惯性导航陀螺仪

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1、当汽车行驶到地下隧道、高层楼群、高速公路等遮掩物而与捕获不到GPS卫星信号时，系 统可自动导入自律导航系统，此时由车速传感器检测出汽车的行进速度，通过微处理单元的 数据处理，从速度和时间中直接算出前进的距离，陀螺传感器直接检测出前进的方向，陀螺 仪还能自动存储各种数据，即使在更换轮胎暂时停车时，系统也可以重新设定。惯性导航 inertial?navigation?通过测量飞行器的加速度（惯性），并自动进行积分运算，获得飞行器瞬时 速度和瞬时位置数据的技术。组成惯性导航系统的设备都安装在飞行器内，工作时不依赖外界信息，也不向外界辐射能量， 不易受到十扰，是一种自主式导航系统。1942年德国在V-

2、2火箭上首先应用了惯性导航原理。1954年惯性导航系统在 飞机上试飞成功。1958年此鱼号潜艇依靠惯性导航在北极冰下航行21天。惯性导航系统通常由惯性测量装置、计算机、控 制显示器等组成。惯性测量装置包括加速度计和陀螺仪，又称惯性导航组合。3个自由度陀螺仪用来测量飞行器的3个转 动运动；3个加速度计用来测量飞行器的3个平移运动的加速度。计算机根据测得的加速度信号计算出飞行器的速度和位 置数据。控制显示器显示各种导航参数。按照惯性导航组合在飞行器上的安装方式，分为平台式惯性导航系统（惯性导航 组合安装在惯性平台的台体上）和捷联式惯性导航系统（惯性导航组合直接安装在飞行器上）；后者省去平台，所以结

3、构简 单、体积小、维护方便，但仪表工作条件不佳（影响精度），计算工作量大。陀螺仪gyroscope?由一个高速旋转转子和保证转子的旋转轴能在空间自由转动的支承系统组 成的仪器。简称陀螺，又称回转仪（见图）。陀螺仪是量测载体的方位或角速度的 核心元件，利用它的动力学特性制成的各种仪表或装置（见陀螺装置）广泛用于 航空、航天、航海的导航系统和稳定装置中。?陀螺仪可根据不同的支承方式分类：由一个或两个框架支承的陀螺仪称为 框架陀螺仪；利用静电场或磁场支承的陀螺仪称为静电支承或磁支承陀螺仪；利 用液体或气体润滑膜支承的陀螺仪称为液浮或气浮陀螺仪；利用挠性接头支承的 陀螺仪称为挠性陀螺仪。也可根据转子旋

4、转轴的不同自由度分为单自由度和双自 由度陀螺仪。有些文献将转子的自转自由度也考虑在内，而改称二自由度和三自 由度陀螺仪。?陀螺定轴性是陀螺仪沿转子轴的垂直方向无力矩作用时，转子轴在惯性空间 中保持指向不变的性质。具有定轴性的陀螺仪称为自由陀螺仪，其指向不变的转 子轴可作为物质化了的惯性坐标轴应用于惯性导航系统。高速自转均衡陀螺仪的 转子轴具有定轴性。陀螺旋进是陀螺仪在力矩作用下，其转子轴在惯性空间中产生的偏转方向与 力矩矢量方向一致的运动。陀螺旋进常伴随有章动（转子轴在动量矩矢量附近所 作的高频微幅圆锥摆动），但振幅极微小且频率极高的章动，由于轴承摩擦和空 气阻尼作用而很快衰减，因此在分析具体

5、问题时常忽略陀螺章动，只考虑陀螺旋 进。讨论陀螺旋进规律的动力学理论称为旋进理论，是陀螺仪工程理论的主要组 成部分，其特点是略去运动微分方程中角度坐标的二阶导数。利用旋进理论可以 解释许多重要陀螺仪表的工作原理。?陀螺力矩指在动载体内观察高速旋转转子的运动，当载体的转动迫使转子旋 转轴在惯性空间中改变方位时，转子对轴承产生的力矩。此力矩实际上是载体作 用于转子的力矩迫使其旋进的反作用力矩，如带螺旋桨的舰船或飞机改变航向时 出现的轴承动反力矩。陀螺力矩M的计算公式为M = 3XH，式中3为载体角速度；？H 为转子角动量。陀螺力矩也可理解为由于载体转动产生的转子上各点的科里奥利 惯性力（见相对运动

6、）相对支承中心的合力矩。利用陀螺力矩可对工程技术中与 转动机械有关的动力学现象作定性的物理解释，也可用于动静法建立转动机械的 动力学方程。陀螺装置 gyroscopic?instruments?利用陀螺仪的动力学特性制成的各种仪表或装置。主要有以下几种。?陀螺方向仪。能给出飞行物体转弯角度和航向指示的陀螺装置。它是三 自由度均衡陀螺仪，其底座固连在飞机上，转子轴提供惯性空间的给定方向。若 开始时转子轴水平放置并指向仪表的零方位，则当飞机绕铅直轴转弯时，仪表就 相对转子轴转动，从而能给出转弯的角度和航向的指示。由于摩擦及其他干扰， 转子轴会逐渐偏离原始方向，因此每隔一段时间（如15分钟）须对照精

7、密罗盘作 一次人工调整。?陀螺罗盘。供航行和飞行物体作方向基准用的寻找并跟踪地理子午面的三 自由度陀螺仪。其外环轴铅直，转子轴水平置于子午面内，正端指北；其重心沿 铅垂轴向下或向上偏离支承中心。转子轴偏离子午面时同时偏离水平面而产生重 力矩使陀螺旋进到子午面，这种利用重力矩的陀螺罗盘称摆式罗盘。近年来发展 为利用自动控制系统代替重力摆的电控陀螺罗盘，并创造出能同时指示水平面和 子午面的平台罗盘。?陀螺垂直仪。利用摆式敏感元件对三自由度陀螺仪施加修正力矩以指示地 垂线的仪表，又称陀螺水平仪。陀螺仪的壳体利用随动系统跟踪转子轴位置，当 转子轴偏离地垂线时，固定在壳体上的摆式敏感元件输出信号使力矩器

8、产生修正 力矩，转子轴在力矩作用下旋进回到地垂线位置。陀螺垂直仪是除陀螺摆以外应 用于航空和航海导航系统的又一种地垂线指示或量测仪表。?陀螺稳定器。稳定船体的陀螺装置。20世纪初使用的施利克被动式稳定器 实质上是一个装在船上的大型二自由度重力陀螺仪，其转子轴铅直放置，框架轴 平行于船的横轴。当船体侧摇时，陀螺力矩迫使框架携带转子一起相对于船体旋 进。这种摇摆式旋进引起另一个陀螺力矩，对船体产生稳定作用。斯佩里主动式 稳定器是在上述装置的基础上增加一个小型操纵陀螺仪，其转子沿船横轴放置。 一旦船体侧倾，小陀螺沿其铅直轴旋进，从而使主陀螺仪框架轴上的控制马达及 时开动，在该轴上施加与原陀螺力矩方向

9、相同的主动力矩，借以加强框架的旋进 和由此旋进产生的对船体的稳定作用。?速率陀螺仪。用以直接测定运载器角速率的二自由度陀螺装置。把均衡陀 螺仪的外环固定在运载器上并令内环轴垂直于要测量角速率的轴。当运载器连同 外环以角速度绕测量轴旋进时，陀螺力矩将迫使内环连同转子一起相对运载器旋 进。陀螺仪中有弹簧限制这个相对旋进，而内环的旋进角正比于弹簧的变形量。 由平衡时的内环旋进角即可求得陀螺力矩和运载器的角速率。积分陀螺仪与速率 陀螺仪的不同处只在于用线性阻尼器代替弹簧约束。当运载器作任意变速转动 时，积分陀螺仪的输出量是绕测量轴的转角（即角速度的积分）。以上两种陀螺 仪在远距离测量系统或自动控制、惯性导航平台中使用较多。?陀螺稳定平台。以陀螺仪为核心元件，使被稳定对象相对惯性空间的给定 姿态保持稳定的装置。稳定平台通常利用由外环和内环构成的万向支架支承。根 据不同原理方案使用各种类型陀螺仪为元件。其中利用陀螺旋进产生的陀螺力矩 抵抗干扰力矩，然后输出信号控制平台框架轴上的力矩器以产生力矩与干扰力矩 平衡使陀螺仪停止旋进的稳定平台称为动力陀螺稳定器。陀螺稳定平台根据对象 能保持稳定的转轴数目分为单轴、双轴和三轴陀螺稳定平台。陀螺稳定平台可用 来稳定那些需要精确定向的仪表和设备，如测量仪器、天线等，并已广泛用于航 空和航海的导航系统及火控、雷达、照相系统。