无人机传感器技术 2.2 陀螺仪 .pdfVIP

2.2陀螺仪

陀螺仪就是角速度传感器，是利用陀螺效应制造出来用来测量物体角速度的

一种传感器。陀螺效应是指高速旋转物体的旋转轴所指的方向不会随着外力的方

向改变而发生改变。

1850年，法国物理学家莱昂傅科在研究地球自传中获得灵感而发明了陀螺·

仪，就像把一个高速旋转的陀螺放到一个万向支架上，靠陀螺的方向来计算角速

度，如图2-39所示。陀螺仪最先应用在航海上，直到二战时，陀螺仪才应用到

航空航天上，这时陀螺仪都是机械陀螺仪，也就是传统陀螺仪。

图2-39最早陀螺仪

二十世纪八十年代以后，现代光纤陀螺仪和激光谐振陀螺仪都得到了非常迅

速的发展。它们具有结构紧凑、灵敏度高、工作可靠等优点，在很多的领域已经

完全取代了传统陀螺仪，成为现代飞控导航系统中的关键部件。二十世纪九十年

代后，微机械陀螺仪在民用产品上得到了广泛的应用，部分应用在低精度的惯性

导航产品中。

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、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，作为驾驶和领航仪表使用。

广泛使用的MEMS陀螺（微机械）可应用于航空、航天、航海、兵器、汽

车、生物医学、环境监控等领域。并且MEMS陀螺相比传统的陀螺有明显的优

势：

1.体积小、重量轻。适合于对安装空间和重量要求苛刻的场合，例如弹载测

量等。

2.低成本。

3.高可靠性。内部无转动部件，全固态装置，抗大过载冲击，工作寿命长。

4.低功耗。

5.大量程。适于高转速大g值的场合。

6.易于数字化、智能化。可数字输出，温度补偿，零位校正等。

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：

（1）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。

（2）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。21世纪发展为利用自

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。

（3）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。

（4）陀螺稳定器

稳定船体的陀螺装置。20世纪初使用的施利克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。

（5）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

在运载器上并令内环轴垂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