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1、1,4.3陀螺原理,4.3.1陀螺的定义 在航空上，陀螺仪用来测量飞机的姿态角(俯仰角、横滚角、航向角)和角速度，成为飞行驾驶的重要仪表。飞行控制系统如自动驾驶仪和自动稳定器，则是在测量出这些参数的基础上，实现对飞机的自动控制或稳定，因而陀螺仪又是飞行控制系统的重要部件。 陀螺：能够绕一定点做高速旋转的物体。（一个绕对称轴高速旋转的飞轮转子）,2,4.3陀螺原理,4.3.1陀螺的定义 例如：“地转子”当它不转动时和普通物体一样；当它高速旋转起来以后，就有一个明显的特征：地转子能稳定地直立在地面不会倒下。这说明高速旋转的物体具有保持其自转轴方向不变的性质。根据这种性质所研制出的一种能感测旋转的装
2、置，叫陀螺仪。,3,4.3陀螺原理,因为陀螺仪可以感测物体相对于空间的旋转，所以，可以利用它来测量角位移或角速度。利用这种原理研制出了各种陀螺仪表，并在航空中得到了广泛的应用。 陀螺仪：将陀螺安装在框架装置上，使陀螺的自转轴有一定的转动自由度，这种装置的总体。 陀螺的基本部件（航空仪表中的陀螺） 陀螺转子、内、外框架（支承部件） 附件（电机、力矩器、传感器等） 转子是一个对称的飞轮，可以高速旋转，其旋转轴为自转轴，旋转角速度为自转角速度。,4,陀螺原理,内框可以绕内框轴相对外框自由旋转。 外框又可以绕外框轴相对于支架自由转动，这两种角速度都称为牵连角速度 支点：自转轴、内框轴和外框轴的轴线交于
3、一点叫陀螺的支点。 整个陀螺可以绕支点做任意的转动。,5,4.3陀螺原理,4.3.1陀螺的种类 按结构分：有三自由度陀螺和二自由度陀螺 （1）三自由度陀螺：有转子、内框、外框组成，且能够绕三个互相垂直的轴旋转的陀螺。 三自由度陀螺的内框和外框能保证自转轴在空间指向任意方向，所以，内框与外框组成的支架又称为万向支架 在三自由度陀螺中，重心和支点重合，轴承没有摩擦的陀螺叫自由陀螺。它是一种理想的陀螺。,6,4.3陀螺原理,4.3.1陀螺的种类 二自由度陀螺：只有转子和内框，且只能绕两个互相垂直的轴自由旋转的陀螺。,7,陀螺仪分类,单、双自由度 速率、积分,压电、微机械,8,4.3.3陀螺的基本特性
4、,三自由度陀螺主要由两个基本特性：稳定性、进动性 1、稳定性：三自由度陀螺保持其自转轴（或动量矩矢量）在空间的方向不发生变化的特性。称为陀螺的稳定性。 三自由度陀螺的稳定性有两种表现形式：定轴性和章动。 定轴性：当三自由度陀螺转子高速旋转后，若不受外力矩作用，不管基座如何转动，支撑在万向支架上的陀螺仪自转轴指向惯性空间的方位不变，这种特性叫定轴性。 章动：当陀螺受到瞬时冲击力矩后，自转轴在原位置附近做微小的运动，其转子轴的大小方向基本不变。 当章动的圆锥角为零时，就是定轴。章动是陀螺稳定的一般形式，定轴是陀螺稳定的特殊形式。,9,4.3.3陀螺的基本特性,10,4.3.3陀螺的基本特性,章动：
5、当陀螺受到瞬时冲击力矩后，自转轴在原位置附近做微小的圆锥运动，其转子轴的大小方向基本不变。 当章动的圆锥角为零时，就是定轴。章动是陀螺稳定的一般形式，定轴是陀螺稳定的特殊形式。,11,进动的规律,2、进动性：陀螺仪受到外力矩时，转子自转轴的转动方向与外力矩方向相垂直的现象 进动、进动角速度,12,4.3.3陀螺的基本特性,13,4.3.3陀螺的基本特性,14,4.3.3陀螺的基本特性,15,4.3.3陀螺的基本特性,16,进动角速度的方向和大小,进动角速度的方向：最短路径法则 （H 沿着最短路径趋向 M）,进动角速度的大小：根据 M = H，写成标量形式： M = Hsin 因此 = M /（
6、Hsin） 进动角速度大小与外力矩的大小成正比，与转子的动量矩的大小成反比。 进动的“无惯性”,17,陀螺动力效应：陀螺力矩,外加力矩,陀螺力矩：反作用力矩,陀螺力矩的方向判断 陀螺力矩的作用对象,18,陀螺动力（稳定）效应，对外框架有效,19,陀螺动力（稳定）效应，对内框架无效,20,定轴性总结；漂移、章动,二自由度陀螺仪的定轴性,二自由度陀螺仪具有抵抗干扰力矩，力图保持其自转轴相对惯性空间方位不变的特性（定轴性、或稳定性）。,定轴性的相对性(一)：陀螺漂移 d = Md / H,定轴性的相对性(二)：章动现象,陀螺受冲击力矩时，自转轴将在原来的空间方位附近作锥形振荡运动,21,Js为陀螺转子的转动惯量,当二自由度陀螺底座绕垂直于X轴与Z轴成 角的轴以角速度 旋转时则将有陀螺力矩Mg作用于框架上，陀螺力矩Mg为：,22,三自由度陀螺结构原理如图所示。三自由度陀螺具有以下主要特性： 1)定轴性 2)进动性 3)无惯性,