重積分陀螺儀

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於殼體的角位移產生，並且與殼體繞輸入軸的角速率的重積分成比例。

基本介紹

• 中文名：重積分陀螺儀
• 外文名：double-integrating gyro
• 領域：導航
• 性質：單自由度陀螺儀
• 由來：輸出與輸入角速率的重積分成比例
• 類似名詞：速率積分陀螺儀

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於殼體的角位移產生，並且與殼體繞輸入軸的角速率的重積分成比例。

陀螺儀表

陀螺儀是用高速迴轉體的動量矩敏感殼體相對慣性空間繞正交於自轉軸的一個或二個軸的角運動檢測裝置。利用其他原理製成的角運動檢測裝置起同樣功能的也稱陀螺儀。

裝置介紹

繞一個支點高速轉動的剛體稱為陀螺(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軸。 與蒼蠅退化的後翅（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，陀螺會在不停自轉的同時，環繞著另一個固定的轉軸不停地旋轉，這就是陀螺的旋進(precession)，又稱為迴轉效應(gyroscopic effect)。陀螺旋進是日常生活中常見的現象，許多人小時候都玩過的陀螺就是一例。

人們利用陀螺的力學性質所製成的各種功能的陀螺裝置稱為陀螺儀(gyroscope)，它在科學、技術、軍事等各個領域有著廣泛的套用。比如：迴轉羅盤、定向指示儀、炮彈的翻轉、陀螺的章動等。

陀螺儀的種類很多，按用途來分，它可以分為感測陀螺儀和指示陀螺儀。感測陀螺儀用於飛行體運動的自動控制系統中，作為水平、垂直、俯仰、航向和角速度感測器。指示陀螺儀主要用於飛行狀態的指示，作為駕駛和領航儀表使用。

陀螺儀分為，壓電陀螺儀，微機械陀螺儀，光纖陀螺儀和雷射陀螺儀，它們都是電子式的，並且它們可以和加速度計，磁阻晶片，GPS，做成慣性導航控制系統。

結構

基本上陀螺儀是一種機械裝置，其主要部分是一個對旋轉軸以極高角速度旋轉的轉子，轉子裝在一支架內；在通過轉子中心軸XX1上加一內環架，那么陀螺儀就可環繞平面兩軸作自由運動；然後，在內環架外加上一外環架；這個陀螺儀有兩個平衡環，可以環繞平面三軸作自由運動，就是一個完整的太空陀螺儀(space gyro)。

功能分類

利用陀螺儀的動力學特性製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，其底座固連在飛機上，轉子軸提供慣性空間的給定方向。若開始時轉子軸水平放置並指向儀表的零方位，則當飛機繞鉛直軸轉彎時，儀表就相對轉子軸轉動，從而能給出轉彎的角度和航向的指示。由於摩擦及其他干擾，轉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整。

（2）陀螺羅盤

供航行和飛行物體作方向基準用的尋找並跟蹤地理子午面的三自由度陀螺儀。其外環軸鉛直，轉子軸水平置於子午面內，正端指北；其重心沿鉛垂軸向下或向上偏離支承中心。轉子軸偏離子午面時同時偏離水平面而產生重力矩使陀螺旋進到子午面，這種利用重力矩的陀螺羅盤稱擺式羅盤。21世紀發展為利用自動控制系統代替重力擺的電控陀螺羅盤，並創造出能同時指示水平面和子午面的平台羅盤。

（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跟蹤轉子軸位置，當轉子軸偏離地垂線時，固定在殼體上的擺式敏感元件輸出信號使力矩器產生修正力矩，轉子軸在力矩作用下旋進回到地垂線位置。陀螺垂直儀是除陀螺擺以外套用於航空和航海導航系統的又一種地垂線指示或量測儀表。

（4）陀螺穩定器

穩定船體的陀螺裝置。20世紀初使用的施利克被動式穩定器實質上是一個裝在船上的大型二自由度重力陀螺儀，其轉子軸鉛直放置，框架軸平行於船的橫軸。當船體側搖時，陀螺力矩迫使框架攜帶轉子一起相對於船體旋進。這種搖擺式旋進引起另一個陀螺力矩，對船體產生穩定作用。斯佩里主動式穩定器是在上述裝置的基礎上增加一個小型操縱陀螺儀，其轉子沿船橫軸放置。一旦船體側傾，小陀螺沿其鉛直軸旋進，從而使主陀螺儀框架軸上的控制馬達及時開動，在該軸上施加與原陀螺力矩方向相同的主動力矩，藉以加強框架的旋進和由此旋進產生的對船體的穩定作用。

（5）速率陀螺儀

用以直接測定運載器角速率的二自由度陀螺裝置。把均衡陀螺儀的外環固定在運載器上並令內環軸垂直於要測量角速率的軸。當運載器連同外環以角速度繞測量軸旋進時，陀螺力矩將迫使內環連同轉子一起相對運載器旋進。陀螺儀中有彈簧限制這個相對旋進，而內環的旋進角正比於彈簧的變形量。由平衡時的內環旋進角即可求得陀螺力矩和運載器的角速率。積分陀螺儀與速率陀螺儀的不同處只在於用線性阻尼器代替彈簧約束。當運載器作任意變速轉動時，積分陀螺儀的輸出量是繞測量軸的轉角（即角速度的積分）。以上兩種陀螺儀在遠距離測量系統或自動控制、慣性導航平台中使用較多。

（6）陀螺穩定平台

以陀螺儀為核心元件，使被穩定對象相對慣性空間的給定姿態保持穩定的裝置。穩定平台通常利用由外環和內環構成制平台框架軸上的力矩器以產生力矩與干擾力矩平衡使陀螺儀停止旋進的穩定平台稱為動力陀螺穩定器。陀螺穩定平台根據對象能保持穩定的轉軸數目分為單軸、雙軸和三軸陀螺穩定平台。陀螺穩定平台可用來穩定那些需要精確定向的儀表和設備，如測量儀器、天線等，並已廣泛用於航空和航海的導航系統及火控、雷達的萬向支架支承。根據不同原理方案使用各種類型陀螺儀為元件。其中利用陀螺旋進產生的陀螺力矩抵抗干擾力矩，然後輸出信號控、照相系統。

（7）光纖陀螺儀

光纖陀螺儀是以光導纖維線圈為基礎的敏感元件， 由雷射二極體發射出的光線朝兩個方向沿光導纖維傳播。光傳播路徑的變化，決定了敏感元件的角位移。光纖陀螺儀與傳統的機械陀螺儀相比，優點是全固態，沒有旋轉部件和摩擦部件，壽命長，動態範圍大，瞬時啟動，結構簡單，尺寸小，重量輕。與雷射陀螺儀相比，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）雷射陀螺儀

雷射陀螺儀的原理是利用光程差來測量旋轉角速度（Sagnac效應）。在閉合光路中，由同一光源發出的沿順時針方向和反時針方向傳輸的兩束光和光干涉，利用檢測相位差或干涉條紋的變化，就可以測出閉合光路旋轉角速度。

（9）MEMS陀螺儀

基於MEMS的陀螺儀價格相比光纖或者雷射陀螺便宜很多，但使用精度非常低，需要使用參考感測器進行補償，以提高使用精度，ADI公司是低成本的MEMS陀螺儀的主要製造商，VMSENS提供的AHRS系統正是通過這種方式，對低成本的MEMS陀螺儀進行輔助補償實現的。

基於MEMS 技術的陀螺因其成本低，能批量生產，已經能夠廣泛套用於汽車牽引控制系統、醫用設備、軍事設備等低成本需求套用中。