用途 - 陀螺仪是什么？

　　用途

　　陀螺仪是一种既古老而又很有生命力的仪器，从第一台真正实用的陀螺仪器问世以来已有大半个世纪，但直到现在，陀螺仪仍在吸引着人们对它进行研究，这是由于它本身具有的特性所决定的。陀螺仪最主要的基本特性是它的稳定性和进动性。人们从儿童玩的地陀螺中早就发现高速旋转的陀螺可以竖直不倒而保持与地面垂直，这就反映了陀螺的稳定性。研究陀螺仪运动特性的理论是绕定点运动刚体动力学的一个分支，它以物体的惯性为基础，研究旋转物体的动力学特性。

　　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。由此可见，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。

　　现在广泛使用的MEMS陀螺（微机械）可应用于航空、航天、航海、兵器、汽车、生物医学、环境监控等领域。并且MEMS陀螺相比传统的陀螺有明显的优势：

　　1.体积小、重量轻。适合于对安装空间和重量要求苛刻的场合，例如弹载测量等。

　　2.低成本。

　　3.高可靠性。内部无转动部件，全固态装置，抗大过载冲击，工作寿命长。

　　4.低功耗。

　　5.大量程。适于高转速大g值的场合。

　　6.易于数字化、智能化。可数字输出，温度补偿，零位校正等。

　　基本部件

　　从力学的观点近似的分析陀螺的运动时，可以把它看成是一个刚体，刚体上有一个万向支点，而陀螺可以绕着这个支点作三个自由度的转动，所以陀螺的运动是属于刚体绕一个定点的转动运动。更确切地说，一个绕对称轴高速旋转的飞轮转子叫陀螺。将陀螺安装在框架装置上，使陀螺的自转轴有角转动的自由度，这种装置的总体叫做陀螺仪，

　　陀螺仪的基本部件有：

　　（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）。

　　基本类型

　　根据框架的数目和支承的形式以及附件的性质决定陀螺仪的类型有：

　　三自由度陀螺仪（具有内、外两个框架，使转子自转轴具有两个转动自由度。在没有任何力矩装置时，它就是一个自由陀螺仪）。

　　二自由度陀螺仪（只有一个框架，使转子自转轴具有一个转动自由度）。

　　根据二自由度陀螺仪中所使用的反作用力矩的性质，可以把这种陀螺仪分成三种类型：

　　速率陀螺仪（它使用的反作力矩是弹性力矩）

　　积分陀螺仪（它使用的反作用力矩是阻尼力矩）

　　无约束陀螺（它仅有惯性反作用力矩）

　　现在，除了机、电框架式陀螺仪以外，还出现了某些新型陀螺仪，如静电式自由转子陀螺仪，挠性陀螺仪，激光陀螺仪等。

　　二自由度陀螺仪

　　二自由度陀螺仪的转子支承在一个框架内，没有外框架，因而转子自转有一个进动自由度，即少了垂直于内框架轴和自转轴方向的转动自由度。因此二自由度陀螺仪与三自由度陀螺仪的特性也有所不同。

　　进动性是三自由度陀螺仪的基本特性之—，当绕内框架轴作用外力矩时，将使高速旋转的转子自转轴产生绕外框架轴的进动，而绕外框架轴作用外力矩时，将使转子轴产生绕内框架轴的进动。

　　定轴性是三自由度陀螺仪的另一基本特性。无论基座绕陀螺仪自转轴转动，还是绕内框架轴或外框架轴方向转动，都不会直接带动陀螺转子一起转动（指转子自转之外的转动）。由内、外框架所组成的框架装置，将基座的转动与陀螺转子隔离开来。这样，如果陀螺仪自转轴稳定在惯性空间的某个方位上，当基座转动时，它仍然稳定在原来的方位上。

　　对于二自由度陀螺仪，当基座绕陀螺仪自转轴或内框架轴方向转动时，仍然不会带动转子一起转动，即内框架仍然起隔离运动的作用。但是，当基座绕陀螺仪缺少自由度的x轴方向以角速度ωx转动时，由于陀螺仪绕该轴没有转动自由度，所以基座转动时，就通过内框架轴上的一对支承带动陀螺转子一起转动。但陀螺仪自转轴仍尽力保持其原来的空间方位不变。因此，基座转动时，内框架轴上的一对支承就有推力F作用在内框架轴的两端，而形成作用在陀螺仪上的推力矩mx， 其方向垂直于动量矩H，并沿x铀正向。由于陀螺仪绕内框架轴有转动的自由度，所以这个推力矩就使陀螺仪产生绕内框架轴的进动，进动角速度β指向内框架轴y的正向，使转子轴趋向与x轴重合。

　　因此，当基座绕陀螺仪缺少自由度的方向转动时，将强迫陀螺仪跟随基座转动，同时陀螺仪转子轴绕内框架轴进动。结果使转子轴趋向与基座转动角速度的方向重合。即二自由度陀螺仪具有敏感绕其缺少转动自由度方向旋转角速度的特性。

　　二自由度陀螺仪受到沿内框架轴向外力矩作用时，转子轴绕内框轴运动。

　　沿内框架轴向作用力矩时转子轴的运动。设沿内框架铀y的正向有外力矩My作用，则二自由度陀螺仪的转子轴将力图以角速度My/H绕x轴的负向进动，如图3所示。由于陀螺转子轴绕x轴方向不能转动，这个进动是不可能实现的。但其进动趋势仍然存在，并对内框架轴两端的支承施加压力，这样，支承就产生约束反力F作用在内框架轴两端，而形成作用在陀螺仪上的约束反力矩mx，其方向垂直于动量矩H并沿x轴的正向。由于转子轴绕内框架轴存在转动自由度，所以在这个约束反力矩mx的作用下，陀螺仪转子轴就绕内框架轴以β的角速度沿y轴正向进动。简单地说，如果陀螺绕x轴方向不能转动，那么在绕内框架轴向的外力矩作用下，陀螺仪的转子轴也绕内框架轴转动。

　　陀螺绕主轴转动的角动量以H表示，H=JsΩ，式中Js为陀螺转子的转动惯量。