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1、4.34.3陀螺原理陀螺原理陀螺的定义陀螺的定义在在航航空空上上，陀陀螺螺仪仪用用来来测测量量飞飞机机的的姿姿态态角角(俯俯仰仰角角、横横滚滚角角、航航向向角角)和和角角速速度度，成成为为飞飞行行驾驾驶驶的的重重要要仪仪表表。飞飞行行控控制制系系统统如如自自动动驾驾驶驶仪仪和和自自动动稳稳定定器器，则则是是在在测测量量出出这这些些参参数数的的基基础础上上，实实现现对对飞飞机机的的自自动动控控制制或或稳稳定定，因因而而陀陀螺螺仪仪又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。陀陀螺螺：能能够够绕绕一一定定点点做做高高速速旋旋转转的的物物体。（体。（一个绕对称轴高速旋转的飞轮转子一个绕对
2、称轴高速旋转的飞轮转子）4.34.3陀螺原理陀螺原理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质。根根据据这这种种性性质质所所研研制制出的一种能感测旋转的装置，叫陀螺仪。出的一种能感测旋转的装置，叫陀螺仪。4.34.3陀螺原理陀螺原理因因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
3、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
4、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。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转动动，这这两两种种角角速速度度都都称称为为牵牵连连角角速速度度支支点点：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交于一点叫陀螺的支点。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。4.34.3陀螺原理陀螺原理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：
5、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任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意方向，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。4.34.3陀螺原理陀螺原理陀螺的种类陀螺的种类二自由度陀螺
6、二自由度陀螺：只有转子和内框，且只能绕两个互相垂：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。直的轴自由旋转的陀螺。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）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
7、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般形式，定轴
8、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。陀螺的基本特性陀螺的基本特性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。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方向转子自转轴的转动方
9、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 陀螺的基本特性陀螺的基本特性陀螺的基本特性陀螺的基本特性陀螺的基本特性陀螺的基本特性陀螺的基本特性陀螺的基本特性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
10、无惯性”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 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 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、或稳定性）位不变的特性（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 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：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