3938,,惯性导航中机械转子式陀螺仪的基本组成元件及特性

　　图1　陀螺仪的形象结构

　　在我们设计惯性导航、制导设备时，首先要考虑的是选择什么样的陀螺仪。除了陀螺的原理外，一般会关心以下性能参数，如精度、可靠性、使用条件、环境适应性、物理参数、结构参数、使用寿命以及价格等。陀螺仪作为一种精密仪器，精度是其最重要的一项性能指标。衡量陀螺仪精度高低的指标又是什么呢？这就是陀螺漂移。

　　对于机械转子式陀螺仪，最基本的元件包括：

　　（1）陀螺转子及其驱动元件

　　为了使陀螺仪具有一定的动量矩H，就要求陀螺转子具有一定的转动惯量J和一定的角速度Ω。为了保

　　证陀螺转子持续高速旋转，必须采用电动机来驱动它。

　　（2）万向支架

　　机械转子式陀螺仪中的万向支架包括内框架和外框架。它们必须设计成对称形状，很轻巧，不变形。目前一般都采用铝合金或镁合金制成。支持框架的轴承，必须尺寸小、位置稳定、摩擦力矩小，通常采用精密的微型滚珠轴承、液浮支承、气浮支承、静电支承以及挠性支承等。

　　（3）力矩器

　　为了使陀螺仪的主轴进动到某个位置（如地球的子午面、水平面或其他某一特定方位），就需要对陀螺仪施加外力矩，因此，在陀螺仪中应装设力矩器。力矩器是一种将输给它的电信号变换为力矩的机电转换器。它在结构原理上与电动机的相似，但是工作方式不同。

　　（4）角度传感器

　　当陀螺仪中的内框架相对于外框架，或外框架相对于基座（或仪表壳体）之间出现转动时，就必须依靠信号器把转角检测出来，并变换成电信号输出，一般采用电感式、电阻式、电容式和光电式角度传感器。

　　影响陀螺性能的最大杀手------陀螺漂移

　　我们可以这样来理解漂移：理想的陀螺，其转子轴相对惯性空间是稳定的，也即始终指向某一方向。但是，由于设计上的不完善、制造上的缺陷、使用中存在各种干扰力矩等，都会使陀螺产生较小的进动，逐渐偏离初始位置，破坏陀螺的稳定性，最终导致误差的产生，而且这一误差还将随时间增长而积累。

　　引起陀螺漂移的力矩可以分为两大类：有规律性（确定性或系统性）的力矩和随机性的干扰力矩，相应地，陀螺漂移也可分为系统性漂移与随机漂移两类。系统性漂移是由有规律的力矩造成的，由于这类力矩有规律可遵循，因而可以对它进行调整或补偿。随机漂移是由随机性质的干扰力矩引起的，如轴承的噪声、摩擦、温度梯度等引起的干扰力矩所造成的陀螺漂移就属于这种性质。这种力矩没有确定的规律性，因此不能用简单的方法进行补偿，一般是用大量的漂移测试试验数据做统计分析来确定。显然，漂移角速率越小，陀螺精度越高。

　　纵观陀螺仪近百年的发展史，实际上就是一部设计者们力图减小陀螺漂移的奋斗史。

　　机械转子式陀螺仪的“怪脾气”——定轴性与进动性

　　机械转子式陀螺仪由于其转子的高速旋转，这种能绕定点转动的刚体（图1）呈现出了与不转动的一般刚体完全不同的力学特性，即定轴性和进动性。正是这些特性，使得这类陀螺仪被用于研制导航和制导的仪器仪表。

　　所谓定轴性，是指当没有任何外力矩（力矩=力×力臂）作用在高速旋转的陀螺仪上时，它的转轴在惯性空间的指向保持稳定不变。如图2所示，陀螺依靠旋转来保持轴线方向不变的稳定能力就是陀螺定轴性的体现。

　　图2　陀螺依靠旋转来保持轴线方向不变的稳定能力

　　所谓进动性，指当有外界力矩作用在陀螺上时，陀螺会产生“十字交叉”的特殊运动，即其运动角速度的大小和方向与外加力矩的大小和方向有严格的对应关系，这就是陀螺仪的进动。图2.8形象地说明了陀螺的进动性。

　　图3（a）是一个转子静止的陀螺，如果在它的内环上挂一重物，内环就将失去平衡，转子连同内环一起在此重物作用下绕内环轴转动一个角度。如果使转子高速旋转后再挂一重物，如图3（b）所示，奇异的现象出现了，那就是转子和内环不再绕内环轴转动，而是与外环一起，绕外环轴转动起来。陀螺的这种不顺从外力的特性就是进动性。

　　图3（b）中用右手定则画出了陀螺的角速度向量和外力矩向量的方向。理论推导和实验均证明：在外力矩的作用下，陀螺转子轴（即角动量的方向）总是要沿着最短的路径朝外力矩向量方向转动，并力图使这两个向量相重合。但陀螺转子轴永远跟不上外力矩向量，因此，转子轴就不断进动，弧形箭头方向即陀螺的进动方向。

　　图3　陀螺仪的进动性

　　定轴性和进动性是机械转子式陀螺仪非常重要的两个物理特性，这两个特性使得其既具有相对惯性空间保持指向不变的能力，又具有按照要求的规律相对惯性空间转动的能力，所以，这类陀螺仪既能够用来模拟坐标轴的指向，也可以用来测量角速度和角度，陀螺稳定平台就是充分利用机械转子式陀螺仪这两个特性的最好实例。

　　以陀螺仪为敏感元件，能隔离基座的角运动并能使被控对象按指令旋转的机电控制系统称为陀螺稳定平台。稳定和修正是陀螺稳定平台的两个基本功能：稳定作用即是隔离运载体的角运动，通过稳定系统产生的稳定力矩来抵消运载体运动对平台的干扰力矩，阻止平台相对惯性空间转动，如船舶上的同步卫星接收天线，在船舶受风浪作用而摇摆时，通过平台的稳定作用使天线始终能够指向同步卫星；修正作用即是控制平台按照所需要的角运动规律相对惯性空间运动，如检测火箭发射的地面光学跟踪系统，通过稳定平台的修正作用使光轴始终跟踪观察点与火箭的连线，尽管该连线的指向是在不断地变化着的。当陀螺稳定平台要模拟当地水平面时，平台在保持稳定的同时，还必须进行修正，以跟踪当地水平面相对惯性空间的运动。