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1、陀螺仪原理基本特性第1页，本讲稿共22页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例如如：“地地转转子子”当当它它不不转转动动时时和和普普通通物物体体一一样样；当当它它高高速速旋旋转转起起来来以以后后，就就有有一一个个明明显显的的特特征征：地地转转子子能能稳稳定定地地直直立立在在地地面面不不会会倒倒下下。这这说说明明高高速速旋旋转转的的物物体体具具有有保保持持其其自自转转轴轴方方向向不不变变的的性性质。根据这种性质所研制出的一种能感测旋转的装置，叫陀螺仪。质。根据这种性质所研制出的一种能感测旋转的装置，叫陀螺仪。第2页，本讲稿共22页4.34.3陀螺原理陀螺原理因因
2、为为陀陀螺螺仪仪可可以以感感测测物物体体相相对对于于空空间间的的旋旋转转，所所以以，可可以以利利用用它它来来测测量量角角位位移移或或角角速速度度。利利用用这这种种原原理理研研制制出出了了各各种种陀陀螺螺仪仪表，并在航空中得到了广泛的应用。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，使陀螺的自转轴有一定的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。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（
3、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，其旋转轴为自转轴，其旋转轴为自转轴，旋转角速度为自转角速度。旋转角速度为自转角速度。第3页，本讲稿共22页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转。可以绕内框轴相对外框自由旋转。外外框框又又可可以以绕绕外外框框轴轴相相对对于于支支架架自自由由转动，这两种角速度都称为牵连角速度转动，这两种角速度都称为牵连角速度支支点点：自自转转轴轴、内内框框轴轴和和外外框框轴轴的的轴轴线线交于一点叫陀螺的支点。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。第4页，本讲
4、稿共22页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，且能够：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。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任意方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，内框与外框组成的支架又称为万向支架向，所以，内框与外框组成的支架又称为万向支架在在三三自自由由度度陀陀螺螺中中，重重心心和和支支点点重重合合，轴轴承承没没有有摩摩擦擦的的陀陀
5、螺叫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。第5页，本讲稿共22页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，且只能绕两个互相垂直的轴：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。自由旋转的陀螺。第6页，本讲稿共22页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、微机械压电、微机械第7页，本讲稿共22页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、稳稳定定性性：三三自自由
6、由度度陀陀螺螺保保持持其其自自转转轴轴（或或动动量量矩矩矢矢量量）在在空间的方向不发生变化的特性。称为陀螺的稳定性。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。定定轴轴性性：当当三三自自由由度度陀陀螺螺转转子子高高速速旋旋转转后后，若若不不受受外外力力矩矩作作用用，不不管管基基座座如如何何转转动动，支支撑撑在在万万向向支支架架上上的的陀陀螺螺仪仪自自转转轴指向惯性空间的方位不变，这种特性叫定轴性。轴指向惯性空间的方位不变，这种特性叫定轴性。章章动动：当当陀陀螺螺受受到到瞬瞬时时冲冲击击力力矩矩后
7、后，自自转转轴轴在在原原位位置置附附近近做做微小的运动，其转子轴的大小方向基本不变。微小的运动，其转子轴的大小方向基本不变。当当章章动动的的圆圆锥锥角角为为零零时时，就就是是定定轴轴。章章动动是是陀陀螺螺稳稳定定的的一一般般形式，定轴是陀螺稳定的特殊形式。形式，定轴是陀螺稳定的特殊形式。第8页，本讲稿共22页4.3.34.3.3陀螺的基本特性陀螺的基本特性第9页，本讲稿共22页4.3.34.3.3陀螺的基本特性陀螺的基本特性章章动动：当当陀陀螺螺受受到到瞬瞬时时冲冲击击力力矩矩后后，自自转转轴轴在在原原位位置置附附近近做做微小的圆锥运动，其转子轴的大小方向基本不变。微小的圆锥运动，其转子轴的大
8、小方向基本不变。当当章章动动的的圆圆锥锥角角为为零零时时，就就是是定定轴轴。章章动动是是陀陀螺螺稳稳定定的的一一般形式，定轴是陀螺稳定的特殊形式。般形式，定轴是陀螺稳定的特殊形式。第10页，本讲稿共22页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，转子陀螺仪受到外力矩时，转子自转轴的转动方向与外力矩方向相垂直的自转轴的转动方向与外力矩方向相垂直的现象现象进动、进动角速度进动、进动角速度 第11页，本讲稿共22页4.3.34.3.3陀螺的基本特性陀螺的基本特性第12页，本讲稿共22页4.3.34.3.3陀螺的基本特性陀螺的基本特性第13页，本讲稿共22页4.3.34.3.3陀
9、螺的基本特性陀螺的基本特性第14页，本讲稿共22页4.3.34.3.3陀螺的基本特性陀螺的基本特性第15页，本讲稿共22页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”第16页，本讲稿共22页陀螺动力效应：陀螺力矩陀螺动力
10、效应：陀螺力矩外加力矩外加力矩 陀螺力矩：反作用力矩陀螺力矩：反作用力矩 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 第17页，本讲稿共22页陀螺动力（稳定）效应，对外框架有效陀螺动力（稳定）效应，对外框架有效第18页，本讲稿共22页陀螺动力（稳定）效应，对内框架无效陀螺动力（稳定）效应，对内框架无效第19页，本讲稿共22页定轴性总结；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位力图保持其自转轴相对惯性空间方位不变的特性（定轴性、或稳定性
11、）。不变的特性（定轴性、或稳定性）。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，自转轴将在原来陀螺受冲击力矩时，自转轴将在原来的空间方位附近作锥形振荡运动的空间方位附近作锥形振荡运动 第20页，本讲稿共22页Js为陀螺转子的转动惯量当二自由度陀螺底座绕垂直于X轴与Z轴成 角的轴以角速度 旋转时则将有陀螺力矩Mg作用于框架上，陀螺力矩Mg为：第21页，本讲稿共22页三自由度陀螺结构原理如图所示。三自由度陀螺具有以下主要特性：1)定轴性定轴性 2)进动性进动性 3)无惯性无惯性 第22页，本讲稿共22页