自由陀螺儀基本概念

二自由度陀螺儀的轉(zhuǎn)子支承在一個(gè)框架內(nèi)，沒有外框架，因而轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)有一個(gè)進(jìn)動(dòng)自由度，即少了垂直于內(nèi)框架軸和自轉(zhuǎn)軸方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。因此二自由度陀螺儀與三自由度陀螺儀的特性也有所不同。

進(jìn)動(dòng)性是三自由度陀螺儀的基本特性之-，當(dāng)繞內(nèi)框架軸作用外力矩時(shí)，將使高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生繞外框架軸的進(jìn)動(dòng)，而繞外框架軸作用外力矩時(shí)，將使轉(zhuǎn)子軸產(chǎn)生繞內(nèi)框架軸的進(jìn)動(dòng)。

定軸性是三自由度陀螺儀的另一基本特性。無論基座繞陀螺儀自轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，還是繞內(nèi)框架軸或外框架軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)，都不會(huì)直接帶動(dòng)陀螺轉(zhuǎn)子一起轉(zhuǎn)動(dòng)(指轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)之外的轉(zhuǎn)動(dòng))。由內(nèi)、外框架所組成的框架裝置，將基座的轉(zhuǎn)動(dòng)與陀螺轉(zhuǎn)子隔離開來。這樣，如果陀螺儀自轉(zhuǎn)軸穩(wěn)定在慣性空間的某個(gè)方位上，當(dāng)基座轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，它仍然穩(wěn)定在原來的方位上。

對于二自由度陀螺儀，當(dāng)基座繞陀螺儀自轉(zhuǎn)軸或內(nèi)框架軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，仍然不會(huì)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子一起轉(zhuǎn)動(dòng)，即內(nèi)框架仍然起隔離運(yùn)動(dòng)的作用。但是，當(dāng)基座繞陀螺儀缺少自由度的x軸方向以角速度ωx轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于陀螺儀繞該軸沒有轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，所以基座轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，就通過內(nèi)框架軸上的一對支承帶動(dòng)陀螺轉(zhuǎn)子一起轉(zhuǎn)動(dòng)。但陀螺儀自轉(zhuǎn)軸仍盡力保持其原來的空間方位不變。因此，基座轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，內(nèi)框架軸上的一對支承就有推力F作用在內(nèi)框架軸的兩端，而形成作用在陀螺儀上的推力矩mx, 其方向垂直于動(dòng)量矩H，并沿x鈾正向。由于陀螺儀繞內(nèi)框架軸有轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度，所以這個(gè)推力矩就使陀螺儀產(chǎn)生繞內(nèi)框架軸的進(jìn)動(dòng)，進(jìn)動(dòng)角速度β指向內(nèi)框架軸y的正向，使轉(zhuǎn)子軸趨向與x軸重合。

因此，當(dāng)基座繞陀螺儀缺少自由度的方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，將強(qiáng)迫陀螺儀跟隨基座轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)陀螺儀轉(zhuǎn)子軸繞內(nèi)框架軸進(jìn)動(dòng)。結(jié)果使轉(zhuǎn)子軸趨向與基座轉(zhuǎn)動(dòng)角速度的方向重合。即二自由度陀螺儀具有敏感繞其缺少轉(zhuǎn)動(dòng)自由度方向旋轉(zhuǎn)角速度的特性。

二自由度陀螺儀受到沿內(nèi)框架軸向外力矩作用時(shí)，轉(zhuǎn)子軸繞內(nèi)框軸運(yùn)動(dòng)。

沿內(nèi)框架軸向作用力矩時(shí)轉(zhuǎn)子軸的運(yùn)動(dòng)。設(shè)沿內(nèi)框架鈾y的正向有外力矩My作用，則二自由度陀螺儀的轉(zhuǎn)子軸將力圖以角速度My/H繞x軸的負(fù)向進(jìn)動(dòng)，如圖3所示。由于陀螺轉(zhuǎn)子軸繞x軸方向不能轉(zhuǎn)動(dòng)，這個(gè)進(jìn)動(dòng)是不可能實(shí)現(xiàn)的。但其進(jìn)動(dòng)趨勢仍然存在，并對內(nèi)框架軸兩端的支承施加壓力，這樣，支承就產(chǎn)生約束反力F作用在內(nèi)框架軸兩端，而形成作用在陀螺儀上的約束反力矩mx，其方向垂直于動(dòng)量矩H并沿x軸的正向。由于轉(zhuǎn)子軸繞內(nèi)框架軸存在轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，所以在這個(gè)約束反力矩mx的作用下，陀螺儀轉(zhuǎn)子軸就繞內(nèi)框架軸以β的角速度沿y軸正向進(jìn)動(dòng)。簡單地說，如果陀螺繞x軸方向不能轉(zhuǎn)動(dòng)，那么在繞內(nèi)框架軸向的外力矩作用下，陀螺儀的轉(zhuǎn)子軸也繞內(nèi)框架軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

陀螺繞主軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角動(dòng)量以H表示，H=JsΩ，式中Js為陀螺轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

這類陀螺儀本身大都是二自由度的。常見的有速率陀螺儀和積分陀螺儀。速率陀螺儀是用以直接測定運(yùn)載器角速率的儀表。把均衡陀螺儀的外環(huán)固定在運(yùn)載器上并令內(nèi)環(huán)軸垂直于要測量角速度的軸，如果考慮運(yùn)載器的轉(zhuǎn)動(dòng)在內(nèi)，這種陀螺儀也是三自由度的。當(dāng)運(yùn)載器連同外環(huán)以角速度繞測量軸旋進(jìn)時(shí)，陀螺力矩將迫使內(nèi)環(huán)連同轉(zhuǎn)子一起相對于運(yùn)載器而旋進(jìn)。這種陀螺儀中有彈簧限制這個(gè)相對旋進(jìn)，而內(nèi)環(huán)的旋進(jìn)角正比于彈簧的變形量。由平衡時(shí)的內(nèi)環(huán)旋進(jìn)角即可求得陀螺力矩和運(yùn)載器的角速率。

積分陀螺儀與速率陀螺儀的不同處只在于用線性阻尼器代替彈簧約束。當(dāng)運(yùn)載器作任意變速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，積分陀螺儀的輸出量是繞測量軸的轉(zhuǎn)角(即角速度的積分)。這種陀螺儀在遠(yuǎn)距離測量系統(tǒng)或自動(dòng)控制、慣性導(dǎo)航平臺中使用較多。

還可以利用旋進(jìn)受限制的三自由度陀螺儀來同時(shí)測出運(yùn)載器的角速度和角加速度。