北大航空航天概論陀螺儀課件

1、航空航天概論：陀螺儀賀家樂 1200067613陀螺儀（英文：gyroscope），是一種用來傳感與維持方向的裝置，基于角動量守恒的理論設計出來的。陀螺儀主要是由一個位于軸心且可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子構成。 陀螺儀一旦開始旋轉(zhuǎn)，由于轉(zhuǎn)子的角動量，陀螺儀有抗拒方向改變的趨向。陀螺儀多用于導航、定位等系統(tǒng)。1850年法國的物理學家萊昂傅科（J.Foucault）為了研究地球自轉(zhuǎn)，首先發(fā)現(xiàn)高速轉(zhuǎn)動中的轉(zhuǎn)子（rotor），由于慣性作用它的旋轉(zhuǎn)軸永遠指向一固定方向，他用希臘文gyro（旋轉(zhuǎn)）和skopein（看）兩字合為gyroscopei一字來命名這種儀表。陀螺儀的原理：一個旋轉(zhuǎn)物體的旋轉(zhuǎn)軸所指的方向在不受外力影

2、響時，是不會改變的。人們根據(jù)這個道理，用它來保持方向，制造出來的東西就叫做陀螺儀。陀螺儀在工作時要給它一個力，使它快速旋轉(zhuǎn)起來，一般能達到每分鐘幾十萬轉(zhuǎn)，可以工作很長時間。然后用多種方法讀取軸所指示的方向，并自動將數(shù)據(jù)信號傳給控制系統(tǒng)。陀螺儀的原理：它是怎么做到的？這種神秘的效應就是“進動”。一般情況下，進動的發(fā)生過程是：如果有一個陀螺儀正在旋轉(zhuǎn)，而您施力轉(zhuǎn)動它的自轉(zhuǎn)軸，則陀螺儀反而會圍繞與力軸成直角的軸轉(zhuǎn)動，如下列圖形所示：圖 1中，陀螺儀正圍繞自己的軸旋轉(zhuǎn)。圖 2 中，施力轉(zhuǎn)動陀螺儀的自轉(zhuǎn)軸。圖 3 中，陀螺儀沿著與輸入力方向垂直的軸對輸入力做出反應。那么，為何會發(fā)生進動呢？陀螺儀的原理：

3、陀螺儀為何會發(fā)生這種運動？自行車車輪的輪軸居然能像前面圖形所示的那樣懸在空中，看上去簡直不可思議。不過，只要想想陀螺儀在旋轉(zhuǎn)時不同部位實際上都發(fā)生了什么，就會明白這種運動完全正常！ 讓我們研究一下陀螺儀旋轉(zhuǎn)時的兩個小部位頂端和底端，如圖所示：在向輪軸施力時，陀螺儀的頂端部位將試圖向左運動，而底端部位則試圖向右運動。如果陀螺儀沒有旋轉(zhuǎn)，則車輪會倒下。如果陀螺儀正在旋轉(zhuǎn)，那么試想一下這兩個部位都發(fā)生了什么：牛頓第一運動定律指出，運動中的物體會持續(xù)沿直線勻速運動，直到受到不平衡力的作用為止。因此，陀螺儀頂點受施加到輪軸的力的作用，開始向左運動。陀螺儀的原理：根據(jù)牛頓第一運動定律，它會繼續(xù)向左運動，但

4、在陀螺儀的自轉(zhuǎn)作用下又開始旋轉(zhuǎn)，如下圖所示：這種效應就是進動的成因。陀螺儀的不同部位在同一點受力，但隨后又轉(zhuǎn)動到新的位置！當陀螺儀頂端的部位向一側轉(zhuǎn)動90度時，會由于慣性而繼續(xù)保持向左運動的狀態(tài)。底端的部位也是如此向一側轉(zhuǎn)動90度時，會由于慣性而繼續(xù)保持向右運動的狀態(tài)。這些力沿進動方向轉(zhuǎn)動車輪。當標示的點繼續(xù)轉(zhuǎn)動的角度超過90度時，原來的運動就停止了，于是陀螺儀的軸懸在空中并開始進動。陀螺儀的原理：陀螺儀多用于導航、定位等系統(tǒng)常用實例如手機GPS定位導航、衛(wèi)星三軸陀螺儀定位。陀螺儀基本上就是運用物體高速旋轉(zhuǎn)時，角動量很大，旋轉(zhuǎn)軸會一直穩(wěn)定指向一個方向的性質(zhì)，所制造出來的定向儀器。不過它必需轉(zhuǎn)得

5、夠快，或者慣量夠大（也可以說是角動量要夠大）。不然，只要一個很小的力矩，就會嚴重影響到它的穩(wěn)定性。陀螺儀的基本部件： 從力學的觀點近似的分析陀螺的運動時，可以把它看成是一個剛體，剛體上有一個萬向支點，而陀螺可以繞著這個支點作三個自由度的轉(zhuǎn)動，所以陀螺的運動是屬于剛體繞一個定點的轉(zhuǎn)動運動。更確切地說，一個繞對稱鈾高速旋轉(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、磁滯電機、三相交流電機等拖動方法來使陀螺轉(zhuǎn)子繞自轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn)，并見其轉(zhuǎn)速近似為常值)； (2) 內(nèi)、外框架(或稱內(nèi)、外環(huán)，它

6、是使陀螺自轉(zhuǎn)軸獲得所需角轉(zhuǎn)動自由度的結構)； (3) 附件(是指力矩馬達、信號傳感器等)。陀螺儀的特性：定軸性：當陀螺轉(zhuǎn)子以高速旋轉(zhuǎn)時，在沒有任何外力矩作用在陀螺儀上時，陀螺儀的自轉(zhuǎn)軸在慣性空間中的指向保持穩(wěn)定不變，即指向一個固定的方向；同時反抗任何改變轉(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)動慣量”，是描述剛體在轉(zhuǎn)動中的慣性大小的物理量。當以相同的力矩分別作用于兩個繞定軸轉(zhuǎn)動的不同剛體時，它們所獲得的角速度一般是不一樣的，轉(zhuǎn)動慣量大的剛體所獲得的角速度小，也就是保持原有

7、轉(zhuǎn)動狀態(tài)的慣性大；反之，轉(zhuǎn)動慣量小的剛體所獲得的角速度大，也就是保持原有轉(zhuǎn)動狀態(tài)的慣性小。陀螺儀的基本類型：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)、外兩個框架，使轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)軸具有兩個轉(zhuǎn)動自由度。在沒有任何力矩裝置時，它就是一個自由陀螺儀)。二自由度陀螺儀(只有一個框架，使轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)軸具有一個轉(zhuǎn)動自由度)。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) 無約束陀螺(它僅有慣性反作用力矩)除了機、電框架式陀螺儀以外，還出現(xiàn)了某些新型陀螺儀，如靜

8、電式自由轉(zhuǎn)子陀螺儀，撓性陀螺儀，激光陀螺儀等。一、指示儀器正是因為陀螺儀具有上述特性,可以做成測量飛行器(飛機、導彈、衛(wèi)星等)角位置和角速度的儀表,還可做成測量飛行器線加速度和角加速度的儀表。 在航空上,陀螺儀表的基本用途是測量飛機的姿態(tài)角、航向角和角速度,因而成為飛機飛行的重要儀表。從使用角度來看可把表中所列的航空陀螺儀表分成指示式的和傳感式的兩類。指示式陀螺儀表是給飛行員提供判讀指示的陀螺儀表。傳感式陀螺儀表是給飛行自動控制系統(tǒng)和機載特種設備提供電氣信號的陀螺儀表。二、信號傳感器陀螺儀傳感器是一個簡單易用的基于自由空間移動和手勢的定位和控制系統(tǒng)。用來感測和維持方向的裝置，它是航空、航海及太

9、空導航系統(tǒng)中判斷方位的主要依據(jù)，并且在汽車安全，航模，望遠鏡等領域廣泛應用。主要檢測空間某些相位的傾角變化、位置變化，主要用于空間物理領域，特別在航空、航海方面有較多的用途，如：飛機上的陀螺儀，當飛機在做360翻轉(zhuǎn)的時候，陀螺儀將會保持原始的基準狀態(tài)不變，從而讓駕駛員找到本飛機在空間狀態(tài)的相位變化，也就是：當時飛機處在什么相位。三、穩(wěn)定器安裝在各種交通工具或電子儀器上的陀螺儀，在這些工具、儀器受到外界擾動而產(chǎn)生方位變化時，陀螺儀可以作為穩(wěn)定器，將它們的方向回正。陀螺儀器能使列車在單軌上行駛，能減小船舶在風浪中的搖擺，能使安裝在飛機或衛(wèi)星上的照相機相對地面穩(wěn)定等等。四、精密測試儀器例一：石油、煤

10、炭行業(yè)的鉆孔在施工中,由于鉆孔的深度較大(有時達幾百米甚至上千米),鉆孔穿過的巖層介質(zhì)變化復雜,鉆孔施工時容易出現(xiàn)彎曲和漂移,有時鉆孔的實際位置與設計位置相差很大,嚴重影響工程質(zhì)量,是行業(yè)中一直不能很好解決的技術問題之一。將利用重力加速度計和陀螺制作的鉆孔測斜儀裝置于鉆機上,在鉆孔過程中,隨時對鉆孔方向、位置進行測量,如果與設計不符,立即進行校正,從而可以確保高質(zhì)量的鉆孔。例二：隧道內(nèi)導線由于受條件的限制其圖形強度較弱，隨著隧道掘進的距離越長，其點位的精度越差，特別是當城市地鐵建設中的聯(lián)系測量受到外界環(huán)境的影響越來越大,在洞內(nèi)引測方位角的條件受到極大限制, 洞內(nèi)定向的精度很難保證。而將自動陀螺

11、儀系統(tǒng)使用到地鐵和隧道工程中, 就極大地提高了地鐵隧道聯(lián)系測量的精度, 確保了本隧道的準確貫通。陀螺儀的主要應用范圍： 利用陀螺儀的動力學特性制成的各種儀表或裝置，主要有以下幾種：陀螺羅盤 供航行和飛行物體作方向基準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)子軸偏離子午面時同時偏離水平面而產(chǎn)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。近年來發(fā)展為利用自動控制系統(tǒng)代替重力擺的電控陀螺羅盤，并創(chuàng)造出能同時指示水平面和子午面的平臺羅盤。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

12、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(tǒng)跟蹤轉(zhuǎn)子軸位置，當轉(zhuǎn)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(chǎn)生修正力矩，轉(zhuǎn)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應用于航空和航海導航系統(tǒng)的又一種地垂線指示或量測儀表。陀螺穩(wěn)定器 20世紀初使用的施利克被動式穩(wěn)定器實質(zhì)上是一個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。當船體側搖時，陀螺力矩迫使框架攜帶轉(zhuǎn)子一起相對于船體旋進。這種搖擺式旋進引起另一個陀螺力矩，對船體產(chǎn)生穩(wěn)定作用。斯佩里主動式穩(wěn)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(zhuǎn)子沿船橫軸放置。一旦船

13、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，借以加強框架的旋進和由此旋進產(chǎn)生的對船體的穩(wěn)定作用。陀螺儀傳感器 陀螺儀傳感器是一個簡單易用的基于自由空間移動和手勢的定位和控制系統(tǒng)。在假象的平面上揮動鼠標，屏幕上的光標就會跟著移動，并可以繞著鏈接畫圈和點擊按鍵。當你正在演講或離開桌子時，這些操作都能夠很方便地實現(xiàn)。 現(xiàn)在陀螺儀傳感器原本是運用到直升機模型上的，現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛運用于手機這類移動便攜設備上（IPHONE的三軸陀螺儀技術）。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， 由激光二極管發(fā)射出的光線朝兩個方向沿

14、光導纖維傳播。光傳播路徑的變，決定了敏感元件的角位移。買光纖陀螺儀就到航天長城光纖陀螺儀與傳統(tǒng)的機械陀螺儀相比，優(yōu)點是全固態(tài)，沒有旋轉(zhuǎn)部件和摩擦部件，壽命長，動1態(tài)范圍大，瞬時啟動，結構簡單，尺寸小，重量輕。與激光陀螺儀相比，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。激光陀螺儀 激光陀螺儀的原理是利用光程差來測量旋轉(zhuǎn)角速度（ Sagnac 效應）。在閉合光路中，由同一光源發(fā)出的沿順時針方向和反時針方向傳輸?shù)膬墒夂凸飧缮?，利用檢測相位差或干涉條紋的變化，就可以測出閉合1光路旋轉(zhuǎn)角速度。 除了在航空航天、航海上的用途，陀螺儀也廣泛應用于我們的日常生活。比如說手機。 第一大用途

15、，導航。陀螺儀自被發(fā)明開始，就用于導航，先是德國人將其應用在V1、V2火箭上，因此，如果配合GPS，手機的導航能力將達到前所未有的水準。實際上，目前很多專業(yè)手持式GPS上也裝了陀螺儀，如果手機上安裝了相應的軟件，其導航能力絕不亞于目前很多船舶、飛機上用的導航儀。 第二大用途，可以和手機上的攝像頭配合使用，比如防抖，這會讓手機的拍照攝像能力得到很大的提升。 第三大用途，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)測游戲者手的位移，從而實現(xiàn)各種游戲操作效果。有關這點，想必用過任天堂WII的兄弟會有很深的感受。 第四大用途，可以用作輸入設備，陀螺儀相當于一

16、個立體的鼠標，這個功能和第三大用途中的游戲傳感器很類似，甚至可以認為是一種類型?，F(xiàn)代陀螺儀的技術：現(xiàn)代陀螺儀是一種能夠精確地確定運動物體的方位的儀器，它是現(xiàn)代航空，航海，航天和國防工業(yè)中陀螺儀廣泛使用的一種慣性導航儀器，它的發(fā)展對一個國家的工業(yè)，國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械式的陀螺儀，機械式的陀螺儀對工藝結構的要求很高，結構復雜，它的精度受到了很多方面的制約。自從上個世紀七十年代以來，現(xiàn)代陀螺儀的發(fā)展已經(jīng)進入了一個全新的階段。1976年 等提出了現(xiàn)代光纖陀螺儀的基本設想，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，與此同時激光諧振陀螺儀也

17、有了很大的發(fā)展。由于光纖陀螺儀具有結構緊湊，靈敏度高，工作可靠等等優(yōu)點，所以目前光纖陀螺儀在很多的領域已經(jīng)完全取代了機械式的傳統(tǒng)的陀螺儀，成為現(xiàn)代導航儀器中的關鍵部件。和光纖陀螺儀同時發(fā)展的除了環(huán)式激光陀螺儀外，還有現(xiàn)代集成式的振動陀螺儀，集成式的振動陀螺儀具有更高的集成度，體積更小，也是現(xiàn)代陀螺儀的一個重要的發(fā)展方向?，F(xiàn)代陀螺儀的技術： 一、光纖陀螺儀定義：光纖陀螺儀是以光導纖維線圈為基礎的敏感元件， 由激光二極管發(fā)射出的光線朝兩個方向沿光導纖維傳播。光傳播路徑的改變，決定了敏感元件的角位移。工作原理：光纖陀螺儀的實現(xiàn)主要基于塞格尼克理論：當光束在一個環(huán)形的通道中前進時，如果環(huán)形通道本身具有

18、一個轉(zhuǎn)動速度，那么光線沿著通道轉(zhuǎn)動的方向前進所需要的時間要比沿著這個通道轉(zhuǎn)動相反的方向前進所需要的時間要多。也就是說當光學環(huán)路轉(zhuǎn)動時，在不同的前進方向上，光學環(huán)路的光程相對于環(huán)路在靜止時的光程都會產(chǎn)生變化。利用光程的變化，檢測出兩條光路的相位差或干涉條紋的變化，就可以測出光路旋轉(zhuǎn)角速度，這便是光纖陀螺儀的工作原理。光纖陀螺儀的優(yōu)點：光纖陀螺儀與傳統(tǒng)的機械陀螺儀相比，優(yōu)點是全固態(tài)，沒有旋轉(zhuǎn)部件和摩擦部件，壽命長，動態(tài)范圍大，瞬時啟動，結構簡單，尺寸小，重量輕。與激光陀螺儀相比，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。現(xiàn)代陀螺儀的技術： 三、微機械（MEMS）陀螺儀微機械陀螺儀利用科里奧利力旋轉(zhuǎn)物體在有徑向運動時所受到的切向力。MEMS陀螺儀通常有兩個方向的可移動電容板。徑向的電容板加震蕩電壓迫使物體作徑向運動（有點象加速度計中的自測試模式），橫向的電容板測量由于橫向科里奧利運動帶來的電容變化（就象加速度計測量加速度）。因為科里奧利力正比于角速度，所以由電容的變化可以計算出角