[科普中國]-二自由度陀螺儀

基本原理

二自由度陀螺儀基本原理如右圖所示，它由轉(zhuǎn)子、萬向環(huán)架的內(nèi)環(huán)及外環(huán)所組成。轉(zhuǎn)子安裝在內(nèi)環(huán)的軸承上，并以常值角速度Ω繞自轉(zhuǎn)軸Z相對于內(nèi)環(huán)高速旋轉(zhuǎn)；內(nèi)環(huán)通過一堆軸承和外環(huán)相連，內(nèi)環(huán)可以繞內(nèi)環(huán)軸Y相對于外環(huán)轉(zhuǎn)動；外環(huán)又通過另一對軸承和陀螺儀的殼體相連，并且可以繞外環(huán)軸X相對于殼體轉(zhuǎn)動。內(nèi)環(huán)周X、外環(huán)軸 Y 及轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)軸 Z 相互垂直，三軸相較于一點 O ，該交點為陀螺儀的固定不動點，陀螺儀的所有角運動都以某一瞬間角速度相對于固定不動點 O 而轉(zhuǎn)動。1

二自由度陀螺儀有三個自由度：一是繞自轉(zhuǎn)軸OZ相對于內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)動；二是帶有轉(zhuǎn)子的內(nèi)環(huán)繞內(nèi)環(huán)軸OY的轉(zhuǎn)動；三是帶有內(nèi)環(huán)及轉(zhuǎn)子的外環(huán)繞外環(huán)軸OX的轉(zhuǎn)動，故稱此類陀螺儀為二自由度陀螺儀。二自由度陀螺儀可實現(xiàn)OZ軸指向任意慣性空間。1

二自由度陀螺儀的取向二自由度陀螺儀在應(yīng)用中相當于兩個積分陀螺儀，其內(nèi)環(huán)軸A和外環(huán)軸B均為穩(wěn)定軸，可同時提供兩條正交的穩(wěn)定軸線。由于二自由度陀螺儀為復(fù)合結(jié)構(gòu)體，它的取向形式是有限的。通常用于穩(wěn)定z軸和y軸的取向有兩種（如右圖）：《SAB》，即自轉(zhuǎn)軸S沿x軸方向，外環(huán)軸B沿z軸方向，內(nèi)環(huán)軸A沿y軸方向；《SBA》，既自轉(zhuǎn)軸S沿x軸方向，外環(huán)軸B沿y軸方向，內(nèi)環(huán)軸A沿z軸方向。

沿內(nèi)環(huán)軸作用的干擾力矩，主要是由于陀螺組合件（內(nèi)環(huán)組合件）的缺陷引起的，而沿外環(huán)軸B的干擾力矩，不僅包括內(nèi)環(huán)組件缺陷引起的有害力矩，而且還包括外環(huán)構(gòu)建缺陷產(chǎn)生的有害力矩。因此，B軸的漂移率較A軸低。在設(shè)計中，可根據(jù)具體要求確定合理的取向形式。

采用二自由度陀螺儀的慣性平臺，多選用兩個陀螺儀。陀螺N-《SBA》；陀螺E-《BSA》（如右圖）。當利用殼體旋轉(zhuǎn)法補償陀螺漂移時，陀螺的取向為N-《SBA》，E-《SAB》。4

應(yīng)用：單軸穩(wěn)定器二自由度陀螺儀可用來組成單軸穩(wěn)定器，右圖給出了用二自由度陀螺儀作為敏感元件組成的單軸穩(wěn)定器結(jié)構(gòu)原理圖。圖中C表示飛行器載體，其上裝著單軸平臺P，在平臺上安裝一個二自由度液浮陀螺儀，用坐標系OXYZ來表示平臺坐標系，對應(yīng)的陀螺儀坐標系用Oxyz來表示，陀螺儀的內(nèi)環(huán)軸和被穩(wěn)定的平臺軸平行安放，即Ox平行于OX。

在陀螺的內(nèi)環(huán)軸上裝有信號傳感器S。由于二自由度陀螺儀是相對慣性空間穩(wěn)定的，因此，當平臺繞OX軸有干擾力矩M存在時，平臺繞OX軸相對慣性空間有轉(zhuǎn)角產(chǎn)生，也就相當于繞陀螺的內(nèi)環(huán)軸有偏差角出現(xiàn)，陀螺內(nèi)環(huán)軸上信號傳感器S就有信號輸出，此信號經(jīng)過平臺控制器送入直流力矩電機，該力矩電機帶動平臺旋轉(zhuǎn)，消除此偏角，或達到力矩平衡，從而保證了平臺相對慣性空間繞X軸的穩(wěn)定。3