,为车主提供准确的行驶指示。

陀螺仪在无人机飞行控制系统中的应用

无人机的飞行控制系统是其最主要的组成部分之一,而姿态的稳定控制,则是对无人机顺利执行各项任务的有效方法。在目前的无人机实际制造与应用中,有的无人机产品是基于三轴陀螺仪和倾角传感器,来构成全姿态增稳控制系统的。

无人机姿态增稳控制属于内回路控制,它包括姿态保持与控制、速度控制等模式。内回路控制是在以三轴陀螺仪和倾角传感器获取无人机飞行姿态的基础上,通过对升降舵、方向舵的控制,完成飞行姿态的稳定与控制。

其中,三轴陀螺仪主要用来测量无人机在飞行过程中俯仰角、横滚角和偏航角的角速度,并根据角速度积分计算角度的改变。而一般采用双轴倾角传感器,与三轴陀螺仪构成全姿态增稳控制回路。

陀螺仪测量得到的角速度信息用作增稳反馈控制,使飞机操纵起来变的更“迟钝”一些,从而利用倾角传感器测得飞机横滚角和俯仰角。然后将陀螺仪测得的角速率信息和倾角传感器测得的姿态角进行捷联运算,得到融合后的姿态信息。这种较为复杂的捷联算法,能够使姿态精度得到很大提高。

陀螺仪在照相/摄相领域的应用

当我们拍视频或拍照时,有没有相过,通过一种装置,保证你的“相机”固定在同一位置,无论你的手怎么歪斜,身体怎么抖,他都能保持手机的相对稳定。我们都知道,只有当手机或摄像机相对“稳定”我们才能拍出精美的画面或视频。而能够让“稳拍器”始终保持稳定的核心秘密就是“加速度和陀螺仪”传感器。

为什么说“加速度和陀螺仪”传感器是自拍神器的核心秘密呢?因为稳拍器的核心就是对“相机”姿态的检测,然后根据“相机”的姿态变化实时的控制与“相机”连接的电机做相应动作,只要电机控制的够快,就能保证“相机”始终稳定在固定位置。不管你的手左右晃动还是上下晃动,在稳拍神器的控制下你的“相机”就会雷打不动,从而拍出稳定的照片和画面。

稳拍器的整体大致框架如下图所示,其中橘黄色部分就是加速度和陀螺仪传感器工作部分。

它将“摄像设备”的姿态反馈给中心MCU处理单元,中央MCU单元根据检测到的“摄像设备”的姿态和运动情况,去控制电机做相应的动作,电机动作使“摄像设备”保持稳雷打不动的状态,这样拍出来的照片才更清楚,录制的录像才更稳定。

陀螺仪在智能手机中的应用

陀螺仪的使用距离我们最近的就是我们的手机,陀螺仪在手机中的应用主要体现在以下几个方面:

1、导航。

陀螺仪自被发明开始,就用于导航,先是德国人将其应用在V1、V2火箭上,因此,如果配合GPS,手机的导航能力将达到前所未有的水准。

实际上,很多专业手持式GPS上也装了陀螺仪,如果手机上安装了相应的软件,导航能力绝不亚于很多船舶、飞机上用的导航仪。

还可以实现GPS的惯性导航:当汽车行驶到隧道或城市高大建筑物附近,没有GPS讯号时,可以通过陀螺仪来测量汽车的偏航或直线运动位移,从而继续导航。

2、可以和手机上的摄像头配合使用。

比如防抖,在拍照时的维持图像的稳定,防止由于手的抖动对拍照质量的影响。在按下快门时,记录手的抖动动作,将手的抖动反馈给图像处理器,可以让手机捕捉到更清晰稳定的画面。

3、各类游戏的传感器。

比如飞行游戏,体育类游戏,甚至包括一些第一视角类射击游戏,陀螺仪完整监测游戏者手的位移,从而实现各种游戏操作效果。有关这点,想必用过任天堂WII的网友会有很深的感受。

4、可以用作输入设备。

陀螺仪相当于一个立体的鼠标,这个功能和第三大用途中的游戏传感器很类似,甚至可以认为是一种类型。通过小幅度的倾斜,偏转手机,实现菜单,目录的选择和操作的执行。(比如前后倾斜手机,实现通讯录条目的上下滚动;左右倾斜手机,实现浏览页面的左右移动或者页面的放大或缩小。

5、也是未来最有前景和应用范围的用途。

那就是可以帮助手机实现很多增强现实的功能。增强现实是才冒出的概念,和虚拟现实一样,是计算机的一种应用。大意是可以通过手机或者电脑的处理能力,让人们对现实中的一些物体有更深入的了解。

如果大家不理解,举个例子,前面有一个大楼,用手机摄像头对准它,马上就可以在屏幕上得到这座大楼的相关参数,比如楼的高度,宽度,海拔,如果连接到数据库,甚至可以得到这座大厦的物主、建设时间、现在的用途、可容纳的人数等。

陀螺仪最新技术简介和发展趋势

目前,陀螺仪技术正在由传统的机械转子陀螺向以光学陀螺仪为代表的新型陀螺仪转变,下面再简要介绍几种处在技术领域前沿的新型陀螺仪技术,希望能够帮助读者开阔视野,了解到国外陀螺仪技术的最新发展。

氦-氖环形激光陀螺仪

相比传统的机械式转子陀螺仪,主要优点是无机械转子,结构简单(少于20个部件),抗振动性能好,启动快,可靠性高,数字输出。

此外,一些研究人员还提出用固态增益介质替换氦-氖气体,能够使陀螺仪的工作寿命更长、成本更低和制造更简单,这种陀螺也被称为固态环形激光陀螺仪(固态RLG)。


目前,基于氦-氖环形激光陀螺仪的惯性导航系统已经广泛应用在航空和航海导航、战略导弹的导航、制导与控制领域,成为主要的高性能陀螺仪之一。

光纤陀螺仪

从20世纪60年代开始,美国海军研究办公室希望发展一种比氦-氖环形激光陀螺仪的成本更低、制造流程更简单、精度更高的光纤角速度传感器,也就是俗称的光纤陀螺。

目前,最为常见的光纤陀螺仪是相敏光纤陀螺仪,通过测量在一个光纤线圈中的两束反向传播光束的相移以敏感载体转动,从而计算出其角速率。


因此,光纤陀螺仪的精度主要取决于其采用的光纤种类和光电检测系统,偏值一般处于0.001度/时-0.0002度/时之间。现在,光纤陀螺仪已经被广泛应用于鱼雷、战术导弹、潜艇和航天器等。

集成光学陀螺仪

随着集成光路的发展,可在单块芯片上实现非常复杂的功能,可以将几毫米直径的集成环形腔激光器、光电检测电路都集成在同一芯片上,作为集成光学陀螺仪的敏感元件,这样可以大大减小现有光学陀螺仪的质量和尺寸,降低成本和功耗,更好地控制热效应,增加可靠性,因此利用集成光学技术制造的光学陀螺仪具有良好的发展前景。

目前,围绕着集成环形腔激光器已经展开了广泛的研究,但是关键技术还有待突破。

此外,包括核磁谐振和超流体等的尖端技术也已经得到了验证,未来也将在新型陀螺仪上得到应用。(完)

股市有风险,投资需谨慎。本文仅供受众参考,不代表任何投资建议,任何参考本文所作的投资决策皆为受众自行独立作出,造成的经济、财务或其他风险均由受众自担。

编辑于 2017-03-22