陀螺仪的定义与原理

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1、绕一个支点高速 转动的刚体称为陀陀螺螺(top)。通常所说的陀螺是特指对称陀 螺，它是一个质量均匀分布的、具有轴对称形状的刚体，其几何对称轴就是 它的自转轴。 由苍蝇后翅（退化为 平衡棒）仿生得来。 在一定的初始条件和一定的外在 力矩作用下，陀螺会在不停自转的同 时，环绕着另一个固定的转轴不停地旋转，这就是 陀陀螺螺的的旋旋进进 (precession)，又称为回回转转效效应应(gyroscopic effect)。陀螺旋进是日常生 活中常见的现象，许多人小时候都玩过的陀螺就是一例。 陀螺仪人们利用陀螺的 力学性质所制成的各种功能的陀螺装置称为 陀陀螺螺仪仪 (gyroscope)，它在科学、

2、技术、军事等各个领域有着广泛的应用。比如： 回转罗盘、定向指示仪、炮弹的翻转、陀螺的章动、地球在太阳（月球） 引力矩作用下的旋进（岁差）等。 陀螺仪的种类很多，按用途来分，它可以分为传感陀螺仪和指示陀螺仪。 传感陀螺仪用于飞行体运动的 自动控制系统 中，作为水平、垂直、俯仰、 航向和角速度传感器 。指示陀螺仪主要用于 飞行状态的指示，作为驾驶和 领航仪表使用。 现在的陀螺仪分为，压电陀螺仪， 微机械陀螺仪 ，光纤陀螺仪， 激光 陀螺仪，都是电子式的，可以和 加速度计，磁阻芯片， GPS，做成惯性导航 控制系统。 编编辑辑本本段段结结构构基本上陀螺仪是一种机械装置，其主要部分是一个对旋转轴以极高

3、角速 度旋转的转子，转子装在一支架内；在通过转子中心轴XX1 上加一内环架， 那么陀螺仪就可环绕飞机两轴作自由运动；然后，在内环架外加上一外环架； 这个陀螺仪有两个平衡环，可以环绕飞机三轴作自由运动，就是一个完整的 太空陀螺仪(space gyro)。 编编辑辑本本段段历历史史1850 年法国的物理学家莱昂傅科（J.Foucault）为了研究地球自转， 首先发现高速转动中的转子（ rotor），由于它具有惯性，它的旋转轴永远 指向一固定方向，他用希腊字 gyro（旋转）和 skopein（看）两字合为 gyro scopei 一字来命名这种仪表。 陀螺仪是一种既古老而又很有生命力的仪器，从第一

4、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。 编编辑辑本本段段原原理理陀螺仪的原理就是，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。人们根据这个道理，用它来保持方向，制造出来的东西 就叫陀螺仪。陀螺仪在工作时要给它一个力，使它快速旋转起

5、来，一般能达 到每分钟几十万转，可以工作很长时间。然后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。 在现实生活中，陀螺仪发生的 进给运动是在重力力矩的作用下发生的。编编辑辑本本段段特特性性陀螺仪被广泛用于航空、航天和航海领域。这是由于它的两个基本特性：一为定轴性（ inertia or rigidity），另一是进动性（ precession），这 两种特性都是建立在 角动量守恒 的原则下。 定定轴轴性性 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

6、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。 进进动动性性 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

7、种特性，叫做陀螺仪的进动性。进动角速度的方向 取决于动量矩 H 的方向(与转子自转角速度矢量的方向一致 )和外力矩 M 的 方向，而且是自转角速度矢量以最短的路径追赶外力矩。如右图。 进动方向这可用右手定则判定。即伸直右手，大拇指与食指垂直，手指顺着自转轴的 方向，手掌朝外力矩的正方向，然后手掌与4 指弯曲握拳，则大拇指的方 向就是进动角速度的方向。 进动角速度的大小取决于转子动量矩H 的大小和外力矩 M 的大小,其计 算式为进动角速度 =M/H。 进动性的大小也有三个影响的因素： 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

8、速度愈小。 编编辑辑本本段段功功能能分分类类利用陀螺仪的动力学特性制成的各种仪表或装置，主要有以下几种： 陀陀螺螺方方向向仪仪能给出飞行物体转弯角度和航向指示的陀螺装置。它是三自由度均衡 陀螺仪，其底座固连在飞机上，转子轴提供惯性空间的给定方向。若开始时 转子轴水平放置并指向仪表的零方位，则当飞机绕铅直轴转弯时，仪表就相 对转子轴转动，从而能给出转弯的角度和航向的指示。由于摩擦及其他干扰，转子轴会逐渐偏离原始方向，因此每隔一段时间（如15 分钟）须对照 精密罗盘作一次人工调整。 陀陀螺螺罗罗盘盘供航行和飞行物体作方向基准用的寻找并跟踪地理子午面的三自由度陀 螺仪。其外环轴铅直，转子轴水平置于子

9、午面内，正端指北；其重心沿铅 垂轴向下或向上偏离支承中心。转子轴偏 离子午面时同时偏离水 平面而产 生重力矩使陀螺旋进到子午面，这种利用重力矩的陀螺罗盘称摆式罗盘。近 年来发展为利用自动控制系统代替重力摆的电控陀螺罗盘，并创造出能同时 指示水平面和子午面的平台罗盘。 陀陀螺螺垂垂直直仪仪利用摆式敏感元件对三自由度陀螺仪施加修正力矩以指示地垂线的仪表， 又称陀螺水平仪。陀螺仪的壳体利用随动系统跟踪转子轴位置，当转子轴 偏离地垂线时，固定在壳体上的摆式敏感元件输出信号使力矩器产生修正力 矩，转子轴在力矩作用下旋进回到地垂线位置。陀螺垂直仪是除陀螺摆以外 应用于航空和航海导航系统的又一种地垂线指示或

10、量测仪表。 陀陀螺螺稳稳定定器器稳定船体的陀螺装置。 20 世纪初使用的 施利克被动式稳定器实质上是 一个装在船上的大型二自由度重力陀螺仪，其转子轴铅直放置，框架轴平行 于船的横轴。当船体侧摇时，陀螺力矩迫使框架携带转子一起相对于船体旋进。这种摇摆式旋进引起另一个陀螺力矩，对船体产生稳定作用。斯佩里 主动式稳定器是在上述装置的基础上增加一个小型操纵陀螺仪，其转子沿船 横轴放置。一旦船体侧倾，小陀螺沿其铅直轴旋进，从而使主陀螺仪框架轴 上的控制马达及时开动，在该轴上施加与原陀螺力矩方向相同的主动力矩， 借以加强框架的旋进和由此旋进产生的对船体的稳定作用。 速速率率陀陀螺螺仪仪用以直接测定运载器角

11、速率的二自由度陀螺装置。把均衡陀螺仪的外环 固定在运载器上并令内环轴垂 陀螺仪直于要测量角速率的轴。当运载器连同外环以角速度绕测量轴旋进时，陀螺 力矩将迫使内环连同转子一起相对运载器旋进。陀螺仪中有弹簧限制这个相 对旋进，而内环的旋进角正比于弹簧的变形量。由平衡时的内环旋进角即可 求得陀螺力矩和运载器的角速率。积分陀螺仪与速率陀螺仪的不同处只在于 用线性阻尼器代替弹簧约束。当运载器作任意变速转动时，积分陀螺仪的输 出量是绕测量轴的转角（即角速度的积分）。以上两种陀螺仪在远距离测 量系统或自动控制、惯性导航平台中使用较多。 陀陀螺螺稳稳定定平平台台以陀螺仪为核心元件，使被稳定对象相对惯性空间的给

12、定姿态保持稳定 的装置。稳定平台通常利用由外环和内环构成制平台框架轴上的力矩器以产 生力矩与干扰力矩平衡使陀螺仪停止旋进的稳定平台称为动力陀螺稳定器。 陀螺稳定平台 根据对象能保持稳定的转轴数目分为单轴、双轴和三轴陀螺稳 定平台。陀螺稳定平台可用来稳定那些需要精确定向的仪表和设备，如测量 仪器、天线等，并已广泛用于航空和航海的导航系统及火控、雷达的万向支 架支承。根据不同原理方案使用各种类型陀螺仪为元件。其中利用陀螺旋进 产生的陀螺力矩抵抗干扰力矩，然后输出信号控、照相系统。 陀陀螺螺仪仪传传感感器器陀螺仪传感器是一个简单易用的基于自由空间移动和手势的定位和控制 系统。在假象的平面上挥动鼠标，

13、屏幕上的光标就会跟着移动，并可以绕着 链接画圈和点击按键。当你正在演讲或离开桌子时，这些操作都能够很方便 地实现。 现在陀螺仪传感器原本是运用到直升机模型上的，现在已经被广 泛运用于手机这类移动便携设备上（ IPHONE 的三轴陀螺仪 技术）。 光光纤纤陀陀螺螺仪仪光纤陀螺仪是以 光导纤维线圈为基础的 敏感元件， 由激光二极管发射 出的光线朝两个方向沿光导纤维传播。光传播路径的变，决定了敏感元件的 角位移。光纤陀螺仪与传统的机械陀螺仪相比，优点是全固态，没有旋转部 件和摩擦部件，寿命长，动1态范围大，瞬时启动，结构简单，尺寸小，重量轻。与激光陀螺仪相比，光纤陀螺仪没有闭锁问题，也不用在石英块精

14、密 加工出光路，成本低。 激激光光陀陀螺螺仪仪激光陀螺仪的原理是利用光程差来测量旋转 角速度（Sagnac 效应）。 在闭合光路中，由同一光源发出的沿顺时针方向和反时针方向传输的两束光 和光干涉，利用检测相位差或干涉条纹的变化，就可以测出闭合1光路旋转角速度。 M ME EM MS S 陀陀螺螺仪仪基于 MEMS 的陀螺仪价格相比光纤或者激光陀螺便宜很多，但使用精度 非常低，需要使用参考传感器进行补偿，以提高使用精度，ADI 公司是低 成本的 MEMS 陀螺仪的主要制造商， VMSENS 提供的 AHRS 系统正是通过这种 方式，对低成本的 MEMS 陀螺仪进行辅助补偿实现的。 基于 MEMS

15、 技术的陀螺因其成本低，能批量生产，目前已经能够广泛应 用于汽车牵引控制系统、医用设备、军事设备等低成本需求应用中。 编编辑辑本本段段现现代代陀陀螺螺仪仪现代陀螺仪是一种能够精确地确定运动物体的方位的仪器，它是现代 航空，航海，航天和国防工业中 陀螺仪广泛使用的一种惯性导航仪器，它的发展对一个国家的工业，国防和其它高 科技的发展具有十分重要的战略意义。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

16、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。和光纤陀螺仪同时 发展的除了环式激光陀螺仪外，还有现代集成式的振动陀螺仪，集成式的 振动陀螺仪具有更高的集成度，体积更小，也是现代陀螺仪的一个重要的发 展方向。 现代光纤陀螺仪包括 干干涉涉式式陀陀螺螺仪仪 和谐谐振振式式陀陀螺螺仪仪 两种，它们都是根 据塞格尼克的理论发展起来的。 塞格尼克理论 的要点是这样的：当光束在 一个环形的通道中前进时，如果环形通道本身具有一个转动速度，那么光 线沿着通道转动的方向前进所需要的时间要比沿着这个通道转动相反的方向 前进所需要的时间要多。也就是说当 光学环路转动时，在不同的前进方向 上，光学环路的光程相对于环路在静止时的光程都会产生变化。利用这种光 程的变化，如果使不同方向上前进的光之间产生干涉来测量环路的转动速度， 就可以制造出干涉式光纤陀