[科普中国]-单自由度陀螺仪

基本结构

对于一个机械式陀螺仪，除了沿转子轴方向外，陀螺转子相对仪表壳体还有一个自由度的陀螺仪称为单自由度陀螺。根据输出轴所作用的约束力矩的不同，可以把单自由度陀螺仪分为三种主要类型：速率陀螺仪、积分陀螺仪、二次积分陀螺仪。2

右图给出了结构示意图。在惯性导航系统中选用的是浮子式单自由度（或双自由度）陀螺仪。3

陀螺转子和陀螺内环构成陀螺浮子组合件，内环以密封的圆筒形式给出，内环轴也称为输出轴，输出轴通过精密的宝石轴承固装在壳体上，因而，转子除了绕自转轴的高速转动之外，相对壳体只能绕输出轴进动，角动量H（见右图）相对惯性空间只有一个自由度。3

单自由度陀螺仪的精度取决于绕输出轴的干扰力矩大小，为了减小绕输出轴的摩擦力矩，采用悬浮技术，即把做成封闭式圆筒的内环放在高密度的浮液中，整个浮子的重量由浮液来承受。这样，宝石轴承只起定位的作用了。而且人们往往利用浮液对浮筒所产生的阻尼作用代替右图中的阻尼器C。从工作原理上看，右图这种结构的陀螺，在没有弹簧时，称为积分陀螺。而当阻尼作用可以忽略，在输出轴只存在弹性约束，就叫做速率陀螺仪。3

基本原理单自由度陀螺仪基本原理如右图所示，它由转子及内环组成。转子装置安装在内环轴承上，并以常值角速度Ω绕自转轴Z相对内环高速旋转，内环通过一对轴承与陀螺仪壳体相连，并且可以绕内环轴Y相对壳体转动。内环轴Y与转子自转轴Z相互垂直，并且相较于一点O，该交点为陀螺仪的固定不动点，陀螺仪的所有角运动都是以某一瞬间角速度绕固定点O转动。由图可知，单自由度陀螺仪实际上有两个角自由度1：

一是转子可以绕自转轴OZ相对于内环旋转，转角用γ表示；

二是带有转子的内环可以绕内环轴OY相对于壳体转动，转角用β表示。

在单自由度陀螺仪的实际应用中，主要研究陀螺仪转子的自转轴OZ的运动特性，即研究OZ轴绕内环轴OY相对于壳体转角β的运动特性。因此，所谓单自由度陀螺仪，实际上是指OZ轴只有一个转动自由度的陀螺仪。1

特性单自由度陀螺仪比起二自由度陀螺仪在制造工艺上有些实际的优点，即只限于在一根轴上（输出轴）需要做得使干扰力矩很小。尽管单自由度陀螺仪有这种优点，但在使用中却比二自由度陀螺复杂一些。由单自由度陀螺仪构成的伺服系统不是一个简单的位置随动系统，速度积分陀螺是伺服系统中的积分环节，它的动态特性对伺服系统的性能有很大的影响。3