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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
）<
/p>
仿生
得来。
在一定的
初始条件
< br>和一定的外在
力矩
作用
下，陀螺
会在不停自转的同
时，环绕着另
一个固定的转轴不停地旋转，这
就是
陀螺的旋进
(precessio
n)
，又称为
回转效应
(gyrosc
opic 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
。
陀螺仪
人们利用陀螺
的
力学
性质所制成的各种
功能的
陀螺装置称为
陀螺仪
(gyro
scope)
，它在科学、技
术、军事等各个领域有着广泛的<
/p>
应用。比如：
回转罗盘、定
向指示仪、炮
弹的翻转、陀螺的
章动、地球在太阳（月球）
引力
矩作用下
的旋进（岁差）等。
陀螺仪的
种类很多，按用途来分，它可以
分为传感陀螺仪和指示陀螺
仪。
传感陀螺
仪用于飞行体运动的
自动控制系
统
中，作为
水平
、
< br>垂直
、
俯
仰
、航向和
角
速度传感器
。指示陀螺
仪主要用
于
飞行状态
的指示，作为驾<
/p>
驶和领航仪表
使用。
现在的陀
螺仪分为，压电陀螺仪，
微机械
陀螺仪
，光纤陀螺仪，
激光
陀螺仪
，都是
电子
式
的，可以和
加速度计
，磁阻芯片，
GPS
，做成<
/p>
惯性导航
控制系统。
编辑本
段
结构
基本上陀
螺仪是一种机械装置，其主要部
分是一个对旋转轴以极高角
速度
旋转的转
子，转子装在一支架内；在通过
转子中心轴
XX1
上加一内环
架，那么陀螺
< br>仪就可环绕飞机两轴作自由运动
；然后，在内环架外加上一
外环架；这个
陀螺仪有两个平衡环，可以环绕
飞机三轴作自由
运动，就是
一个完整的太
空陀螺仪
(s
pace gyro)
。
编辑本
段
历史
1850
年
法国
的
物理
学家莱昂
·
傅科
（
lt
）为了研究地球自转
，
首先发现高速
转动中的转子（
rotor
），由于它具有
惯性，它的旋转轴永远
指向一固定方
向，
他用希腊字
gyro
（旋转）
和
skopein
（看）
两字
合为
gyro
scopei
一字
来命名这种仪表。
陀螺仪是
一种既古老而又很有生命力的仪
器，从第一台真正实用的陀
螺仪
器问世以
来已有大半个世纪，但直到现在
，陀螺仪仍在吸引着人
们对
它进行研究，
这是由于它本身具有的
特性
所决
定的。陀螺仪最主要的基本
特性是它的稳
定性和进动性。人们从儿童玩的
地陀螺中早就发现
高速旋转
的陀螺可以竖
直不倒而保持与地面垂直，这就
反映了陀螺的稳定性。研究
陀螺仪
运动特
性
的理论是绕定点运动刚体
动力
学
的一个分支，它以物体的
惯性为基础，
研究旋转物体的动力学特性。
编辑本
段
原理
陀螺仪的
原理就是，一个旋转物体的旋转
轴所指的方向在不受外力影
响时
，是不会
改变的。人们根据这个道理，用
它来保持方向，制造出
来的
东西就叫陀螺
仪。陀螺仪在工作时要给它一个
力，使它快速旋转起来，一
般能达到每分
钟几十万转
，可以工作很长时间
。然后用多种方法读取轴所
指示的方向，<
/p>
并自动将
数据信号
传给控制系统
。
在现实生
活中，陀螺仪发生的
进给运动
是在重力力矩的作用下发生的
。
编辑本
段
特性
陀螺仪被
广泛用于航空、航天和航海领域
。这是由于它的两个基本特
性：
一为定轴性（
inertia
or
rigidity
），另一是进动性（
precession<
/p>
），
这两种特性都
是建立在
角动量守恒
的原则下。
定轴
性
当陀螺转
子以高速旋转时，在没有任何外
力矩作用在陀螺仪上时，陀
螺仪
的自转轴
在惯性空间中的指向保持稳定不
变，即指向一个固定的
方向
；
同时反抗任何
改变转子轴向的力
量。这种物理
现象称为陀螺仪的定轴性或
稳定性。其稳
定性随以下的
物理量
而改变：
< br>
1.
< br>转子的
转动惯量
愈大，稳定性愈好；
2.
转子角
速度愈大，稳定性愈好。
所谓的“
转动惯量”，是描述刚体在转动
中的惯性大小的物理量。当
以相
同的力矩
分别作用于两个绕定轴转动的不
同刚体时，它们所获得
的角
速度一般是不
一样的，转动惯量大的刚体所获
得的角速度小，也就是保持
原有转动状态
的惯性大；
反之，转动惯量小的
刚体所获得的角速度大，也
就是保持原有<
/p>
转动状态的惯性小。
进动
性
当转子高
速旋转时，若外力矩作用于外环轴，陀螺仪将绕内环轴转动
；
若外力矩作用
于内环轴，陀螺仪将绕
外环轴转
动。其转动角速度方向与外
力矩作用方向
互相垂直。这种特性，叫做陀螺
仪的进动性。进动角速度的
< br>方向取决于动
量矩
H
的方向
(
与转子自转角速
度矢量的方向一致
)
和外力矩
M
的方向
，而且
是自转角速度矢量以最短的路径
追赶外力矩。如右图。<
/p>
进动方向
这可用
右手定
则
判定。即伸直右手，大拇指与
食指垂直，手指顺着自转轴
的方向，手掌
朝外力矩的正方向，然后手掌
与
4
指弯曲握拳，则大拇指的
方向
就是进动
角速度的方向。
进动角速
度的大小取决于转子动量矩
H
的大小和外力
矩
M
的大小
,
其计
< br>算式为进动角
速度
ω
=M/H<
/p>
。
进动性的
大小也有三个影响的因素：
1.
外界
作
用力愈大，其进动角速度也愈大
；
2.
转子
的
转动惯量愈大，进动角速度愈小
；
3.
转子
的
角速度愈大，进动角速度愈小。
编辑本
段
功能分类
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
< br>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
< br>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
< br>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<
/p>
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
< br>器上并令内环轴垂
陀螺仪
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<
/p>
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、照相系
统。<
/p>
陀螺仪
传感器
陀螺仪传
感器是一个简单易用的基于自由
空间移动和手势的定位和控
制系
统。在假
象的平面上挥动鼠标，屏幕上的
光标就会跟着移动，并
可以
绕着链接画圈
和点击按键。当你正在演讲或离
开桌子时，这些操作都能够
很方便地实现
。
现在陀螺仪传感器
原本是运用到直升机模型上
的
，现在已
经被广泛运用
于手机这类移
动便携设备上（
IPHONE
的
三轴陀
螺仪
技
术）。
光纤陀
螺仪
光纤陀螺
仪是以
光导纤维
线圈为基础的
敏
感元件<
/p>
，
由激光二极管发射
< br>出的光线朝两
个方向沿光导纤维传播。光传播
路径的变，
决定了敏感元件
的角位移。光
纤陀螺仪与传统的机械陀螺仪相<
/p>
比，优点是全固态，没有旋
转部件和摩擦
部件，
寿命长，
动
态范围大，
瞬时
启动，
结构简单，
尺寸小
，
重量轻。与激
光陀螺仪相比，
光纤陀螺仪没有
闭锁问题，也不用在石英块
精密加工出光
路，成本低。
激光陀
螺仪
[1
]