[科普中國]-單自由度陀螺儀

基本結(jié)構(gòu)

對于一個機(jī)械式陀螺儀，除了沿轉(zhuǎn)子軸方向外，陀螺轉(zhuǎn)子相對儀表殼體還有一個自由度的陀螺儀稱為單自由度陀螺。根據(jù)輸出軸所作用的約束力矩的不同，可以把單自由度陀螺儀分為三種主要類型：速率陀螺儀、積分陀螺儀、二次積分陀螺儀。2

右圖給出了結(jié)構(gòu)示意圖。在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中選用的是浮子式單自由度（或雙自由度）陀螺儀。3

陀螺轉(zhuǎn)子和陀螺內(nèi)環(huán)構(gòu)成陀螺浮子組合件，內(nèi)環(huán)以密封的圓筒形式給出，內(nèi)環(huán)軸也稱為輸出軸，輸出軸通過精密的寶石軸承固裝在殼體上，因而，轉(zhuǎn)子除了繞自轉(zhuǎn)軸的高速轉(zhuǎn)動之外，相對殼體只能繞輸出軸進(jìn)動，角動量H（見右圖）相對慣性空間只有一個自由度。3

單自由度陀螺儀的精度取決于繞輸出軸的干擾力矩大小，為了減小繞輸出軸的摩擦力矩，采用懸浮技術(shù)，即把做成封閉式圓筒的內(nèi)環(huán)放在高密度的浮液中，整個浮子的重量由浮液來承受。這樣，寶石軸承只起定位的作用了。而且人們往往利用浮液對浮筒所產(chǎn)生的阻尼作用代替右圖中的阻尼器C。從工作原理上看，右圖這種結(jié)構(gòu)的陀螺，在沒有彈簧時，稱為積分陀螺。而當(dāng)阻尼作用可以忽略，在輸出軸只存在彈性約束，就叫做速率陀螺儀。3

基本原理單自由度陀螺儀基本原理如右圖所示，它由轉(zhuǎn)子及內(nèi)環(huán)組成。轉(zhuǎn)子裝置安裝在內(nèi)環(huán)軸承上，并以常值角速度Ω繞自轉(zhuǎn)軸Z相對內(nèi)環(huán)高速旋轉(zhuǎn)，內(nèi)環(huán)通過一對軸承與陀螺儀殼體相連，并且可以繞內(nèi)環(huán)軸Y相對殼體轉(zhuǎn)動。內(nèi)環(huán)軸Y與轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)軸Z相互垂直，并且相較于一點O，該交點為陀螺儀的固定不動點，陀螺儀的所有角運動都是以某一瞬間角速度繞固定點O轉(zhuǎn)動。由圖可知，單自由度陀螺儀實際上有兩個角自由度1：

一是轉(zhuǎn)子可以繞自轉(zhuǎn)軸OZ相對于內(nèi)環(huán)旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)角用γ表示；

二是帶有轉(zhuǎn)子的內(nèi)環(huán)可以繞內(nèi)環(huán)軸OY相對于殼體轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)角用β表示。

在單自由度陀螺儀的實際應(yīng)用中，主要研究陀螺儀轉(zhuǎn)子的自轉(zhuǎn)軸OZ的運動特性，即研究OZ軸繞內(nèi)環(huán)軸OY相對于殼體轉(zhuǎn)角β的運動特性。因此，所謂單自由度陀螺儀，實際上是指OZ軸只有一個轉(zhuǎn)動自由度的陀螺儀。1

特性單自由度陀螺儀比起二自由度陀螺儀在制造工藝上有些實際的優(yōu)點，即只限于在一根軸上（輸出軸）需要做得使干擾力矩很小。盡管單自由度陀螺儀有這種優(yōu)點，但在使用中卻比二自由度陀螺復(fù)雜一些。由單自由度陀螺儀構(gòu)成的伺服系統(tǒng)不是一個簡單的位置隨動系統(tǒng)，速度積分陀螺是伺服系統(tǒng)中的積分環(huán)節(jié)，它的動態(tài)特性對伺服系統(tǒng)的性能有很大的影響。3