云南高精度航姿仪

陀螺仪的基本部件有：(1) 陀螺转子(常采用同步电机、磁滞电机、三相交流电机等拖动方法来使陀螺转子绕自转轴高速旋转，并见其转速近似为常值)(2) 内、外框架(或称内、外环，它是使陀螺自转轴获得所需角转动自由度的结构)(3) 附件(是指力矩马达、信号传感器等)。基本类型，根据框架的数目和支承的形式以及附件的性质决定陀螺仪的类型有：三自由度陀螺仪(具有内、外两个框架，使转子自转轴具有两个转动自由度。在没有任何力矩装置时，它就是一个自由陀螺仪)。二自由度陀螺仪(只有一个框架，使转子自转轴具有一个转动自由度)。陀螺仪具有高灵敏度、高稳定性和抗干扰能力，能满足各种极端环境下的测量需求。云南高精度航姿仪

我们以一个单轴偏航陀螺仪为例，探讨较简单的工作原理（图1）。两个正在运动的质点向相反方向做连续运动，如蓝色箭头所示。只要从外部施加一个角速率，就会产生一个与质点运动方向垂直的科里奥利力，如图中黄色箭头所示。产生的科里奥利力使感应质点发生位移，位移大小与所施加的角速率大小成正比。因为传感器感应部分的运动电极（转子）位于固定电极（定子）的侧边，上面的位移将会在定子和转子之间引起电容变化，因此，在陀螺仪输入部分施加的角速率被转化成一个专门使用电路可以检测的电参数。云南高精度航姿仪与其他传感器（如加速度计）相结合，陀螺仪能实现更为精确的姿态解算。

陀螺仪是什么：绕一个支点高速转动的刚体称为陀螺(top)。通常所说的陀螺是特指对称陀螺，它是一个质量均匀分布的、具有轴对称形状的刚体，其几何对称轴就是它的自转轴。 由苍蝇后翅(退化为平衡棒)仿生得来。陀螺仪的原理：在一定的初始条件和一定的外在力矩作用下，陀螺会在不停自转的同时，还绕着另一个固定的转轴不停地旋转，这就是陀螺的旋进(precession)，又称为回转效应(gyroscopic effect)。陀螺旋进是日常生活中常见的现象，许多人小时候都玩过的陀螺就是一例。

单自由度陀螺仪给陀螺增加了一个自由度，共有两个自由度。单自由度陀螺仪模型如图3所示，x、y、z分别为陀螺仪的三个周，x方向没有自由度。转子飞速转动的动量H沿z轴方向。当基座绕z轴转动或y轴转动时，由于内框架具有隔离运动作用，转子不会随着基座的转动而转动。当基座绕x轴转动时，内框架轴有一对力F作用在内框架轴的两端，形成力矩M_x，方向沿x轴方向。由于陀螺仪没有该方向的转动自由度，力矩M_x使陀螺仪绕内框架进动，沿y轴方向。总之，单自由度陀螺仪可敏感缺少自由度方向的角速度。汽车行业中，陀螺仪可用于车辆稳定性控制、导航系统等，提高驾驶安全性。

陀螺仪的分类：按照转子转动的自由度分成：双自由度陀螺仪(也称三自由度陀螺仪)和单自由度陀螺仪(也称二自由度陀螺仪)。前者用于测定飞行器的姿态角，后者用于测定姿态角速度，因此常称单自由度陀螺仪为。浮子陀螺由于利用浮力支承，摩擦力矩减小，陀螺仪的精度较高，但因不能定位仍有摩擦存在。为弥补这一不足，通常在液浮的基础上增加磁悬浮，即由浮液承担浮子组件的重量，而用磁场形成的推力使浮子组件悬浮在中心位置。现代高精度的单自由度液浮陀螺常是液浮、磁浮和动压气浮并用的三浮陀螺仪。这种陀螺仪比滚珠轴承陀螺仪的精度高,漂移率为0.01度/时。但液浮陀螺仪要求较高的加工精度、严格的装配、精确的温控，因而成本较高。陀螺仪可以实现实时测量和反馈，用于实时控制和调整物体的姿态和位置。盾构导向惯性导航系统安装

陀螺仪可以实现无需外部参考的导航，适用于各种环境和条件下的导航需求。云南高精度航姿仪

随着物理学的不断发展和进步，陀螺仪的种类也日趋丰富，精度也在不断提高。目前广为人知的陀螺仪类型有光纤陀螺仪、激光陀螺仪和MEMS陀螺仪等。虽然MEMS陀螺仪在精度上可能不如光纤和激光陀螺仪，但其体积小、功耗低、成本低且易于批量生产的特点，使其在自动驾驶领域发挥着举足轻重的作用。MEMS陀螺仪的角速度测量原理基于一种非真实存在的力——科里奥利力。这种力是在非惯性参考系下引入的惯性力，引入之后便可以应用牛顿经典力学定律。我们假设一个黑色质量块以特定的速度V沿着一个方向移动，当外部角速率被施加时，会产生一个垂直于施加角速度方向的力，导致质量块发生位移。云南高精度航姿仪