[科普中國]-重積分陀螺儀

簡介

輸出軸上既沒有人為彈性約束，也沒有粘性阻尼，主要由框架的慣性來建立其動態(tài)特性的單自由度陀螺儀。這種陀螺儀的輸出信號由框架相對于殼體的角位移產(chǎn)生，并且與殼體繞輸入軸的角速率的重積分成比例。

陀螺儀表陀螺儀是用高速回轉(zhuǎn)體的動量矩敏感殼體相對慣性空間繞正交于自轉(zhuǎn)軸的一個或二個軸的角運(yùn)動檢測裝置。利用其他原理制成的角運(yùn)動檢測裝置起同樣功能的也稱陀螺儀。1

裝置介紹繞一個支點高速轉(zhuǎn)動的剛體稱為陀螺(top)。通常所說的陀螺是特指對稱陀螺，它是一個質(zhì)量均勻分布的、具有軸對稱形狀的剛體，其幾何對稱軸就是它的自轉(zhuǎn)軸。 與蒼蠅退化的后翅（平衡棒）原理類似。

在一定的初始條件和一定的外在力矩作用下，陀螺會在不停自轉(zhuǎn)的同時，環(huán)繞著另一個固定的轉(zhuǎn)軸不停地旋轉(zhuǎn)，這就是陀螺的旋進(jìn)(precession)，又稱為回轉(zhuǎn)效應(yīng)(gyroscopic effect)。陀螺旋進(jìn)是日常生活中常見的現(xiàn)象，許多人小時候都玩過的陀螺就是一例。2

人們利用陀螺的力學(xué)性質(zhì)所制成的各種功能的陀螺裝置稱為陀螺儀(gyroscope)，它在科學(xué)、技術(shù)、軍事等各個領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。比如：回轉(zhuǎn)羅盤、定向指示儀、炮彈的翻轉(zhuǎn)、陀螺的章動等。

陀螺儀的種類很多，按用途來分，它可以分為傳感陀螺儀和指示陀螺儀。傳感陀螺儀用于飛行體運(yùn)動的自動控制系統(tǒng)中，作為水平、垂直、俯仰、航向和角速度傳感器。指示陀螺儀主要用于飛行狀態(tài)的指示，作為駕駛和領(lǐng)航儀表使用。

陀螺儀分為，壓電陀螺儀，微機(jī)械陀螺儀，光纖陀螺儀和激光陀螺儀，它們都是電子式的，并且它們可以和加速度計，磁阻芯片，GPS，做成慣性導(dǎo)航控制系統(tǒng)。

結(jié)構(gòu)基本上陀螺儀是一種機(jī)械裝置，其主要部分是一個對旋轉(zhuǎn)軸以極高角速度旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子裝在一支架內(nèi)；在通過轉(zhuǎn)子中心軸XX1上加一內(nèi)環(huán)架，那么陀螺儀就可環(huán)繞平面兩軸作自由運(yùn)動；然后，在內(nèi)環(huán)架外加上一外環(huán)架；這個陀螺儀有兩個平衡環(huán)，可以環(huán)繞平面三軸作自由運(yùn)動，就是一個完整的太空陀螺儀(space gyro)。3

功能分類利用陀螺儀的動力學(xué)特性制成的各種儀表或裝置，主要有以下幾種：

（1）陀螺方向儀

能給出飛行物體轉(zhuǎn)彎角度和航向指示的陀螺裝置。它是三自由度均衡陀螺儀，其底座固連在飛機(jī)上，轉(zhuǎn)子軸提供慣性空間的給定方向。若開始時轉(zhuǎn)子軸水平放置并指向儀表的零方位，則當(dāng)飛機(jī)繞鉛直軸轉(zhuǎn)彎時，儀表就相對轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)動，從而能給出轉(zhuǎn)彎的角度和航向的指示。由于摩擦及其他干擾，轉(zhuǎn)子軸會逐漸偏離原始方向，因此每隔一段時間（如15分鐘）須對照精密羅盤作一次人工調(diào)整。4

（2）陀螺羅盤

供航行和飛行物體作方向基準(zhǔn)用的尋找并跟蹤地理子午面的三自由度陀螺儀。其外環(huán)軸鉛直，轉(zhuǎn)子軸水平置于子午面內(nèi)，正端指北；其重心沿鉛垂軸向下或向上偏離支承中心。轉(zhuǎn)子軸偏離子午面時同時偏離水平面而產(chǎn)生重力矩使陀螺旋進(jìn)到子午面，這種利用重力矩的陀螺羅盤稱擺式羅盤。21世紀(jì)發(fā)展為利用自動控制系統(tǒng)代替重力擺的電控陀螺羅盤，并創(chuàng)造出能同時指示水平面和子午面的平臺羅盤。

（3）陀螺垂直儀

利用擺式敏感元件對三自由度陀螺儀施加修正力矩以指示地垂線的儀表，又稱陀螺水平儀。陀螺儀的殼體利用隨動系統(tǒng)跟蹤轉(zhuǎn)子軸位置，當(dāng)轉(zhuǎn)子軸偏離地垂線時，固定在殼體上的擺式敏感元件輸出信號使力矩器產(chǎn)生修正力矩，轉(zhuǎn)子軸在力矩作用下旋進(jìn)回到地垂線位置。陀螺垂直儀是除陀螺擺以外應(yīng)用于航空和航海導(dǎo)航系統(tǒng)的又一種地垂線指示或量測儀表。

（4）陀螺穩(wěn)定器

穩(wěn)定船體的陀螺裝置。20世紀(jì)初使用的施利克被動式穩(wěn)定器實質(zhì)上是一個裝在船上的大型二自由度重力陀螺儀，其轉(zhuǎn)子軸鉛直放置，框架軸平行于船的橫軸。當(dāng)船體側(cè)搖時，陀螺力矩迫使框架攜帶轉(zhuǎn)子一起相對于船體旋進(jìn)。這種搖擺式旋進(jìn)引起另一個陀螺力矩，對船體產(chǎn)生穩(wěn)定作用。斯佩里主動式穩(wěn)定器是在上述裝置的基礎(chǔ)上增加一個小型操縱陀螺儀，其轉(zhuǎn)子沿船橫軸放置。一旦船體側(cè)傾，小陀螺沿其鉛直軸旋進(jìn)，從而使主陀螺儀框架軸上的控制馬達(dá)及時開動，在該軸上施加與原陀螺力矩方向相同的主動力矩，借以加強(qiáng)框架的旋進(jìn)和由此旋進(jìn)產(chǎn)生的對船體的穩(wěn)定作用。

（5）速率陀螺儀

用以直接測定運(yùn)載器角速率的二自由度陀螺裝置。把均衡陀螺儀的外環(huán)固定在運(yùn)載器上并令內(nèi)環(huán)軸垂直于要測量角速率的軸。當(dāng)運(yùn)載器連同外環(huán)以角速度繞測量軸旋進(jìn)時，陀螺力矩將迫使內(nèi)環(huán)連同轉(zhuǎn)子一起相對運(yùn)載器旋進(jìn)。陀螺儀中有彈簧限制這個相對旋進(jìn)，而內(nèi)環(huán)的旋進(jìn)角正比于彈簧的變形量。由平衡時的內(nèi)環(huán)旋進(jìn)角即可求得陀螺力矩和運(yùn)載器的角速率。積分陀螺儀與速率陀螺儀的不同處只在于用線性阻尼器代替彈簧約束。當(dāng)運(yùn)載器作任意變速轉(zhuǎn)動時，積分陀螺儀的輸出量是繞測量軸的轉(zhuǎn)角（即角速度的積分）。以上兩種陀螺儀在遠(yuǎn)距離測量系統(tǒng)或自動控制、慣性導(dǎo)航平臺中使用較多。5

（6）陀螺穩(wěn)定平臺

以陀螺儀為核心元件，使被穩(wěn)定對象相對慣性空間的給定姿態(tài)保持穩(wěn)定的裝置。穩(wěn)定平臺通常利用由外環(huán)和內(nèi)環(huán)構(gòu)成制平臺框架軸上的力矩器以產(chǎn)生力矩與干擾力矩平衡使陀螺儀停止旋進(jìn)的穩(wěn)定平臺稱為動力陀螺穩(wěn)定器。陀螺穩(wěn)定平臺根據(jù)對象能保持穩(wěn)定的轉(zhuǎn)軸數(shù)目分為單軸、雙軸和三軸陀螺穩(wěn)定平臺。陀螺穩(wěn)定平臺可用來穩(wěn)定那些需要精確定向的儀表和設(shè)備，如測量儀器、天線等，并已廣泛用于航空和航海的導(dǎo)航系統(tǒng)及火控、雷達(dá)的萬向支架支承。根據(jù)不同原理方案使用各種類型陀螺儀為元件。其中利用陀螺旋進(jìn)產(chǎn)生的陀螺力矩抵抗干擾力矩，然后輸出信號控、照相系統(tǒng)。

（7）光纖陀螺儀

光纖陀螺儀是以光導(dǎo)纖維線圈為基礎(chǔ)的敏感元件， 由激光二極管發(fā)射出的光線朝兩個方向沿光導(dǎo)纖維傳播。光傳播路徑的變化，決定了敏感元件的角位移。光纖陀螺儀與傳統(tǒng)的機(jī)械陀螺儀相比，優(yōu)點是全固態(tài)，沒有旋轉(zhuǎn)部件和摩擦部件，壽命長，動態(tài)范圍大，瞬時啟動，結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，重量輕。與激光陀螺儀相比，光纖陀螺儀沒有閉鎖問題，也不用在石英塊精密加工出光路，成本低。

（8）激光陀螺儀

激光陀螺儀的原理是利用光程差來測量旋轉(zhuǎn)角速度（Sagnac效應(yīng)）。在閉合光路中，由同一光源發(fā)出的沿順時針方向和反時針方向傳輸?shù)膬墒夂凸飧缮妫脵z測相位差或干涉條紋的變化，就可以測出閉合光路旋轉(zhuǎn)角速度。

（9）MEMS陀螺儀

基于MEMS的陀螺儀價格相比光纖或者激光陀螺便宜很多，但使用精度非常低，需要使用參考傳感器進(jìn)行補(bǔ)償，以提高使用精度，ADI公司是低成本的MEMS陀螺儀的主要制造商，VMSENS提供的AHRS系統(tǒng)正是通過這種方式，對低成本的MEMS陀螺儀進(jìn)行輔助補(bǔ)償實現(xiàn)的。

基于MEMS 技術(shù)的陀螺因其成本低，能批量生產(chǎn)，已經(jīng)能夠廣泛應(yīng)用于汽車牽引控制系統(tǒng)、醫(yī)用設(shè)備、軍事設(shè)備等低成本需求應(yīng)用中。