陀螺儀

　　簡(jiǎn)介

陀螺儀原理圖

　　繞一個(gè)支點(diǎn)高速轉(zhuǎn)動(dòng)的剛體稱為陀螺(top)。通常所說(shuō)的陀螺是特指對(duì)稱陀螺，它是一個(gè)質(zhì)量均勻分布的、具有軸對(duì)稱形狀的剛體，其幾何對(duì)稱軸就是它的自轉(zhuǎn)軸。 由蒼蠅后翅（退化為平衡棒）仿生得來(lái)。

　　在一定的初始條件和一定的外在力矩作用下，陀螺會(huì)在不停自轉(zhuǎn)的同時(shí)，環(huán)繞著另一個(gè)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(jiàn)的現(xiàn)象，許多人小時(shí)候都玩過(guò)的陀螺就是一例。

陀螺儀

　　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(gè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。比如：回轉(zhuǎn)羅盤(pán)、定向指示儀、炮彈的翻轉(zhuǎn)、陀螺的章動(dòng)、地球在太陽(yáng)（月球）引力矩作用下的旋進(jìn)（歲差）等。

　　陀螺儀的種類很多，按用途來(lái)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(dòng)的自動(dòng)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，激光陀螺儀，都是電子式的，可以和加速度計(jì)，磁阻芯片，GPS，做成慣性導(dǎo)航控制系統(tǒng)。

　　結(jié)構(gòu)

陀螺儀結(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(gè)對(duì)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(guò)轉(zhuǎn)子中心軸XX1上加一內(nèi)環(huán)架，那么陀螺儀就可環(huán)繞飛機(jī)兩軸作自由運(yùn)動(dòng)；然后，在內(nèi)環(huán)架外加上一外環(huán)架；這個(gè)陀螺儀有兩個(gè)平衡環(huán)，可以環(huán)繞飛機(jī)三軸作自由運(yùn)動(dòng)，就是一個(gè)完整的太空陀螺儀(space gyro)。

　　歷史

　　1850年法國(guó)的物理學(xué)家萊昂·傅科（J.Foucault）為了研究地球自轉(zhuǎn)，首先發(fā)現(xiàn)高速轉(zhuǎn)動(dòng)中地的轉(zhuǎn)子（rotor），由于它具有慣性，它的旋轉(zhuǎn)軸永遠(yuǎn)指向一固定方向，他用希臘字 gyro（旋轉(zhuǎn)）和skopein（看）兩字合為gyro scopei 一字來(lái)命名這種儀表。

　　陀螺儀是一種既古老而又很有生命力的儀器，從第一臺(tái)真正實(shí)用的陀螺儀器問(wèn)世以來(lái)已有大半個(gè)世紀(jì)，但直到現(xiàn)在，陀螺儀仍在吸引著人們對(duì)它進(jìn)行研究，這是由于它本身具有的特性所決定的。陀螺儀最主要的基本特性是它的穩(wěn)定性和進(jìn)動(dòng)性。人們從兒童玩的地陀螺中早就發(fā)現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)的陀螺可以豎直不倒而保持與地面垂直，這就反映了陀螺的穩(wěn)定性。研究陀螺儀運(yùn)動(dòng)特性的理論是繞定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)剛體動(dòng)力學(xué)的一個(gè)分支，它以物體的慣性為基礎(chǔ)，研究旋轉(zhuǎn)物體的動(dòng)力學(xué)特性。

　　原理

　　陀螺儀的原理就是，一個(gè)旋轉(zhuǎn)物體的旋轉(zhuǎn)軸所指的方向在不受外力影響時(shí)，是不會(huì)改變的。人們根據(jù)這個(gè)道理，用它來(lái)保持方向，制造出來(lái)的東西就叫做陀螺儀。陀螺儀在工作時(shí)要給它一個(gè)力，使它快速旋轉(zhuǎn)起來(lái)，一般能達(dá)到每分鐘幾十萬(wàn)轉(zhuǎn)，可以工作很長(zhǎng)時(shí)間。然后用多種方法讀取軸所指示的方向，并自動(dòng)將數(shù)據(jù)信號(hào)傳給控制系統(tǒng)。

　　在現(xiàn)實(shí)生活中，陀螺儀發(fā)生的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是在重力力矩的作用下發(fā)生的。

　　特性

　　陀螺儀被廣泛用于航空、航天和航海領(lǐng)域。這是由于它的兩個(gè)基本特性：一為定軸性（inertia or rigidity），另一是進(jìn)動(dòng)性（precession），這兩種特性都是建立在角動(dòng)量守恒的原則下。

　　定軸性

　　當(dāng)陀螺轉(zhuǎn)子以高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，在沒(méi)有任何外力矩作用在陀螺儀上時(shí)，陀螺儀的自轉(zhuǎn)軸在慣性空間中的指向保持穩(wěn)定不變，即指向一個(gè)固定的方向；同時(shí)反抗任何改變轉(zhuǎn)子軸向的力量。這種物理現(xiàn)象稱為陀螺儀的定軸性或穩(wěn)定性。其穩(wěn)定性隨以下的物理量而改變：

　　1.轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量愈大，穩(wěn)定性愈好；

　　2.轉(zhuǎn)子角速度愈大，穩(wěn)定性愈好。

　　所謂的“轉(zhuǎn)動(dòng)慣量”，是描述剛體在轉(zhuǎn)動(dòng)中的慣性大小的物理量。當(dāng)以相同的力矩分別作用于兩個(gè)繞定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的不同剛體時(shí)，它們所獲得的角速度一般是不一樣的，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大的剛體所獲得的角速度小，也就是保持原有轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)的慣性大；反之，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小的剛體所獲得的角速度大，也就是保持原有轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)的慣性小。

　　進(jìn)動(dòng)性

　　當(dāng)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，若外力矩作用于外環(huán)軸，陀螺儀將繞內(nèi)環(huán)軸轉(zhuǎn)動(dòng)；若外力矩作用于內(nèi)環(huán)軸，陀螺儀將繞外環(huán)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。其轉(zhuǎn)動(dòng)角速度方向與外力矩作用方向互相垂直。這種特性，叫做陀螺儀的進(jìn)動(dòng)性。進(jìn)動(dòng)角速度的方向取決于動(dòng)量矩H的方向(與轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)角速度矢量的方向一致)和外力矩M的方向，而且是自轉(zhuǎn)角速度矢量以最短的路徑追趕外力矩。如右圖。

進(jìn)動(dòng)方向

　　這可用右手定則判定。即伸直右手，大拇指與食指垂直，手指順著自轉(zhuǎn)軸的方向，手掌朝外力矩的正方向，然后手掌與4指彎曲握拳，則大拇指的方向就是進(jìn)動(dòng)角速度的方向。

　　進(jìn)動(dòng)角速度的大小取決于轉(zhuǎn)子動(dòng)量矩H的大小和外力矩M的大小,其計(jì)算式為進(jìn)動(dòng)角速度ω=M/H。

　　進(jìn)動(dòng)性的大小也有三個(gè)影響的因素：

　　1.外界作用力愈大，其進(jìn)動(dòng)角速度也愈大；

　　2.轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量愈大，進(jìn)動(dòng)角速度愈??；

　　3.轉(zhuǎn)子的角速度愈大，進(jìn)動(dòng)角速度愈小。

　　功能分類

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

　　陀螺方向儀

陀螺儀

　　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(kāi)始時(shí)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(shí)，儀表就相對(duì)轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)動(dòng)，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(huì)逐漸偏離原始方向，因此每隔一段時(shí)間（如15分鐘）須對(duì)照精密羅盤(pán)作一次人工調(diào)整。

　　陀螺羅盤(pán)

　　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(shí)同時(shí)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(pán)稱擺式羅盤(pán)。21世紀(jì)發(fā)展為利用自動(dòng)控制系統(tǒng)代替重力擺的電控陀螺羅盤(pán)，并創(chuàng)造出能同時(shí)指示水平面和子午面的平臺(tái)羅盤(pán)。

　　陀螺垂直儀

　　利用擺式敏感元件對(duì)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(dòng)系統(tǒng)跟蹤轉(zhuǎn)子軸位置，當(dāng)轉(zhuǎn)子軸偏離地垂線時(shí)，固定在殼體上的擺式敏感元件輸出信號(hào)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(cè)儀表。

　　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(dòng)式穩(wěn)定器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)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(shí)，陀螺力矩迫使框架攜帶轉(zhuǎn)子一起相對(duì)于船體旋進(jìn)。這種搖擺式旋進(jìn)引起另一個(gè)陀螺力矩，對(duì)船體產(chǎn)生穩(wěn)定作用。斯佩里主動(dòng)式穩(wěn)定器是在上述裝置的基礎(chǔ)上增加一個(gè)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(shí)開(kāi)動(dòng)，在該軸上施加與原陀螺力矩方向相同的主動(dòng)力矩，借以加強(qiáng)框架的旋進(jìn)和由此旋進(jìn)產(chǎn)生的對(duì)船體的穩(wěn)定作用。

　　速率陀螺儀

　　用以直接測(cè)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

陀螺儀

　　直于要測(cè)量角速率的軸。當(dāng)運(yùn)載器連同外環(huán)以角速度繞測(cè)量軸旋進(jìn)時(shí)，陀螺力矩將迫使內(nèi)環(huán)連同轉(zhuǎn)子一起相對(duì)運(yùn)載器旋進(jìn)。陀螺儀中有彈簧限制這個(gè)相對(duì)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(shí)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(dòng)時(shí)，積分陀螺儀的輸出量是繞測(cè)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(cè)量系統(tǒng)或自動(dòng)控制、慣性導(dǎo)航平臺(tái)中使用較多。

　　陀螺穩(wěn)定平臺(tái)

　　以陀螺儀為核心元件，使被穩(wěn)定對(duì)象相對(duì)慣性空間的給定姿態(tài)保持穩(wěn)定的裝置。穩(wěn)定平臺(tái)通常利用由外環(huán)和內(nèi)環(huán)構(gòu)成制平臺(tái)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(tái)稱為動(dòng)力陀螺穩(wěn)定器。陀螺穩(wěn)定平臺(tái)根據(jù)對(duì)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(tái)。陀螺穩(wěn)定平臺(tái)可用來(lái)穩(wěn)定那些需要精確定向的儀表和設(shè)備，如測(cè)量?jī)x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(wàn)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(hào)控、照相系統(tǒng)。

　　傳感器

　　陀螺儀傳感器是一個(gè)簡(jiǎn)單易用的基于自由空間移動(dòng)和手勢(shì)的定位和控制系統(tǒng)。在假象的平面上揮動(dòng)鼠標(biāo)，屏幕上的光標(biāo)就會(huì)跟著移動(dòng)，并可以繞著鏈接畫(huà)圈和點(diǎn)擊按鍵。當(dāng)你正在演講或離開(kāi)桌子時(shí)，這些操作都能夠很方便地實(shí)現(xiàn)。 陀螺儀傳感器原本是運(yùn)用到直升機(jī)模型上的，已經(jīng)被廣泛運(yùn)用于手機(jī)這類移動(dòng)便攜設(shè)備上（IPHONE的三軸陀螺儀技術(shù)）。

　　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(gè)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(diǎn)是全固態(tài)，沒(méi)有旋轉(zhuǎn)部件和摩擦部件，壽命長(zhǎng)，動(dòng)態(tài)范圍大，瞬時(shí)啟動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸小，重量輕。與激光陀螺儀相比，光纖陀螺儀沒(méi)有閉鎖問(wèn)題，也不用在石英塊精密加工出光路，成本低。

　　激光陀螺儀

　　激光陀螺儀的原理是利用光程差來(lái)測(cè)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(shí)針?lè)较蚝头磿r(shí)針?lè)较騻鬏數(shù)膬墒夂凸飧缮妫脵z測(cè)相位差或干涉條紋的變化，就可以測(cè)出閉合光路旋轉(zhuǎn)角速度。

　　MEMS陀螺儀

　　基于MEMS的陀螺儀價(jià)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(guò)這種方式，對(duì)低成本的MEMS陀螺儀進(jìn)行輔助補(bǔ)償實(shí)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。

　　現(xiàn)代儀器

　　簡(jiǎn)介

　　現(xiàn)代陀螺儀是一種能夠精確地確定運(yùn)動(dòng)物體的方位的儀器，它是現(xiàn)代航空，航海，航天和國(guó)防工業(yè)中

陀螺儀

　　廣泛使用的一種慣性導(dǎo)航儀器，它的發(fā)展對(duì)一個(gè)國(guó)家的工業(yè)，國(guó)防和其它高科技的發(fā)展具有十分重要的戰(zhàn)略意義。傳統(tǒng)的慣性陀螺儀主要是指機(jī)械式的陀螺儀，機(jī)械式的陀螺儀對(duì)工藝結(jié)構(gòu)的要求很高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，它的精度受到了很多方面的制約。自從上個(gè)世紀(jì)七十年代以來(lái)，現(xiàn)代陀螺儀的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)全新的階段。1976年 等提出了現(xiàn)代光纖陀螺儀的基本設(shè)想，到八十年代以后，現(xiàn)代光纖陀螺儀就得到了非常迅速的發(fā)展，與此同時(shí)激光諧振陀螺儀也有了很大的發(fā)展。由于光纖陀螺儀具有結(jié)構(gòu)緊湊，靈敏度高，工作可靠等等優(yōu)點(diǎn)，關(guān)鍵部件。和光纖陀螺儀同時(shí)發(fā)展的除了環(huán)式激光陀螺儀外，還有現(xiàn)代集成式的振動(dòng)陀螺儀，集成式的振動(dòng)陀螺儀具有更高的集成度，體積更小，也是現(xiàn)代陀螺儀的一個(gè)重要的發(fā)展方向。

　　組成

　　現(xiàn)代光纖陀螺儀包括干涉式陀螺儀和諧振式陀螺儀兩種，它們都是根據(jù)塞格尼克的理論發(fā)展起來(lái)的。塞格尼克理論的要點(diǎn)是這樣的：當(dāng)光束在一個(gè)環(huán)形的通道中前進(jìn)時(shí)，如果環(huán)形通道本身具有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)速度，那么光線沿著通道轉(zhuǎn)動(dòng)的方向前進(jìn)所需要的時(shí)間要比沿著這個(gè)通道轉(zhuǎn)動(dòng)相反的方向前進(jìn)所需要的時(shí)間要多。也就是說(shuō)當(dāng)光學(xué)環(huán)路轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在不同的前進(jìn)方向上，光學(xué)環(huán)路的光程相對(duì)于環(huán)路在靜止時(shí)的光程都會(huì)產(chǎn)生變化。利用這種光程的變化，如果使不同方向上前進(jìn)的光之間產(chǎn)生干涉來(lái)測(cè)量環(huán)路的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，就可以制造出干涉式光纖陀螺儀，如果利用這種環(huán)路光程的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)在環(huán)路中不斷循環(huán)的光之間的干涉，也就是通過(guò)調(diào)整光纖環(huán)路的光的諧振頻率進(jìn)而測(cè)量環(huán)路的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，就可以制造出諧振式的光纖陀螺儀。從這個(gè)簡(jiǎn)單的介紹可以看出，干涉式陀螺儀在實(shí)現(xiàn)干涉時(shí)的光程差小，所以它所要求的光源可以有較大的頻譜寬度，而諧振式的陀螺儀在實(shí)現(xiàn)干涉時(shí)，它的光程差較大，所以它所要求的光源必須有很好的單色性。

　　用途

陀螺儀構(gòu)造

　　陀螺儀器最早是用于航海導(dǎo)航，但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，它在航空和航天事業(yè)中也得到廣泛的應(yīng)用。陀螺儀器不僅可以作為指示儀表，而更重要的是它可以作為自動(dòng)控制系統(tǒng)中的一個(gè)敏感元件，即可作為信號(hào)傳感器。根據(jù)需要，陀螺儀器能提供準(zhǔn)確的方位、水平、位置、速度和加速度等信號(hào)，以便駕駛員或用自動(dòng)導(dǎo)航儀來(lái)控制飛機(jī)、艦船或航天飛機(jī)等航行體按一定的航線飛行，而在導(dǎo)彈、衛(wèi)星運(yùn)載器或空間探測(cè)火箭等航行體的制導(dǎo)中，則直接利用這些信號(hào)完成航行體的姿態(tài)控制和軌道控制。作為穩(wěn)定器，陀螺儀器能使列車在單軌上行駛，能減小船舶在風(fēng)浪中的搖擺，能使安裝在飛機(jī)或衛(wèi)星上的照相機(jī)相對(duì)地面穩(wěn)定等等。作為精密測(cè)試儀器，陀螺儀器能夠?yàn)榈孛嬖O(shè)施、礦山隧道、地下鐵路、石油鉆探以及導(dǎo)彈發(fā)射井等提供準(zhǔn)確的方位基準(zhǔn)。由此可見(jiàn)，陀螺儀器的應(yīng)用范圍是相當(dāng)廣泛的，它在現(xiàn)代化的國(guó)防建設(shè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中均占重要的地位。

　　廣泛使用的MEMS陀螺（微機(jī)械）可應(yīng)用于航空、航天、航海、兵器、汽車、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)控等領(lǐng)域。并且MEMS陀螺相比傳統(tǒng)的陀螺有明顯的優(yōu)勢(shì)：

　　1.體積小、重量輕。適合于對(duì)安裝空間和重量要求苛刻的場(chǎng)合，例如彈載測(cè)量等。

　　2.低成本。

　　3.高可靠性。內(nèi)部無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)部件，全固態(tài)裝置，抗大過(guò)載沖擊，工作壽命長(zhǎng)。

　　4.低功耗。

　　5.大量程。適于高轉(zhuǎn)速大g值的場(chǎng)合。

　　6.易于數(shù)字化、智能化?？蓴?shù)字輸出，溫度補(bǔ)償，零位校正等。

　　基本部件

　　從力學(xué)的觀點(diǎn)近似的分析陀螺的運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以把它看成是一個(gè)剛體，剛體上有一個(gè)萬(wàn)向支點(diǎn)，而陀螺可以繞著這個(gè)支點(diǎn)作三個(gè)自由度的轉(zhuǎn)動(dòng)，所以陀螺的運(yùn)動(dòng)是屬于剛體繞一個(gè)定點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。更確切地說(shuō)，一個(gè)繞對(duì)稱軸高速旋轉(zhuǎn)的飛輪轉(zhuǎn)子叫陀螺。將陀螺安裝在框架裝置上，使陀螺的自轉(zhuǎn)軸有角轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度，這種裝置的總體叫做陀螺儀，

　　陀螺儀的基本部件有：

　　(1) 陀螺轉(zhuǎn)子(常采用同步電機(jī)、磁滯電機(jī)、三相交流電機(jī)等拖動(dòng)方法來(lái)使陀螺轉(zhuǎn)子繞自轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn)，并見(jiàn)其轉(zhuǎn)速近似為常值)

　　(2) 內(nèi)、外框架(或稱內(nèi)、外環(huán)，它是使陀螺自轉(zhuǎn)軸獲得所需角轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的結(jié)構(gòu))

　　(3) 附件(是指力矩馬達(dá)、信號(hào)傳感器等)。

　　基本類型

　　根據(jù)框架的數(shù)目和支承的形式以及附件的性質(zhì)決定陀螺儀的類型有：

　　三自由度陀螺儀(具有內(nèi)、外兩個(gè)框架，使轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)軸具有兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。在沒(méi)有任何力矩裝置時(shí)，它就是一個(gè)自由陀螺儀)。

　　二自由度陀螺儀(只有一個(gè)框架，使轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)軸具有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度)。

　　根據(jù)二自由度陀螺儀中所使用的反作用力矩的性質(zhì)，可以把這種陀螺儀分成三種類型：

　　速率陀螺儀(它使用的反作力矩是彈性力矩)

　　積分陀螺儀(它使用的反作用力矩是阻尼力矩)

　　無(wú)約束陀螺(它僅有慣性反作用力矩)

　　除了機(jī)、電框架式陀螺儀以外，還出現(xiàn)了某些新型陀螺儀，如靜電式自由轉(zhuǎn)子陀螺儀，撓性陀螺儀，激光陀螺儀等。

　　二自由度

　　二自由度陀螺儀的轉(zhuǎn)子支承在一個(gè)框架內(nèi)，沒(méi)有外框架，因而轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)有一個(gè)進(jìn)動(dòng)自由度，即少了垂直于內(nèi)框架軸和自轉(zhuǎn)軸方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。因此二自由度陀螺儀與三自由度陀螺儀的特性也有所不同。

　　進(jìn)動(dòng)性是三自由度陀螺儀的基本特性之—，當(dāng)繞內(nèi)框架軸作用外力矩時(shí)，將使高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生繞外框架軸的進(jìn)動(dòng)，而繞外框架軸作用外力矩時(shí)，將使轉(zhuǎn)子軸產(chǎn)生繞內(nèi)框架軸的進(jìn)動(dòng)。

　　定軸性是三自由度陀螺儀的另一基本特性。無(wú)論基座繞陀螺儀自轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，還是繞內(nèi)框架軸或外框架軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)，都不會(huì)直接帶動(dòng)陀螺轉(zhuǎn)子一起轉(zhuǎn)動(dòng)(指轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)之外的轉(zhuǎn)動(dòng))。由內(nèi)、外框架所組成的框架裝置，將基座的轉(zhuǎn)動(dòng)與陀螺轉(zhuǎn)子隔離開(kāi)來(lái)。這樣，如果陀螺儀自轉(zhuǎn)軸穩(wěn)定在慣性空間的某個(gè)方位上，當(dāng)基座轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，它仍然穩(wěn)定在原來(lái)的方位上。

　　對(duì)于二自由度陀螺儀，當(dāng)基座繞陀螺儀自轉(zhuǎn)軸或內(nèi)框架軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，仍然不會(huì)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子一起轉(zhuǎn)動(dòng)，即內(nèi)框架仍然起隔離運(yùn)動(dòng)的作用。但是，當(dāng)基座繞陀螺儀缺少自由度的x軸方向以角速度ωx轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于陀螺儀繞該軸沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，所以基座轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，就通過(guò)內(nèi)框架軸上的一對(duì)支承帶動(dòng)陀螺轉(zhuǎn)子一起轉(zhuǎn)動(dòng)。但陀螺儀自轉(zhuǎn)軸仍盡力保持其原來(lái)的空間方位不變。因此，基座轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，內(nèi)框架軸上的一對(duì)支承就有推力F作用在內(nèi)框架軸的兩端，而形成作用在陀螺儀上的推力矩mx, 其方向垂直于動(dòng)量矩H，并沿x鈾正向。由于陀螺儀繞內(nèi)框架軸有轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度，所以這個(gè)推力矩就使陀螺儀產(chǎn)生繞內(nèi)框架軸的進(jìn)動(dòng)，進(jìn)動(dòng)角速度β指向內(nèi)框架軸y的正向，使轉(zhuǎn)子軸趨向與x軸重合。

　　因此，當(dāng)基座繞陀螺儀缺少自由度的方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，將強(qiáng)迫陀螺儀跟隨基座轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)陀螺儀轉(zhuǎn)子軸繞內(nèi)框架軸進(jìn)動(dòng)。結(jié)果使轉(zhuǎn)子軸趨向與基座轉(zhuǎn)動(dòng)角速度的方向重合。即二自由度陀螺儀具有敏感繞其缺少轉(zhuǎn)動(dòng)自由度方向旋轉(zhuǎn)角速度的特性。

　　二自由度陀螺儀受到沿內(nèi)框架軸向外力矩作用時(shí)，轉(zhuǎn)子軸繞內(nèi)框軸運(yùn)動(dòng)。

　　沿內(nèi)框架軸向作用力矩時(shí)轉(zhuǎn)子軸的運(yùn)動(dòng)。設(shè)沿內(nèi)框架鈾y的正向有外力矩My作用，則二自由度陀螺儀的轉(zhuǎn)子軸將力圖以角速度My/H繞x軸的負(fù)向進(jìn)動(dòng)，如圖3所示。由于陀螺轉(zhuǎn)子軸繞x軸方向不能轉(zhuǎn)動(dòng)，這個(gè)進(jìn)動(dòng)是不可能實(shí)現(xiàn)的。但其進(jìn)動(dòng)趨勢(shì)仍然存在，并對(duì)內(nèi)框架軸兩端的支承施加壓力，這樣，支承就產(chǎn)生約束反力F作用在內(nèi)框架軸兩端，而形成作用在陀螺儀上的約束反力矩mx，其方向垂直于動(dòng)量矩H并沿x軸的正向。由于轉(zhuǎn)子軸繞內(nèi)框架軸存在轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，所以在這個(gè)約束反力矩mx的作用下，陀螺儀轉(zhuǎn)子軸就繞內(nèi)框架軸以β的角速度沿y軸正向進(jìn)動(dòng)。簡(jiǎn)單地說(shuō)，如果陀螺繞x軸方向不能轉(zhuǎn)動(dòng)，那么在繞內(nèi)框架軸向的外力矩作用下，陀螺儀的轉(zhuǎn)子軸也繞內(nèi)框架軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

　　陀螺繞主軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角動(dòng)量以H表示，H=JsΩ，式中Js為陀螺轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

　　工作原理

　　原理

　　高速旋轉(zhuǎn)的物體的旋轉(zhuǎn)軸，對(duì)于改變其方向的外力作用有趨向于垂直方向的傾向。而且，旋轉(zhuǎn)物體在橫向傾斜時(shí)，重力會(huì)向增加傾斜的方向作用，而軸則向垂直方向運(yùn)動(dòng)，就產(chǎn)生了搖頭的運(yùn)動(dòng)（歲差運(yùn)動(dòng)）。當(dāng)陀螺經(jīng)緯儀的陀螺旋轉(zhuǎn)軸以水平軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于地球的旋轉(zhuǎn)而受到鉛直方向旋轉(zhuǎn)力，陀螺的旋轉(zhuǎn)體向水平面內(nèi)的子午線方向產(chǎn)生歲差運(yùn)動(dòng)。當(dāng)軸平行于子午線而靜止時(shí)可加以應(yīng)用。

　　構(gòu)造

　　陀螺經(jīng)緯儀的陀螺裝置由陀螺部分和電源部分組成。此陀螺裝置與全站儀結(jié)合而成。陀螺本體在裝置內(nèi)用絲線吊起使旋轉(zhuǎn)軸處于水平。當(dāng)陀螺旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于地球的自轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)軸在水平面內(nèi)以真北為中心產(chǎn)生緩慢的歲差運(yùn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)軸的方向由裝置外的目鏡可以進(jìn)行觀測(cè)，陀螺指針的振動(dòng)中心方向指向真北。利用陀螺經(jīng)緯儀的真北測(cè)定方法有“追尾測(cè)定”和“時(shí)間測(cè)定”等。

　　追尾測(cè)定[反轉(zhuǎn)法]

　　利用全站儀的水平微動(dòng)螺絲對(duì)陀螺經(jīng)緯儀顯示歲差運(yùn)動(dòng)的刻度盤(pán)進(jìn)行追尾。在震動(dòng)方向反轉(zhuǎn)的點(diǎn)上（此時(shí)運(yùn)動(dòng)停止）讀取水平角。如此繼續(xù)測(cè)定之，求得其平均震動(dòng)的中心角。用此方法進(jìn)行20分鐘的觀測(cè)可以求得+/-0。5分的真北方向。

　　時(shí)間測(cè)定[通過(guò)法]

　　用追尾測(cè)定觀測(cè)真北方向后，陀螺經(jīng)緯儀指向了真北方向，其指針由于歲差運(yùn)動(dòng)而左右擺動(dòng)。用全站儀的水平微動(dòng)螺絲對(duì)指針的擺動(dòng)進(jìn)行追尾，當(dāng)指針通過(guò)0點(diǎn)時(shí)反復(fù)記錄水平角，可以提高時(shí)間測(cè)定的精度，并以+/-20秒的精度求得真北方向。

　　應(yīng)用實(shí)例

　　3.1 隧道中心線測(cè)量

　　在隧道等挖掘工程中，坑內(nèi)的中心線測(cè)量一般采用難以保證精度的長(zhǎng)距離導(dǎo)線。特別是進(jìn)行盾構(gòu)挖掘（shield tunnel）的情況，從立坑的短基準(zhǔn)中心線出發(fā)必須有很高的測(cè)角精度和移站精度，測(cè)量中還要經(jīng)常進(jìn)行地面和地下的對(duì)應(yīng)檢查，以確保測(cè)量的精度。特別是在密集的城市地區(qū)，不可能進(jìn)行過(guò)多的檢測(cè)作業(yè)而遇到困難。如果使用陀螺經(jīng)緯儀可以得到絕對(duì)高精度的方位基準(zhǔn)，而且可減少耗費(fèi)很高的檢測(cè)作業(yè)（檢查點(diǎn)最少），是一種效率很高的中心線測(cè)量方法。

　　3.2 通視障礙時(shí)的方向角獲取

　　當(dāng)有通視障礙，不能從已知點(diǎn)取得方向角時(shí)，可以采用天文測(cè)量或陀螺經(jīng)緯儀測(cè)量的方法獲取方向角（根據(jù)建設(shè)省測(cè)量規(guī)范）。與天文測(cè)量比較，陀螺經(jīng)緯儀測(cè)量的方法有很多優(yōu)越性：對(duì)天氣的依賴少、云的多少無(wú)關(guān)、無(wú)須復(fù)雜的天文計(jì)算、在現(xiàn)場(chǎng)可以得到任意測(cè)線的方向角而容易計(jì)算閉合差。

　　3.3 日影計(jì)算所需的真北測(cè)定

　　在城市或近郊地區(qū)對(duì)高層建筑有日照或日影條件的高度限制。在建筑申請(qǐng)時(shí)，要附加日影圖。此日影圖是指，在冬至的真太陽(yáng)時(shí)的8點(diǎn)到16點(diǎn)為基準(zhǔn)，進(jìn)行為了計(jì)算、圖面繪制所需要的高精度真北方向測(cè)定。使用陀螺經(jīng)緯儀測(cè)量可以獲得不受天氣、時(shí)間影響的真北測(cè)量。

　　4，陀螺儀的各種品牌及購(gòu)買途徑

　　美國(guó)ADI公司 TI公司 ST公司 俄羅斯 Fizoptika 挪威SENSONOR公司 日本Silicon美國(guó)BEI村田 EPSON

　　美國(guó)CrossbowKVH國(guó)內(nèi)的一些高校和研究所也在研發(fā)生產(chǎn)一些陀螺儀，國(guó)內(nèi)的一些公司和北京中發(fā)電子市場(chǎng)3176代理某些陀螺儀。

　　陀螺儀在智能手機(jī)上的應(yīng)用

　　1、陀螺儀自被發(fā)明開(kāi)始，就用于導(dǎo)航，先是德國(guó)人將其應(yīng)用在V1、V2火箭上，因此，如果配合GPS，手機(jī)的導(dǎo)航能力將達(dá)到前所未有的水準(zhǔn)。實(shí)際上，很多專業(yè)手持式GPS上也裝了陀螺儀，如果手機(jī)上安裝了相應(yīng)的軟件，導(dǎo)航能力絕不亞于很多船舶、飛機(jī)上用的導(dǎo)航儀。還可以實(shí)現(xiàn)GPS的慣性導(dǎo)航：當(dāng)汽車行駛到隧道或城市高大建筑物附近，沒(méi)有GPS訊號(hào)時(shí)，可以通過(guò)陀螺儀來(lái)測(cè)量汽車的偏航或直線運(yùn)動(dòng)位移，從而繼續(xù)導(dǎo)航。

　　2、可以和手機(jī)上的攝像頭配合使用，比如防抖，在拍照時(shí)的維持圖像的穩(wěn)定，防止由于手的抖動(dòng)對(duì)拍照質(zhì)量的影響。在按下快門(mén)時(shí)，記錄手的抖動(dòng)動(dòng)作，將手的抖動(dòng)反饋給圖像處理器，可以讓手機(jī)捕捉到更清晰穩(wěn)定的畫(huà)面。

　　3、各類游戲的傳感器，比如飛行游戲，體育類游戲，甚至包括一些第一視角類射擊游戲，陀螺儀完整監(jiān)測(cè)游戲者手的位移，從而實(shí)現(xiàn)各種游戲操作效果。有關(guān)這點(diǎn)，想必用過(guò)任天堂WII的網(wǎng)友會(huì)有很深的感受。

　　4、可以用作輸入設(shè)備，陀螺儀相當(dāng)于一個(gè)立體的鼠標(biāo)，這個(gè)功能和第三大用途中的游戲傳感器很類似，甚至可以認(rèn)為是一種類型。通過(guò)小幅度的傾斜，偏轉(zhuǎn)手機(jī)，實(shí)現(xiàn)菜單，目錄的選擇和操作的執(zhí)行。（比如前后傾斜手機(jī)，實(shí)現(xiàn)通訊錄條目的上下滾動(dòng)；左右傾斜手機(jī)，實(shí)現(xiàn)瀏覽頁(yè)面的左右移動(dòng)或者頁(yè)面的放大或縮小。）

　　5、也是未來(lái)最有前景和應(yīng)用范圍的用途。那就是可以幫助手機(jī)實(shí)現(xiàn)很多增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的功能。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是才冒出的概念，和虛擬現(xiàn)實(shí)一樣，是計(jì)算機(jī)的一種應(yīng)用。大意是可以通過(guò)手機(jī)或者電腦的處理能力，讓人們對(duì)現(xiàn)實(shí)中的一些物體有跟深入的了解。如果大家不理解，舉個(gè)例子，前面有一個(gè)大樓，用手機(jī)攝像頭對(duì)準(zhǔn)它，馬上就可以在屏幕上得到這座大樓的相關(guān)參數(shù)，比如樓的高度，寬度，海拔，如果連接到數(shù)據(jù)庫(kù)，甚至可以得到這座大廈的物主、建設(shè)時(shí)間、現(xiàn)在的用途、可容納的人數(shù)等等。