北京慣性導(dǎo)航系統(tǒng)制造

隨著物理學(xué)的不斷發(fā)展和進步，陀螺儀的種類也日趨豐富，精度也在不斷提高。目前廣為人知的陀螺儀類型有光纖陀螺儀、激光陀螺儀和MEMS陀螺儀等。雖然MEMS陀螺儀在精度上可能不如光纖和激光陀螺儀，但其體積小、功耗低、成本低且易于批量生產(chǎn)的特點，使其在自動駕駛領(lǐng)域發(fā)揮著舉足輕重的作用。MEMS陀螺儀的角速度測量原理基于一種非真實存在的力——科里奧利力。這種力是在非慣性參考系下引入的慣性力，引入之后便可以應(yīng)用牛頓經(jīng)典力學(xué)定律。我們假設(shè)一個黑色質(zhì)量塊以特定的速度V沿著一個方向移動，當外部角速率被施加時，會產(chǎn)生一個垂直于施加角速度方向的力，導(dǎo)致質(zhì)量塊發(fā)生位移。陀螺儀在慣性導(dǎo)航儀中，可以用于測量飛行器的姿態(tài)、速度和位置，提供準確的導(dǎo)航數(shù)據(jù)。北京慣性導(dǎo)航系統(tǒng)制造

光纖陀螺儀的原理是利用光程的變化檢測出兩條光路的相位差，就可以測出光路旋轉(zhuǎn)角速度，主要用于航空，航海，航天和國家防護工業(yè)和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。微機電陀螺儀MEMS一般會用在手機等電子產(chǎn)品上，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做徑向運動，橫向的電容板測量由于橫向運動帶來的電容變化，所以由電容的變化可以計算出角速度。所以，陀螺儀不光是用在手機里那么簡單，大到航海，航空和航天，導(dǎo)彈、衛(wèi)星運載器，國家防護等領(lǐng)域，并且地面設(shè)施、礦山隧道、地下鐵路、石油鉆探都離不開它。在生活中汽車導(dǎo)行，手機，環(huán)境監(jiān)控等領(lǐng)域都需要陀螺儀的參與。高精度慣性導(dǎo)航系統(tǒng)市價機械式陀螺儀的結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，但精度相對較低，適用于中低精度場合。

下面，我們以單自由度陀螺儀為例，來解析角速度測量的原理。單自由度陀螺儀的簡化模型如下圖所示，其中x、y、z分別表示陀螺儀的三個軸。假設(shè)基座被固定在汽車上，y軸即為汽車的前進方向。當汽車繞y軸或z軸旋轉(zhuǎn)時，內(nèi)環(huán)起到了隔離運動的作用，陀螺轉(zhuǎn)軸并不會隨汽車轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動。但當汽車繞x軸轉(zhuǎn)動時，內(nèi)環(huán)上會產(chǎn)生一對力F，形成沿x軸方向的力矩mx。由于陀螺儀在x軸方向沒有轉(zhuǎn)動自由度，力矩mx將使陀螺主軸繞內(nèi)環(huán)y軸進動。因此，通過測量y軸的角速度，我們可以間接測量到汽車在x軸的角速度。具體的建模和求解過程需要基于動量矩定理，這里不再詳細展開。

我們以一個單軸偏航陀螺儀為例，探討較簡單的工作原理（圖1）。兩個正在運動的質(zhì)點向相反方向做連續(xù)運動，如藍色箭頭所示。只要從外部施加一個角速率，就會產(chǎn)生一個與質(zhì)點運動方向垂直的科里奧利力，如圖中黃色箭頭所示。產(chǎn)生的科里奧利力使感應(yīng)質(zhì)點發(fā)生位移，位移大小與所施加的角速率大小成正比。因為傳感器感應(yīng)部分的運動電極（轉(zhuǎn)子）位于固定電極（定子）的側(cè)邊，上面的位移將會在定子和轉(zhuǎn)子之間引起電容變化，因此，在陀螺儀輸入部分施加的角速率被轉(zhuǎn)化成一個專門使用電路可以檢測的電參數(shù)。陀螺儀可以用于地理測量和地圖制作，提供準確的地理信息。

撓性陀螺儀，轉(zhuǎn)子裝在彈性支承裝置上的陀螺儀。在撓性陀螺儀中應(yīng)用較廣的是動力調(diào)諧撓性陀螺儀。它由內(nèi)撓性桿、外撓性桿、平衡環(huán)、轉(zhuǎn)子、驅(qū)動軸和電機等組成。它靠平衡環(huán)扭擺運動時產(chǎn)生的動力反作用力矩(陀螺力矩)來平衡撓性桿支承產(chǎn)生的彈性力矩，從而使轉(zhuǎn)子成為一個無約束的自由轉(zhuǎn)子，這種平衡就是調(diào)諧。撓性陀螺儀是60年代迅速發(fā)展起來的慣性元件，它因結(jié)構(gòu)簡單、精度高(與液浮陀螺相近)、成本低，在飛機和導(dǎo)彈上得到了普遍應(yīng)用。陀螺儀可以用于船舶和航空器的姿態(tài)穩(wěn)定控制，提高航行的安全性和穩(wěn)定性。海南綜采工作面陀螺儀

激光式陀螺儀采用激光束在Sagnac效應(yīng)中的干涉現(xiàn)象，實現(xiàn)高精度角速度測量。北京慣性導(dǎo)航系統(tǒng)制造

陀螺儀器較早是用于航海導(dǎo)航，但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，它在航空和航天事業(yè)中也得到普遍的應(yīng)用。陀螺儀器不只可以作為指示儀表，而更重要的是它可以作為自動控制系統(tǒng)中的一個敏感元件，即可作為信號傳感器。根據(jù)需要，陀螺儀器能提供準確的方位、水平、位置、速度和加速度等信號，以便駕駛員或用自動導(dǎo)航儀來控制飛機、艦船或航天飛機等航行體按一定的航線飛行，而在導(dǎo)彈、衛(wèi)星運載器或空間探測火箭等航行體的制導(dǎo)中，則直接利用這些信號完成航行體的姿態(tài)控制和軌道控制。作為穩(wěn)定器，陀螺儀器能使列車在單軌上行駛，能減小船舶在風(fēng)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。作為精密測試儀器，陀螺儀器能夠為地面設(shè)施、礦山隧道、地下鐵路、石油鉆探以及導(dǎo)彈發(fā)射井等提供準確的方位基準。由此可見，陀螺儀器的應(yīng)用范圍是相當普遍的，它在現(xiàn)代化的國家防護建設(shè)和國民經(jīng)濟建設(shè)中均占重要的地位。北京慣性導(dǎo)航系統(tǒng)制造