陀螺仪原理1基本特性

1、2021/6/161 4.34.3陀螺原理陀螺原理 4.3.14.3.1陀螺的定义陀螺的定义 在航空上，陀螺仪用来测量飞机的姿在航空上，陀螺仪用来测量飞机的姿 态角态角( (俯仰角、横滚角、航向角俯仰角、横滚角、航向角) )和角速和角速 度，成为飞行驾驶的重要仪表。飞行控度，成为飞行驾驶的重要仪表。飞行控 制系统如自动驾驶仪和自动稳定器，则制系统如自动驾驶仪和自动稳定器，则 是在测量出这些参数的基础上，实现对是在测量出这些参数的基础上，实现对 飞机的自动控制或稳定，因而陀螺仪又飞机的自动控制或稳定，因而陀螺仪又 是飞行控制系统的重要部件。是飞行控制系统的重要部件。 陀螺陀螺：能够绕一定点做高速

2、旋转的物：能够绕一定点做高速旋转的物 体。（体。（一个绕对称轴高速旋转的飞轮转子一个绕对称轴高速旋转的飞轮转子） 2021/6/162 4.34.3陀螺原理陀螺原理 4.3.14.3.1陀螺的定义陀螺的定义 例如：例如：“地转子地转子”当它不转动时和普通物体一样；当当它不转动时和普通物体一样；当 它高速旋转起来以后，就有一个明显的特征：地转子能它高速旋转起来以后，就有一个明显的特征：地转子能 稳定地直立在地面不会倒下。这说明高速旋转的物体具稳定地直立在地面不会倒下。这说明高速旋转的物体具 有保持其自转轴方向不变的性质。根据这种性质所研制有保持其自转轴方向不变的性质。根据这种性质所研制 出的一种

3、能感测旋转的装置，叫陀螺仪。出的一种能感测旋转的装置，叫陀螺仪。 2021/6/163 4.34.3陀螺原理陀螺原理 因为陀螺仪可以感测物体相对于空间的旋转，所以，因为陀螺仪可以感测物体相对于空间的旋转，所以， 可以利用它来测量角位移或角速度。利用这种原理研可以利用它来测量角位移或角速度。利用这种原理研 制出了各种陀螺仪表，并在航空中得到了广泛的应用。制出了各种陀螺仪表，并在航空中得到了广泛的应用。 陀螺仪陀螺仪：将陀螺安装在框架装置上，使陀螺的自转轴将陀螺安装在框架装置上，使陀螺的自转轴 有一定的转动自由度，这种装置的总体。有一定的转动自由度，这种装置的总体。 陀螺的基本部件（航空仪表中的陀

4、螺）陀螺的基本部件（航空仪表中的陀螺） 陀螺陀螺转子、内、外框架转子、内、外框架（支承部件）（支承部件） 附件（电机、力矩器、传感器等）附件（电机、力矩器、传感器等） 转子转子是一个对称的飞轮，可以高速旋转是一个对称的飞轮，可以高速旋转，其旋转轴为其旋转轴为 自转轴，旋转角速度为自转角速度。自转轴，旋转角速度为自转角速度。 2021/6/164 陀螺原理陀螺原理 内框内框可以绕内框轴相对外框自由旋可以绕内框轴相对外框自由旋 转。转。 外框外框又可以绕外框轴相对于支架自又可以绕外框轴相对于支架自 由转动，这两种角速度都称为牵连角由转动，这两种角速度都称为牵连角 速度速度 支点支点：自转轴、内框轴

5、和外框轴的：自转轴、内框轴和外框轴的 轴线交于一点叫陀螺的支点。轴线交于一点叫陀螺的支点。 整个陀螺可以绕支点做任意的转动。整个陀螺可以绕支点做任意的转动。 2021/6/165 4.34.3陀螺原理陀螺原理 4.3.14.3.1陀螺的种类陀螺的种类 按结构分：有三自由度陀螺和二自由度陀螺按结构分：有三自由度陀螺和二自由度陀螺 （1 1）三自由度陀螺三自由度陀螺：有转子、内框、外框组成，且能：有转子、内框、外框组成，且能 够绕三个互相垂直的轴旋转的陀螺。够绕三个互相垂直的轴旋转的陀螺。 三自由度陀螺的内框和外框能保证自转轴在空间指向三自由度陀螺的内框和外框能保证自转轴在空间指向 任意方向，所以

6、，内框与外框组成的支架又称为万向任意方向，所以，内框与外框组成的支架又称为万向 支架支架 在三自由度陀螺中，重心和支点重合，轴承没有摩擦在三自由度陀螺中，重心和支点重合，轴承没有摩擦 的陀螺叫的陀螺叫自由陀螺自由陀螺。它是一种理想的陀螺。它是一种理想的陀螺。 2021/6/166 4.34.3陀螺原理陀螺原理 4.3.14.3.1陀螺的种类陀螺的种类 二自由度陀螺二自由度陀螺：只有转子和内框，且只能绕两个互相：只有转子和内框，且只能绕两个互相 垂直的轴自由旋转的陀螺。垂直的轴自由旋转的陀螺。 2021/6/167 陀螺仪分类陀螺仪分类 单、双自由度单、双自由度 速率、积分速率、积分 压电、微机

7、械压电、微机械 2021/6/168 4.3.34.3.3陀螺的基本特性陀螺的基本特性 三自由度陀螺主要由两个基本特性：三自由度陀螺主要由两个基本特性：稳定性、进动性稳定性、进动性 1 1、稳定性：三自由度陀螺保持其自转轴（或动量矩矢、稳定性：三自由度陀螺保持其自转轴（或动量矩矢 量）在空间的方向不发生变化的特性。称为陀螺的稳定性。量）在空间的方向不发生变化的特性。称为陀螺的稳定性。 三自由度陀螺的稳定性有两种表现形式：三自由度陀螺的稳定性有两种表现形式：定轴性和章动定轴性和章动。 定轴性定轴性：当三自由度陀螺转子高速旋转后，若不受外力：当三自由度陀螺转子高速旋转后，若不受外力 矩作用，不管基

8、座如何转动，支撑在万向支架上的陀螺仪矩作用，不管基座如何转动，支撑在万向支架上的陀螺仪 自转轴指向惯性空间的方位不变，这种特性叫定轴性。自转轴指向惯性空间的方位不变，这种特性叫定轴性。 章动章动：当陀螺受到瞬时冲击力矩后，自转轴在原位置附：当陀螺受到瞬时冲击力矩后，自转轴在原位置附 近做微小的运动，其转子轴的大小方向基本不变。近做微小的运动，其转子轴的大小方向基本不变。 当章动的圆锥角为零时，就是定轴。章动是陀螺稳定的当章动的圆锥角为零时，就是定轴。章动是陀螺稳定的 一般形式，定轴是陀螺稳定的特殊形式。一般形式，定轴是陀螺稳定的特殊形式。 2021/6/169 4.3.34.3.3陀螺的基本特

9、性陀螺的基本特性 2021/6/1610 4.3.34.3.3陀螺的基本特性陀螺的基本特性 章动章动：当陀螺受到瞬时冲击力矩后，自转轴在原位置附近：当陀螺受到瞬时冲击力矩后，自转轴在原位置附近 做微小的圆锥运动，其转子轴的大小方向基本不变。做微小的圆锥运动，其转子轴的大小方向基本不变。 当章动的圆锥角为零时，就是定轴。章动是陀螺稳定的当章动的圆锥角为零时，就是定轴。章动是陀螺稳定的 一般形式，定轴是陀螺稳定的特殊形式。一般形式，定轴是陀螺稳定的特殊形式。 2021/6/1611 进动的规律进动的规律 2 2、进动性、进动性：陀螺仪受到外力矩时，陀螺仪受到外力矩时， 转子自转轴的转动方向与外力矩

10、方向转子自转轴的转动方向与外力矩方向 相垂直的现象相垂直的现象 进动、进动角速度进动、进动角速度 2021/6/1612 4.3.34.3.3陀螺的基本特性陀螺的基本特性 2021/6/1613 4.3.34.3.3陀螺的基本特性陀螺的基本特性 2021/6/1614 4.3.34.3.3陀螺的基本特性陀螺的基本特性 2021/6/1615 4.3.34.3.3陀螺的基本特性陀螺的基本特性 2021/6/1616 进动角速度的方向和大小进动角速度的方向和大小 进动角速度的方向：最短路径法则进动角速度的方向：最短路径法则 （H 沿着最短路径趋向沿着最短路径趋向 M） 进动角速度的大小进动角速度的

11、大小：根据根据 M = H，写成标量形式，写成标量形式： M = Hsin 因此因此 = M /（Hsin） 进动角速度大小与外力矩的大小成正比，与转子的动量矩的大小成反比进动角速度大小与外力矩的大小成正比，与转子的动量矩的大小成反比。 进动的进动的“无惯性无惯性” 2021/6/1617 陀螺动力效应：陀螺力矩陀螺动力效应：陀螺力矩 外加力矩外加力矩 HM 陀螺力矩：反作用力矩陀螺力矩：反作用力矩 HHM g 陀螺力矩的方向判断陀螺力矩的方向判断 陀螺力矩的作用对象陀螺力矩的作用对象 2021/6/1618 陀螺动力（稳定）效应，对外框架有效陀螺动力（稳定）效应，对外框架有效 2021/6/

12、1619 陀螺动力（稳定）效应，对内框架无效陀螺动力（稳定）效应，对内框架无效 2021/6/1620 定轴性总结；漂移、章动定轴性总结；漂移、章动 二自由度陀螺仪二自由度陀螺仪的定轴性的定轴性 二自由度陀螺仪具有抵抗干扰力矩，二自由度陀螺仪具有抵抗干扰力矩， 力图保持其自转轴相对惯性空间方力图保持其自转轴相对惯性空间方 位不变的特性（定轴性、或稳定位不变的特性（定轴性、或稳定 性）。性）。 定轴性的相对性定轴性的相对性( (一一) )：陀螺漂移：陀螺漂移 d = Md / H 定轴性的相对性定轴性的相对性( (二二) )：章动现象：章动现象 陀螺受冲击力矩时，自转轴将在陀螺受冲击力矩时，自转轴将在 原来的空间方位附近作锥形振荡原来的空间方位附近作锥形振荡 运动运动 2021/