陀螺仪原理1基本特性

4.3陀螺原理4.3.1陀螺的定义在航空上，陀螺仪用来测量飞机的姿态角(俯仰角、横滚角、航向角)和角速度，成为飞行驾驶的重要仪表。飞行控制系统如自动驾驶仪和自动稳定器，则是在测量出这些参数的基础上，实现对飞机的自动控制或稳定，因而陀螺仪又是飞行控制系统的重要部件。陀螺：能够绕一定点做高速旋转的物体。（一个绕对称轴高速旋转的飞轮转子）4.3陀螺原理4.3.1陀螺的定义例如：“地转子”当它不转动时和普通物体一样；当它高速旋转起来以后，就有一个明显的特征：地转子能稳定地直立在地面不会倒下。这说明高速旋转的物体具有保持其自转轴方向不变的性质。根据这种性质所研制出的一种能感测旋转的装置，叫陀螺仪。4.3陀螺原理因为陀螺仪可以感测物体相对于空间的旋转，所以，可以利用它来测量角位移或角速度。利用这种原理研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：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。陀螺的基本部件（航空仪表中的陀螺）陀螺转子、内、外框架（支承部件）附件（电机、力矩器、传感器等）转子是一个对称的飞轮，可以高速旋转，其旋转轴为自转轴，旋转角速度为自转角速度。陀螺原理内框可以绕内框轴相对外框自由旋转。外框又可以绕外框轴相对于支架自由转动，这两种角速度都称为牵连角速度支点：自转轴、内框轴和外框轴的轴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。4.3陀螺原理4.3.1陀螺的种类按结构分：有三自由度陀螺和二自由度陀螺（1）三自由度陀螺：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。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在三自由度陀螺中，重心和支点重合，轴承没有摩擦的陀螺叫自由陀螺。它是一种理想的陀螺。4.3陀螺原理4.3.1陀螺的种类二自由度陀螺：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。陀螺仪分类单、双自由度速率、积分压电、微机械4.3.3陀螺的基本特性三自由度陀螺主要由两个基本特性：稳定性、进动性1、稳定性：三自由度陀螺保持其自转轴（或动量矩矢量）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：定轴性和章动。定轴性：当三自由度陀螺转子高速旋转后，若不受外力矩作用，不管基座如何转动，支撑在万向支架上的陀螺仪自转轴指向惯性空间的方位不变，这种特性叫定轴性。章动：当陀螺受到瞬时冲击力矩后，自转轴在原位置附近做微小的运动，其转子轴的大小方向基本不变。当章动的圆锥角为零时，就是定轴。章动是陀螺稳定的一般形式，定轴是陀螺稳定的特殊形式。4.3.3陀螺的基本特性4.3.3陀螺的基本特性章动：当陀螺受到瞬时冲击力矩后，自转轴在原位置附近做微小的圆锥运动，其转子轴的大小方向基本不变。当章动的圆锥角为零时，就是定轴。章动是陀螺稳定的一般形式，定轴是陀螺稳定的特殊形式。进动的规律2、进动性：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相垂直的现象进动、进动角速度4.3.3陀螺的基本特性4.3.3陀螺的基本特性4.3.3陀螺的基本特性4.3.3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：最短路径法则（H沿着最短路径趋向M）进动角速度的大小：根据M=ω×H，写成标量形式：M=ω·H·sinθ因此ω=M/（H·sinθ）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“无惯性”陀螺动力效应：陀螺力矩外加力矩HM陀螺力矩：反作用力矩HHMg陀螺力矩的方向判断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，对内框架无效定轴性总结；漂移、章动二自由度陀螺仪的定轴性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位不变的特性（定轴性、或稳定性）。定轴性的相对性(一)：陀螺漂移ωd=Md/H定轴性的相对性(二)：章动现象陀螺受冲击力矩时，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：sHJsingMH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2)进动性3)无惯性