university of science and technology of china 96 jinzhai road, hefei anhui 230026,the people’s republic of china
陀螺仪实验实验报告
李方勇 pb05210284 sist-05010 周五下午第29组2号
2006.10.22 实验题目陀螺仪实验（演示实验）
实验目的
1、通过测量角加速度确定陀螺仪的转动惯量；
2、通过测量陀螺仪的回转频率和进动频率确定陀螺仪的转动惯量；
3、观察和研究陀螺
仪的进动频率与回转频率与外力矩的关系。
实验仪器
①三轴回转仪；②计数光电门；③光电门用直流稳压电源（5伏）；④陀螺仪平衡物；⑤
数字秒表（1/100秒）；⑥底座（2个）；⑦支杆（2个）；⑧砝码50克+10克（4个）；⑨卷尺
或直尺。
实验原理
1、如图2用重物（砝码）落下的方法来使陀螺仪盘转动，这时陀螺仪盘的角加速度?
为：?=d?r/dt=m/ip (1) 式中?r为陀螺仪盘的角速度，ip为陀螺
仪盘的转动惯量。m=f.r为使陀螺仪盘转动的力矩。由作用和反作用定律，作用力为：
f=m(g-a) (2) 式中g为重力加速度，a为轨道加速度（或线
加速度）轨道加速度与角加速度的关系为：
a=2h/tf2； ?=a/r (3) 式中h为砝码下降的高度，r如图1所示为转轴的半径，tf为下落的时间。将(2)(3)代
入(1)
2ip?2mr2
t?h2
mgr可得： (4)
2
f
测量多组tf和h的值用作图法或最小二乘法拟合数据求出陀螺仪盘的转动惯量。
2、如图3所示安装好陀螺仪，移动平衡物w使陀螺仪ab轴（x轴）在水平位置平衡，
用拉线的方法使陀螺仪盘绕x轴转动（尽可能提高转速），此时陀螺仪具有常数的角动量l：
l=ip.?r (5) 当在陀螺仪的另一端挂上砝码m（50g）时就会产生一个附加的力矩m*，这将使原来的角
动量发生改变：
dl/dt=m*=m*gr* (6) 由于附加的力矩m*的方向垂直于原来的角动量的方向，将使角动量l变化dl，由图1
可见： dl=ld?
这时陀螺仪不会倾倒，在附加的力矩m*的作用下将会发生进动。进动的角速度.?p为
(?p=2?/tp，?r=2?/tr)：
d?1dl1dlm*gr* ?p????
dtldtip?rdtip?p(7) 所以可以得到以下关系式： ** 1mgr ?tp
2
t4?i r p (8) 因此1/tr与tp是线性关系,由作图法或最小二乘法拟合数据求出陀螺仪盘的转动惯量。
图1 陀螺仪进动的矢量图
实验步骤
1、如图1安装好陀螺仪。记下砝码的重量m和高度h，用秒表测量从不同高度落下的时
间tf。以h为横坐标，以tf2为纵坐标，图上得到一条直线，由直线斜率就可以求出陀螺仪
转动惯量ip。
图2 重物落下法测量图3 拉线法测量
2、如图2安装好陀螺仪。使陀螺仪盘绕ab轴飞快的旋转起来用光电门测量出转动周期
tp[注]。在这之后，立即将光电门撤掉，在陀螺仪的另一端挂上砝码m，陀螺仪将发生进动
(precession)（绕cd轴），这时用秒表测量出进动的周期tr，重复以上步骤，测出tr-1与
tp几组值。。所以利用实验数据进行线性拟合也可以求出陀螺仪的转动惯量ip。
实验数据
表2－3 进动频率与回转频率关系
注：砝码质量m=60g
回转时间t1为50个周期,进动为一个周期时间
数据处理
1、测量角加速度确定陀螺仪的转动惯量
tf(s)
22
图2－1 h-tf关系图
[2006-10-22 23:05 /graph1 (2454030)] linear regression for data1_b: y = a + b
* x parameter value a b 0.90866 0.37986 error 1.01617 0.01607
------------------------------------------------------------ r
sd
0.85019
n 7
p <0.0001 ------------------------------------------------------------ 0.99556 2ip?2mr2
?t?h?bh
mgr2(b?2)(37.986?2)?ip?mgr2??0.09?9.807?0.02252?9.74?10?3kg?m2 2f
22u2?1
a(b)?m
?umgr2
?4ip?ua(b)?1.3?10kg?m2
2
i?3p?(9.74?0.13)?10kg?m2
2、测量陀螺仪的回转频率和进动频率确定陀螺仪的转动惯量
图2－2 t?1
p?50tr关系图
[2006-10-22 23:19 /graph1 (2454030)] linear regression for data1_b: y = a + b
* x parameter value error
------------------------------------------------------------
a 0.0185 0.00126 b
0.00678
1.12797e-4 r
sd
7.71981e-4
n 8
p <0.0001 ------------------------------------------------------------ 0.99917 1m*gr*??2tr
tp4?ip
m*gr*10.06?9.807?0.271-22
?ip?2??=1.028?10kg?m1
4??50t?4?2?500.00678p
tr
1t?ua(p
-4-2)?tr
1t?pua()
tr
uip?ip?0.006?10-2kg?m2
?1tp
trip?(10.28?0.06)?10?3kg?m2 分析评定实验结果的不确定度见数据处理
实验结果
两种方法测得的ip分别为：
ip1?(9.74?0.13)?10?3kg?m2ip2?(10.28?0.06)?10?3kg?m2 ?? ip1?ip2
ip2
?5.3%
相对误差较大，但分析实验的影响因素，基本满足要求。
实验讨论和心得体会
第一次做演示实验，实验后反思认为自己在是实验中观察不够仔细，所以没能做好第三
项附加实验。但本次实验，通过原理学习和公式推导，对陀螺仪回转和进动加深了理解，对
章动也有了深刻的印象。篇二：陀螺仪原理实验指导书1[1] 陀螺仪原理实验指导书
王军
惯性导航实验室
惯性技术基础实验(一)——陀螺特性
一、陀螺仪
陀螺仪的基本结构如图1，中间是一个转子，转子的轴叫主轴，又称z轴。转子和主轴
还可以绕水平轴（又称y轴）转动；又可以绕垂直轴（又称z轴）转动。这样，陀螺仪的主
轴可以指向空间任何方向。这种陀螺仪称为自由陀螺仪。
图1 陀螺仪基本结构
为讨论方便，我们规定用“右手法则”来确定主轴旋转的正方向，右手握拳，拇指与四
指垂直，四指顺着转子的转动方向，拇指所指的方向就是主轴的正方向。
我们实验室所用的陀螺仪为电动陀螺仪，是航海型电罗经回转球里的一个陀螺马达，所
用电源为三相110v 330周。正常转速为19800转/分。由于转速比较高，陀螺特性就比较明
显。二、陀螺仪第一特性——定轴性
当陀螺仪的转子尚未旋转之前，我们就不能从它的装置中察觉出它与通常的非陀螺体有
任何不同的现象。关于非陀螺体，这里所指的是实验以前不具有动量矩的物体。当陀螺仪的
转子以高速绕其极轴z旋转时，不管怎样移动或转动它的座底。如图2主轴在空间所指的方
向不变。主轴指向的稳定与否，决定于转子的转速与重量。转速高、重量重、指向性就强。
指向性强的陀螺仪，即使受到短时间的强烈冲击加于平衡环上时，对主轴原来的位置却不会
产生明显的效果。
d? dt
若支撑摩擦力矩很小可忽略不计时，又当外力矩为零，即m?0，则：
d?0 dt
该式表示动量矩在瞬刻时间内没有变化，即表示陀螺转子动量矩h大小不变，方向也不
变。因此陀螺仪主轴的指向就不变。
三、陀螺仪的第二特性——进动性
图2 定轴性
在外加力矩作用下，陀螺仪运动的特性发生变化，加在陀螺仪外平衡环上的力矩会引起
陀螺仪绕内平衡环轴而旋转。反之，加在内平衡环上的力矩，会引起陀螺仪绕外平衡环轴而
旋转。当外加力矩的方向改变时，则平衡环的转动方向也随之改变。
假设有一外力f作用在陀螺仪的主轴上，如图3，如果转子是不动的，那么主轴就要沿
着f力的作用方向向下运动。它使整个转子绕着y轴转动。但是当转子高速旋转以后，在外
力f作用下，主轴并不沿着f力的方向运动，而是沿着f力的垂直方向，即如图中v进的方
向运动，这种运动称为“进动”。其进动角速度为?? m
。 h
主轴进动的方向可用右手心方向法确定，平伸右手，拇指和四指垂直。主轴指着右手心，
四指顺着f力的方向，拇指指的就是主轴进动方向。
作用于陀螺仪的外力矩引起自轴的进动，使自转轴的h端沿最短路径向外力矩矢量的正
端偏转。
我们可以看到：
1．当转子自转的角速度一定时，一定大小的进动角速度对应于一定大小的
图3 进动性
外加力矩；对于非陀螺体，一定大小的角速度对应一定大小的外加力矩。
2．当外加力矩大小为一定时，进动的角速度随着转子自转角速度的增加而减小，并随后
者的减小而增大。
3．对应于一定大小的外加力矩和转子的自转角速度的进动角速度是在力矩加上时的瞬间
发生，而在撤去力矩时瞬间消失，表现了进动是无惯性的。四、陀螺仪的第三特性——稳定
性
我们所看到的进动是“无惯性的”，是一种表面上看到的现象。除了进动以外，外加力矩
还产生一种观察不到的运动，在这个过程中力矩做功，它用来保证系统的能量增加到进动能
量的值。这个运动叫做章动。陀螺仪除了像非陀螺体一样沿力矩作用的方向产生一定的旋转之外；它们还引起绕与所加力矩方向相重合的轴和绕垂直于这个方向的轴的周期性的振荡。陀螺仪转子轴周期性振动的频率为几百和几千秒分之一，由于振幅值非常小，而频率很高，因此这些周期性的振动觉察不出来。这说明陀螺仪在干扰力矩或冲击力矩作用下，其主轴的指向不易发生改变或改变很小，即它有抗干扰力矩和抗冲击力矩的能力。
我们前边所指的陀螺仪是假设没有摩擦并且构造上十分完善的理想陀螺仪。实际上，转子的自转角速度的大小虽能借助于电动马达维持不变，但它的方向总会产生某些变动。由于万向支架的轴承不可能绝对精确，这样就无法做到使转子和万向支架的公共重心与万向支架各轴的交点完全重合。这种相对于理想情况的偏差会引起自转轴以不明显的和缓的速度偏离其预定方向。自转轴方向的这种缓慢变化成为漂移。陀螺仪的设计者和制造者总是力求漂移角速度为最小。五、实验目的和任务
惯性系统原理实验课程是一门演示型实验课程，结合惯性系统原理，使理论和实践相结合，更好的掌握控制理论。通过实验，了解陀螺的基本特性。从而更加形象、具体、系统的掌握专业知识。六、实验的基本要求
掌握陀螺的基本特性。七、实验所用仪器
1．航—3陀螺马达 2．三相自耦变压器
3．三相电源八、注意事项
1．由于陀螺马达转速较高，注意安全。 2．没有教员同意不要接通电源。篇三：陀螺仪基本特性试验
陀螺仪基本特性试验
一、实验目的
1．
用实验的方法观察并验证陀螺仪的基本特性——定轴性，进动性和陀螺力矩效应。
2． 3．
学习使用陀螺实验用主要设备——转台。利用线性回归方法进行数据处理。
二、实验设备
1． tzs-74陀螺仪表综合试验转台。 2．双自由度陀螺仪。 3．砝码。
4．实验用电源：交流 220v，50~（转台用）36v，400~三相
电源。
三、实验内容和步骤
（一）定轴性实验
1. 陀螺马达不转时，开动转台，观察陀螺仪是否有定轴性。
2. 接通电源，几下陀螺转子的转速方向，开动转台观察转子转动时陀螺仪的定轴性。（二）进动性实验
1. 外加力矩，观察进动现象。根据进动规律判断角动量h的方向，并和上面记下的转速方向做一比较。
2. 测量进动角速度和外加力矩的关系：
（1）在加力杆的前后标尺上分别加不同重量的砝码，记录进
动的角度与实践，列表并计算出对应于每一外加力矩的进动角速度值，画出实验曲线。（2）根据进动规律?
?mh
x （h
?j?
）计算出对应于每一外加
力矩的进动角速度，画出理论曲线。
（3）将实验曲线与理论曲线进行比较并说明产生误差的原
因。
（4）用线性回归的方法进行数据处理，并通过求回归系数的
方法求出角动量h的值。
3. 测量进动角速度和角动量的关系
在同一外力矩作用下，测量陀螺马达在额定转速下和断电一分钟后的进动角速度（断电一分钟后马达转速低于额定转速）。根据实验结果说明进动角速度和角动量的关系。（三）陀螺力矩实验
1. 开动转台，使双自由度陀螺仪基座转动，观察有无陀螺力矩效应，并说明原因。
2. 观察双自由度陀螺仪在进动时的陀螺力矩效应。用手对内框架加力矩，用手的感觉来测量陀螺力矩的大小和方向。说明陀螺力矩产生的原因。
3. 拧紧固定外框架的螺钉。用手对内框架加力矩。观察此时转子轴的运动方向。用手感觉此时对手是否有陀螺力矩作用，加以分析。
4. 测量陀螺力矩和进动角速度的关系
为了达到测量陀螺力矩的目的，我们拧紧固定外框架的螺钉，是陀螺仪成为单自由度陀螺仪。然后打开转台，是陀螺已跟随着基座以相同的角速度进动，这是在内框轴上就受到一个陀螺力矩，我们在加力杆上加砝码，便可在内框架轴上施加重力力矩来平衡陀螺力矩。
（1）转动转台，测量转台的角度和时间，并同时在加力杆上
加砝码平衡陀螺力矩。列表计算出陀螺力矩与进动角度的关系，并画出试验曲线。
（2）根据陀螺力矩公式计算陀螺力矩与进动角速度的关系，
并列表画出理论曲线。
（3）将试验曲线与理论曲线进行比较，并说明产生误差的原
因。
（四）观察章动现象
1. 用手在双自由度陀螺仪上施加冲击力矩，观察并记录章动现象。
2. 关闭陀螺马达电源，等陀螺马达转速降低及停转后再用手在陀螺仪上施加陀螺力矩，观察并记录陀螺仪的运动情况。
四、实验现象与数据记录
1. 进动角速度和外加力矩的关系逆时针：
顺时针：
2. 陀螺力矩和进动角速度的关系顺时针：
逆时针：
五、数据处理
1. 进动角速度和外加力矩的关系由excel处理数据并画图得：篇四：北航惯性导航综合实验一实验报告
实验一
陀螺仪关键参数测试与分析实验加速度计关键参数测试与分析实验
二零一三年五月十二日
实验一陀螺仪关键参数测试与分析实验
一、实验目的
通过在速率转台上的测试实验，增强动手能力和对惯性测试设备的感性认识；通过对陀螺仪测试数据的分析，对陀螺漂移等参数的物理意义有清晰的认识，同时为在实际工程中应用陀螺仪和对陀螺仪进行误差建模与补偿奠定基础。
二、实验内容
利用单轴速率转台，进行陀螺仪标度因数测试、零偏测试、零偏重复性测试、零漂测试
实验和陀螺仪标度因数与零偏建模、误差补偿实验。三、实验系统组成
单轴速率转台、mems 陀螺仪（或光纤陀螺仪）、稳压电源、数据采集系统与分析系统。四、
实验原理
1. 陀螺仪原理
陀螺仪是角速率传感器，用来测量载体相对惯性空间的角速度，通常输出与角速率对应
的电压信号。也有的陀螺输出频率信号（如激光陀螺）和数字信号（把模拟电压数字化）。以
电压表示的陀螺输出信号可表示为：
ug????ug?0??kg??kgfg(a)?kg?g (1-1)
式中fg(a)是与比力有关的陀螺输出误差项，反映了陀螺输出受比力的影响，本实验不
考虑此项误差。因此，式（1-1）简化为
ug????ug?0??kg??kg?g (1-2)
由（1-2）式得陀螺输出值所对应的角速度测量值：
?测量?
ug?ug(0)
(1-3) ??g
kg 对于数字输出的陀螺仪，传感器内部已经利用标度因数对陀螺仪模拟输出进行了量化，
直接输出角速度值，即：
?测量??0??真值??g (1-4)
?0是是陀螺仪的零偏，物理意义是输入角速度为零时，陀螺仪输出值所对
应的角速度。且
ug(0)?kg?0 (1-5) ?测量精度受陀螺仪标度因数kg、随机漂移?g、陀螺输出信号ug的检测精
度和ug(0)的影响。通常kg和ug(0)表现为有规律性，可通过建模与补偿方法消除，?g
表现为随机特性，可通过信号滤波方法抵制。因此，准确标定kg和
ug(0)是实现角速度准确测量的基础。五、陀螺仪测试实验步骤 1) 标度因数和零偏测
试实验
a. 接通电源，预热一定时间；
b. 陀螺工作稳定后，测量静止情况下陀螺输出并保存数据；
c. 转台正转，测试陀螺仪输出，停转；转台反转，测试陀螺仪输出，停转。在正转和反
转时测试陀螺仪输出量，并分别保存数据；
d. 改变转台输入角速率重复步骤c，正负角速率的速率档分别不少于5 个（按军标要求
是11 个）；
e. 转速结束后，当转台静止时，采集陀螺仪输出数据，并保存。
f.根据最小二乘法公
式
1
?ijfj??mj?1
m
2
ij
m
???f
ij
j?1m
j?12
mm
j
kg?
?1?
?????ij??m?j?1j?1?
(1-6) 1fg0?
mkg
f??j
mj?1
m
??
j?1
m
ij
(1-7)
计算陀螺标度因数和零偏。 2) 零漂测试（零偏稳定性）
在静止下采集陀螺仪数据，并由测试数计算陀螺仪零偏稳定性。军标中通常的测试时间
是1 小时，并对所采集的数据进行1 秒、10 秒及100秒等不同时间的平滑。本实验中可采
集数据10 分钟左右，并分别进行1 秒、10 秒及100 秒平滑。
按如下公式
2?1?1n
bs?fi?f??kg?n?1i?1??
??
1/2
(1-8)
计算陀螺仪零偏稳定性，并进行比较。 3) 零偏重复性测试
a. 令转台某角速度200?/s下进行正转，转速平稳后，采集陀螺输出数据，并保存。
b. 令转台某角速度-200?/s下进行反转，转速平稳后，采集陀螺输出数据，并保存。
c. 按计算陀螺零偏；
d. 关掉陀螺电源，并重新启动，重复步骤a、b；
e. 重复步骤d 进行3-5 次，共得到
陀螺零偏5-7 个； f. 对5-7个陀螺零偏按下式(1-9) 2??1qbr??b?b (1-9) 0?0i? ?q?1i?1?
??
1/2
求均方差，得零偏重复性指标。
六、实验结果
1. 数据处理
将原始数据剔除后绘图如下
2. 计算陀螺标度因数和零偏
根据陀螺在10°/s，20°/s，40°/s，60°/s ，80°/s角速率下正反转的输出，分别
求得正转下陀螺的标度因数和零偏，及反转下陀螺的标度因数和零偏，然后求的均值。
kg= 0.9901 fg0= 0.0358 3. 零偏稳定性对所采集的数据进行1 秒、10 秒及100秒等不同时间的平
滑，如下图。篇五：导航原理实验报告
导航原理实验报告
院系：班级：学号：
姓名：成绩：指导教师签字：
批改日期：年月日
哈尔滨工业大学航天学院
控制科学实验室
实验1 二自由度陀螺仪基本特性验证实验
一、实验目的
1．了解机械陀螺仪的结构特点；
2．对比验证没有通电和通电后的二自由度陀螺仪基本特性表观； 3．深化课堂讲授的有
关二自由度陀螺仪基本特性的内容。二、思考与分析
1．定轴性
（1）设陀螺仪的动量矩为h，作用在陀螺仪上的干扰力矩为md，陀螺仪漂移角
速度为ωd，写出关系式说明动量矩h越大，陀螺漂移越小，陀螺仪的定轴性(即稳定性)
越高.
答案：
?
md??d?h ?md/hsin? d 干扰力矩md一定时，动量矩h越大，陀螺仪漂移角速度为ωd越小，陀螺漂移越小，
陀螺仪的定轴性(即稳定性)越高.
（2）在陀螺仪原理及其机电结构方而简要蜕明如何提高h的量值?
答案：h?j? 由公式j?
2r???dm可知 a 提高h的量值有四种途径：
1. 陀螺转子采用密度大的材料,其质量提高了，转动惯量也就提高了。
2. 改变质量分布特性。在质量相同的情况下，若质量分布的半径距质
心越远，h越大。因此将陀螺转子的有效质量外移，如动力谐陀螺将转子设计成环状。
即在陀螺电机定子环中，可做成质量集中分布在环外边缘的环形结构，切边缘部分材质密度
大，可提高转动惯量。 3. 增大r,可有效提高转动惯量。
4. 另外可通过采用外转子电机来改变电机质量分布，增大r。改变电机
定转子结构：采用外转子，内定子结构的转子电机。
4. 增加陀螺转子的旋转速度。
??2?n/60?2?(1?s)f/p ，n?60f(1?s)/p 提高电压周波频率 f ?——〉n ?——h ? f=400hz 适当减少极对数，如取p=1 适当减少转差率s，可通过减少转子支承轴承摩擦来实现
2．进动性
(1) 在外框架施加一沿x轴正方向作用力矩时，画出动量矩h的进动方
向及矢量m，ω，h的关系坐标图。(设定h沿z轴正方向)并在坐标中标出陀螺仪自转轴
的旋转方向n。
b) 在内框架施加一沿y轴正方向作用力矩时，画出动量矩h的进动方向及
矢量m，ω,h的关系坐标图。(设定h沿z轴正方向)并在坐标中标出陀螺仪自转轴的旋
转方向n。
(3) 若改变了陀螺仪自转轴的旋转方向 n 即h是沿坐标z轴的负方向，仍
还是在外框架沿x轴正方向施加一作用力矩时，画出其矢量m，ω，h的关系坐标图。
并在坐标图中标出自转轴的旋转方向 n 和 h 的进动方向及陀螺力矩 mg 的方向。
2．陀螺动力效应
如果人为的用手指向陀螺仪的内框架(内环)施加力矩时，对于陀螺仪内框架(内环)而言，
为什么没有表观出陀螺动力效应?
当人为对陀螺内框架施加外力矩时，外力矩通过内框架传递到转子上，陀螺转子产生绕
外框架轴的进动。虽然作用在内框架上的陀螺力矩与施加的外力矩大小相等方向相反，
但是因为陀螺转子绕外框架轴进动，会带动了内框架，随着外框架一起转动。因此陀螺
内框架不能表现出陀螺动力效应。
实验2 光纤陀螺工作过程演示实验
一、实验目的
1. 通过演示实验，加深对sagnac效应的理解；
2. 了解光纤陀螺陀螺数据采集系统；
3.
掌握光纤陀螺结构及应用； 4. 观察光纤陀螺工作过程. 二、思考与分析
1. 萨格奈克效应是什么？
答案：sagnac效应是法国科学家g.sagnac于1913年发现的，它构成了现代光学陀螺—
—激光陀螺和光纤陀螺的理论基础。在一个任意几何形状的闭合光学环路中，从任意一点发
出的沿相反方向传播的两束光波，绕行一周返回到该点时，如果闭合光路在其平面内相对惯
性空间有旋转，则两束光波的相位将发生变化，这称为sagnac效应。
2. 光纤陀螺仪按光路系统的不同分类，分为哪几种？
答案：全光纤陀螺，集成光学光纤陀螺，谐振腔型光纤陀螺。
电子陀螺仪工作原理 内容来源网络，由“深圳机械展（11万㎡，1100多家展商，超10万观众）”收集整理！更多cnc加工中心、车铣磨钻床、线切割、数控刀具工具、工业机器人、非标自动化、数字化无人工厂、精密测量、3D打印、激光切割、钣金冲压折弯、精密零件加工等展示，就在深圳机械展. 电子陀螺仪其实就是机械式陀螺仪的进化，机械式是利用真实的陀螺等机械制作的，而电子是利用芯片来实现陀螺仪的功能，其工作原理类似（电子只不过是模拟出来的而已）。 所有陀螺仪的工作原理是一样的：广泛应用于航海、航空和航天领域，种类很多，其中陀螺罗盘就是代替罗盘的装置。 陀螺仪的原理就是，一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时，是不会改变的。人们根据这个道理，用它来保持方向，制造出来的东西就叫陀螺仪。陀螺仪在工作时要给它一个力，使它快速旋转起来，一般能达到每分钟几十万转，可以工作很长时间。然后用多种方法读取轴所指示的方向，并自动将数据信号传给控制系统。 最基础的陀螺仪的结构：基础的陀螺仪是一种机械装置，其主要部分是一个对旋转轴以极高角速度旋转的转子，转子装在一支架内； 历史： 1850年法国的物理学家莱昂·傅科（J.Foucault）为了研究地球自转，首先发现高速转
动中的转子（rotor），由于惯性作用它的旋转轴永远指向一固定方向，他用希腊字gyro（旋转）和skopein（看）两字合为gyro scopei 一字来命名这种仪表。 陀螺仪是一种既古老而又很有生命力的仪器，从第一台真正实用的陀螺仪器问世以来已有大半个世纪，但直到现也，陀螺仪仍在吸引着人们对它进行研究，这是由于它本身具有的特性所决定的。陀螺仪最主要的基本特性是它的稳定性和进动性。人们从儿童玩的地陀螺中早就发现高速旋转的陀螺可以竖直不倒而保持与地面垂直，这就反映了陀螺的稳定性。研究陀螺仪运动特性的理论是绕定点运动刚体动力学的一个分支，它以物体的惯性为基础，研究旋转物体的动力学特性。 内容来源网络，由“深圳机械展（11万㎡，1100多家展商，超10万观众）”收集整理！更多cnc加工中心、车铣磨钻床、线切割、数控刀具工具、工业机器人、非标自动化、数字化无人工厂、精密测量、3D打印、激光切割、钣金冲压折弯、精密零件加工等展示，就在深圳机械展.
成绩 陀螺仪理论及应用 实验报告 院（系）名称自动化科学与电气工程学院专业名称自动化 学生学号xxxxxxx 学生姓名xxx 指导教师 2015年6月
实验一陀螺仪基本特性试验 一、实验目的 1.用实验的方法观察并验证陀螺仪的基本特性——定轴性，进动性和陀螺力矩效应。 2.学习使用陀螺实验用主要设备——转台。 3.利用线性回归方法进行数据处理。 二、实验设备 1.TZS-74陀螺仪表综合试验转台。 2.双自由度陀螺仪。 3.砝码。 4.实验用电源：交流220V，50~（转台用）36V，400~三相电源。 三、实验内容和步骤 （一）定轴性实验 1.陀螺马达不转时，开动转台，观察陀螺仪是否有定轴性。 2.接通电源，几下陀螺转子的转速方向，开动转台观察转子转动时陀螺仪的定轴性。 （二）进动性实验 1.外加力矩，观察进动现象。根据进动规律判断角动量H的方向，并和上面记下的 转速方向做一比较。 2.测量进动角速度和外加力矩的关系： （1）在加力杆的前后标尺上分别加不同重量的砝码，记录进动的角度与实践，列 表并计算出对应于每一外加力矩的进动角速度值，画出实验曲线。 （2）根据进动规律 x M H ω= （H J =Ω）计算出对应于每一外加力矩的进动角速 度，画出理论曲线。 （3）将实验曲线与理论曲线进行比较并说明产生误差的原因。 （4）用线性回归的方法进行数据处理，并通过求回归系数的方法求出角动量H的值。 3.测量进动角速度和角动量的关系 在同一外力矩作用下，测量陀螺马达在额定转速下和断电一分钟后的进动角速度（断电一分钟后马达转速低于额定转速）。根据实验结果说明进动角速度和角动量的关系。 （三）陀螺力矩实验 1.开动转台，使双自由度陀螺仪基座转动，观察有无陀螺力矩效应，并说明原因。
什么是陀螺仪 陀螺仪简介 绕一个支点高速转动的刚体称为陀螺(top)。通常所说的陀螺是特指对称陀螺，它是一个质量均匀分布的、具有轴对称形状的刚体，其几何对称轴就是它的自转轴。由苍蝇后翅（特化为平衡棒）仿生得来。 在一定的初始条件和一定的外力矩在作用下，陀螺会在不停自转的同时，还绕着另一个固定的转轴不停 地旋转，这就是陀螺的旋进(precession)，又称为回转效应(gyroscopic effect)。陀螺旋进是日常生活中常 见的现象，许多人小时候都玩过的陀螺就是一例。 人们利用陀螺的力学性质所制成的各种功能的陀螺装置称为陀螺仪(gyroscope)，它在科学、技术、军事等各个领域有着广泛的应用。比如：回转罗盘、定向指示仪、炮弹的翻转、陀螺的章动、地球在太阳（月球）引力矩作用下的旋进（岁差）等。 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。 陀螺仪原理 陀螺仪的原理就是，一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时，是不会改变的。人们根据这 个道理，用它来保持方向，制造出来的东西就叫陀螺仪。我们骑自行车其实也是利用了这个原理。轮子转 得越快越不容易倒，因为车轴有一股保持水平的力量。陀螺仪在工作时要给它一个力，使它快速旋转起来，一般能达到每分钟几十万转，可以工作很长时间。然后用多种方法读取轴所指示的方向，并自动将数据信 号传给控制系统。 现代陀螺仪 现代陀螺仪是一种能够精确地确定运动物体的方位的仪器，它是现代航空，航海，航天和国防工业中广 泛使用的一种惯性导航仪器，它的发展对一个国家的工业，国防和其它高科技的发展具有十分重要的战略 意义。传统的惯性陀螺仪主要是指机械式的陀螺仪，机械式的陀螺仪对工艺结构的要求很高，结构复杂， 它的精度受到了很多方面的制约。自从上个世纪七十年代以来，现代陀螺仪的发展已经进入了一个全新的 阶段。1976年等提出了现代光纤陀螺仪的基本设想，到八十年代以后，现代光纤陀螺仪就得到了非常迅 速的发展，与此同时激光谐振陀螺仪也有了很大的发展。由于光纤陀螺仪具有结构紧凑，灵敏度高，工作 可靠等等优点，所以目前光纤陀螺仪在很多的领域已经完全取代了机械式的传统的陀螺仪，成为现代导航 仪器中的关键部件。和光纤陀螺仪同时发展的除了环式激光陀螺仪外，还有现代集成式的振动陀螺仪，集 成式的振动陀螺仪具有更高的集成度，体积更小，也是现代陀螺仪的一个重要的发展方向。 现代光纤陀螺仪包括干涉式陀螺仪和谐振式陀螺仪两种，它们都是根据塞格尼克的理论发展起来的。塞 格尼克理论的要点是这样的：当光束在一个环形的通道中前进时，如果环形通道本身具有一个转动速度， 那么光线沿着通道转动的方向前进所需要的时间要比沿着这个通道转动相反的方向前进所需要的时间要多。也就是说当光学环路转动时，在不同的前进方向上，光学环路的光程相对于环路在静止时的光程都会产生 变化。利用这种光程的变化，如果使不同方向上前进的光之间产生干涉来测量环路的转动速度，就可以制 造出干涉式光纤陀螺仪，如果利用这种环路光程的变化来实现在环路中不断循环的光之间的干涉，也就是 通过调整光纤环路的光的谐振频率进而测量环路的转动速度，就可以制造出谐振式的光纤陀螺仪。从这个 简单的介绍可以看出，干涉式陀螺仪在实现干涉时的光程差小，所以它所要求的光源可以有较大的频谱宽度，而谐振式的陀螺仪在实现干涉时，它的光程差较大，所以它所要求的光源必须有很好的单色性。 编辑本段陀螺仪的用途 陀螺仪是一种既古老而又很有生命力的仪器，从第一台真正实用的陀螺仪器问世以来已有大半个世纪， 但直到现也，陀螺仪仍在吸引着人们对它进行研究，这是由于它本身具有的特性所决定的。陀螺仪最主要 的基本特性是它的稳定性和进动性。人们从儿童玩的地陀螺中早就发现高速旋转的陀螺可以竖直不倒而保
测试用题，请勿“题字”。用后收回。谢谢！ 一、 （20分）以下每题各有四个答案，选择正确的答案，每题5分。 (1) 设自由陀螺的角动量为H ，已知进动角速度ω，陀螺力矩为M ，下列表示三者 之间关系的表达式正确的是（ ） （A ）H M ω=? ；（B ）M H ω=?； （C ）H M ω=? ；（D ）M H ω=? (2) 采用伺服跟踪法进行单自由度陀螺测漂，转台轴沿当地垂线方向，地球自转角速度 15/ie h ω=?，当地纬度为30?，测得转台转速为4 3.0210 -?转/分，则陀螺漂移速 度约为（传动比是1∶1）（ ） （A ）0.067 /h ；（B ）0.55/h ；（C ）1.57/h ；（D ）（A ）、(B)、(C)均错； (3) 干涉式光纤陀螺光纤长1500m ，成环半径4c m ，光纤环法向角速度 1.5/h Ω=?，光波长为1580nm 。则由Sagnac 效应引起的相位差近似为（ ） （A ）4 7.9510-?（） ；（B ）0.114（）；（C ）4 3.1410-?（）；（D ）(A)、(B)、(C) 均错； (4) 动量矩定理的向量表达式为（ ） （A ） n b nb d R d R R dt dt ω=+? ；（B ） b ib d H M H dt ω=?+ ；（C ） b n nb d R d R R dt dt ω=+?；（D ）i o o d H M dt = 二、（10分）说明运动地理坐标系相对惯性空间旋转的原因，给出该旋转角速度在地理 坐标系上的分量。 三、（20分）已知坐标系b b b ox y z （b 系）与n n n ox y z （n 系）初始时重合，b 系是 n 系以转动顺序x y z →→，转角分别为α、β 、γ得到的。试：（1）求方向余 弦矩阵n I C ，b n C 和n b C ；（2）写出b 系相对n 系的瞬时角速度在b 系上的投影表达式；（3）若向量ω在b 系中的表示为T b x y z ω ωωω??=?? ，求该向量在I I I ox y z 中 的表示I ω和n n n ox y z 中的表示n ω。 五、（10分）写出单自由度陀螺的技术方程，画出其传递函数方框图；求出当初始条件为零、输入角速度1()()t t ω δ=+时积分陀螺的响应。 六、（20分）已知二自由度陀螺技术方程为x x Y Y J H M J H M βααβ?+=?-=?，且x Y J J <。试证 明当陀螺仅受到沿内环轴幅值为 A 的脉冲力矩作用时，陀螺瞬态响应曲线（βα-曲 线）为椭圆，并给出椭圆中心坐标及长短半径；求出当() 1() x Y M t M t δ=??=? 时的响应 )(),(t t βα。 （初始条件为零）。
【悠牛仪器仪表网】陀螺仪传感器是一个简单易用的基于自由空间移动和手势的定位和控制系统。用来感测和维持方向的装置，它是航空、航海及太空导航系统中判断方位的主要依据，并且在汽车安全，航模，望远镜等领域广泛应用。 主要检测空间某些相位的倾角变化、位置变化，主要用于空间物理领域，特别在航空、航海方面有较多的用途，如：飞机上的陀螺仪，当飞机在做360°翻转的时候，陀螺仪将会保持原始的基准状态不变，从而让驾驶员找到本飞机在空间状态的相位变化，也就是：当时飞机处在什么相位。 陀螺仪传感器原理 一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时，是不会改变的。人们根据这个道理，用它来保持方向，制造出来的东西就叫陀螺仪。我们骑自行车其实也是利用了这个原理。轮子转得越快越不容易倒，因为车轴有一股保持水平的力量。陀螺仪在工作时要给它一个力，使它快速旋转起来，一般能达到每分钟几十万转，可以工作很长时间。 然后用多种方法读取轴所指示的方向，并自动将数据信号传给控制系统。陀螺仪传感器应用领域以及发展方向现代陀螺仪是一种能够精确地确定运动物体的方位的仪器，它是现代航空，航海，航天和国防工业中广泛使用的一种惯性导航仪器，它的发展对一个国家的工业，国防和其它高科技的发展具有十分重要的战略意义。 传统的惯性陀螺仪主要是指机械式的陀螺仪，机械式的陀螺仪对工艺结构的要求很高，结构复杂，它的精度受到了很多方面的制约。自从上个世纪七十年代以来，现代陀螺仪的发展已经进入了一个全新的阶段。1976年等提出了现代光纤陀螺仪的基本设想，到八十年代以后，现代光纤陀螺仪就得到了非常迅速的发展，与此同时激光谐振陀螺仪也有了很大的发展。 由于光纤陀螺仪具有结构紧凑，灵敏度高，工作可靠等等优点，所以目前光纤陀螺仪在很多的领域已经完全取代了机械式的传统的陀螺仪，成为现代导航仪器中的关键部件。 和光纤陀螺仪同时发展的除了环式激光陀螺仪外，还有现代集成式的振动陀螺仪，集成式的振动陀螺仪具有更高的集成度，体积更小，也是现代陀螺仪的一个重要的发展方向。 陀螺仪传感器分类 根据框架的数目和支承的形式以及附件的性质决定陀螺仪的类型有： 二自由度陀螺仪(只有一个框架，使转子自转轴具有一个转动自由度)。 根据二自由度陀螺仪中所使用的反作用力矩的性质，可以把这种陀螺仪分成三种类型： 积分陀螺仪(它使用的反作用力矩是阻尼力矩);速率陀螺仪(它使用的反作力矩是弹性力矩); 无约束陀螺(它仅有惯性反作用力矩); 现在，除了机、电框架式陀螺仪以外，还出现了某些新型陀螺仪，如静电式自由转子陀螺仪，挠性陀螺仪，激光陀螺仪等。 三自由度陀螺仪(具有内、外两个框架，使转子自转轴具有两个转动自由度。在没有任何力矩装置时，它就是一个自由陀螺仪)。 直流电流传感器 https://www.doczj.com/doc/9215478341.html,/subject/zhiliudianliuchuanganqi.html
导航原理实验报告 院系： 班级： 学号： 姓名： 成绩： 指导教师签字： 批改日期：年月日 哈尔滨工业大学航天学院 控制科学实验室
实验1 二自由度陀螺仪基本特性验证实验 一、实验目的 1．了解机械陀螺仪的结构特点； 2．对比验证没有通电和通电后的二自由度陀螺仪基本特性表观； 3．深化课堂讲授的有关二自由度陀螺仪基本特性的内容。 二、思考与分析 1． 定轴性 （1） 设陀螺仪的动量矩为H ，作用在陀螺仪上的干扰力矩为M d ，陀螺仪漂移角 速度为ωd ，写出关系式说明动量矩H 越大，陀螺漂移越小，陀螺仪的定轴性(即稳定性)越高. 答案： d d H M ω=? /sin d d H M θω = 干扰力矩M d 一定时，动量矩H 越大，陀螺仪漂移角速度为ωd 越小，陀螺漂移越小， 陀螺仪的定轴性(即稳定性)越高. （2） 在陀螺仪原理及其机电结构方而简要蜕明如何提高H 的量值? 答案：H J =Ω 由公式2A J dm r = ???可知 提高H 的量值有四种途径： 1. 陀螺转子采用密度大的材料,其质量提高了，转动惯量也就提高了。 2. 改变质量分布特性。在质量相同的情况下，若质量分布的半径距质 心越远，H 越大。因此将陀螺转子的有效质量外移，如动力谐陀螺将转子设计成环状。即在陀螺电机定子环中，可做成质量集中分布在环外边缘的环形结构，切边缘部分材质密度大，可提高转动惯量。 3. 增大r,可有效提高转动惯量。 4. 另外可通过采用外转子电机来改变电机质量分布，增大r 。改变电机定转子结构：采用外转子，内定子结构的转子电机。
4. 增加陀螺转子的旋转速度。 2/602(1)/n s f p ωππ==- ，60(1)/n f s p =- 提高电压周波频率 f ↑——〉n ↑——H ↑ f=400Hz 适当减少极对数 ，如取p=1 适当减少转差率s ，可通过减少转子支承轴承摩擦来实现 2．进动性 (1) 在外框架施加一沿x 轴正方向作用力矩时，画出动量矩H 的进动方 向及矢量M ，ω，H 的关系坐标图。(设定H 沿Z 轴正方向)并在坐标中标出陀螺仪自转轴的旋转方向n 。 b) 在内框架施加一沿Y 轴正方向作用力矩时，画出动量矩H 的进动方向及 矢量M ，ω,H 的关系坐标图。(设定H 沿Z 轴正方向)并在坐标中标出陀螺仪自转轴的旋转方向n 。
陀螺仪是用来测量角速率的器件，在加速度功能基础上，可以进一步发展，构建陀螺仪。 陀螺仪的内部原理是这样的：对固定指施加电压，并交替改变电压，让一个质量块做振荡式来回运动，当旋转时，会产生科里奥利加速度，此时就可以对其进行测量；这有点类似于加速度计，解码方法大致相同，都会用到放大器。 角速率由科氏加速度测量结果决定 - 科氏加速度 = 2 × (w ×质量块速度) - w是施加的角速率(w = 2 πf) 通过14 kHz共振结构施加的速度（周期性运动）快速耦合到加速度计框架 - 科氏加速度与谐振器具有相同的频率和相位，因此可以抵消低速外部振动 该机械系统的结构与加速度计相似（微加工多晶硅） 信号调理（电压转换偏移）采用与加速度计类似的技术 施加变化的电压来回移动器件，此时器件只有水平运动没有垂直运动。如果施加旋转，可以看到器件会上下移动，外部指将感知该运动，从而就能拾取到与旋转相关的信号。
上面的动画，只是抽象展示了陀螺仪的工作原理，而真实的陀螺仪内部构造是下面这个样子。
PS：陀螺仪可以三个一起设计，分别对应于所谓滚动、俯仰和偏航。 任何了解航空器的人都知道，俯仰是指航空器的上下方向，偏航是指左右方向，滚动是指向左或向右翻滚。要正确控制任何类型的航空器或导弹，都需要知道这三个参数，这就会用到陀螺仪。它们还常常用于汽车导航，当汽车进入隧道而失去GPS信号时，这些器件会记录您的行踪。 无人机在飞行作业时，获取的无人机影像通常会携带配套的POS数据。从而在处理中可以更加方便的处理影像。而POS数据主要包括GPS数据和
IMU数据，即倾斜摄影测量中的外方位元素：（纬度、经度、高程、航向角（Phi）、俯仰角（Omega）及翻滚角（Kappa））。 GPS数据一般用X、Y、Z表示，代表了飞机在飞行中曝光点时刻的地理位置。 飞控是由主控MCU和惯性测量模块（IMU，Inertial Measurement Unit）组成。IMU提供飞行器在空间姿态的传感器原始数据，一般由陀螺仪传感器/加速度传感器/电子罗盘提供飞行器9DOF数据。 IMU中的传感器用来感知飞行器在空中的姿态和运动状态，这有个专有名词叫做运动感测追踪，英文Motion Tracking。运动感测技术主要有四种基础运动传感器，下面分别说明其进行运动感测追踪的原理。 微机电系统（MEMS） IMU中使用的传感器基本上都是微机电系统（MEMS），是半导体工业中非常重要的一个分支。 微机电系统（MEMS, Micro-Electro-Mechanical System）是一种先进的制造技术平台。微机电系统是微米大小的机械系统，是以半导体制造技术为基础发展起来的。 我们的四轴飞行器上用到的加速度陀螺仪MPU6050，电子罗盘 HMC5883L都是微机电系统，属于传感MEMS分支。传感MEMS技术是指用微电子微机械加工出来的、用敏感元件如电容、压电、压阻、热电耦、谐振、隧道电流等来感受转换电信号的器件和系统。 加速器（G-sensors） 加速器可用来感测线性加速度与倾斜角度，单一或多轴加速器可感应结合线性与重力加速度的幅度与方向。含加速器的产品，可提供有限的运动感测功能。 加速度计的低频特性好，可以测量低速的静态加速度。在我们的飞行器上，就是对重力加速度g（也就是前面说的静态加速度）的测量和分析，其它瞬间加速度可以忽略。记住这一点对姿态解算融合理解非常重要。 当我们把加速度计拿在手上随意转动时，我们看的是重力加速度在三个轴上的分量值。加速度计在自由落体时，其输出为0。为什么会这样呢？这里涉及到加速度计的设计原理：加速度计测量加速度是通过比力来测量，而不是通过加速度。
惯性导航实验报告 ——陀螺运动特性的研究 实验小组：111711班第四小组 学号：11171016-11171020 依次对应学号：王瑞捷廖旭博周林高硕赵大年指导老师：
惯导实验——陀螺特性的研究 一、实验目的 1、通过四个不同的小实验了解陀螺仪的运动特性 2、了解什么是陀螺的进动性 3、了解什么是陀螺的定轴性 4、了解什么是陀螺的陀螺力矩 二、实验内容 1、实验一 将高速旋转的陀螺转子放在插座上，观察并记录现象和分析原因。 2、实验二 将高速旋转的陀螺转子竖放在转盘上，观察并记录现象和分析原因。 3、实验三 将高速旋转的陀螺转子放在倾斜导轨上使之下滑，观察并记录现象和分析原因。 4、实验四 将高速旋转的陀螺系统放在插座上，分开内外轨使之相互垂直，再分别转动内外轨，观察并记录现象和分析原因。 三、实验记录及原理说明 实验一 1、看到的现象，体现了什么特性？ 现象:可以看见陀螺转子呈锥形左右缓慢转动。 特性:体现了陀螺的进动性。 2、陀螺转速降低后，观察到的现象及原因？ 现象：当陀螺的转速逐渐减慢时，锥形的角度开始变大，且其进动角速度变大。 原因：由于陀螺受到摩擦力的作用，其转速会逐渐降低，即陀螺的角动量H变小，而外力矩不变。由M=ω×H······M=ω*H*sin 可知,此时陀螺的进动角速度ω会变大，锥形角度也变大。 3、手提陀螺转子的感受及原因分析？ 感受：当我们想把高速旋转的陀螺放到转动插座上时，手明显能感受到陀螺的“力”反作用于我们的手。 原因：这是因为高速旋转的陀螺在受到外力矩的时候，陀螺进动，此时陀螺存在一个反作用力矩（即陀螺力矩），其大小与外力矩相等，方向与之相反，并作用于给陀螺仪施加外力矩的物体上，即我们的手。 实验二 1、转盘与转子的转动方向是否一致？原因？ 答：可以看见陀螺转子与转盘一起转动，方向一致。 原因:转盘与转子转动方向一致表现了高速旋转的陀螺有很好的定轴性。另外，在第一段实验中我们说明了陀螺具有陀螺力矩，本实验中竖直放在转盘上的转子与转盘之间存在微小摩擦力，转盘对转子有一个摩擦力矩，因此转子对转盘有一个大小相等方向相反的陀螺力矩。在这个力矩作用下，转盘随着转子有相同的转动方向。（以上是对书本学习后的想法，网上
最全的陀螺仪基础知识详解 陀螺仪，又叫角速度传感器，是用高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或二个轴的角运动检测装置，同时，利用其他原理制成的角运动检测装置起同样功能的装置也称陀螺仪。 一、陀螺仪的名字由来 陀螺仪名字的来源具有悠久的历史。据考证，1850年法国的物理学家莱昂·傅科（J.Foucault）为了研究地球自转，首先发现高速转动中地的转子（rotor），由于它具有惯性，它的旋转轴永远指向一固定方向，因此傅科用希腊字gyro（旋转）和skopein（看）两字合为“gyroscopei”一字来命名该仪器仪表。 最早的陀螺仪的简易制作方式如下：即将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。 其中，中间金色的转子即为陀螺，它因为惯性作用是不会受到影响的，周边的三个“钢圈”则会因为设备的改变姿态而跟着改变，通过这样来检测设备当前的状态，而这三个“钢圈”所在的轴，也就是三轴陀螺仪里面的“三轴”，即X轴、y轴、Z轴，三个轴围成的立体空间联合检测各种动作，然后用多种方法读取轴所指示的方向，并自动将数据信号传给控制系统。因此一开始，陀螺仪的最主要的作用在于可以测量角速度。 二、陀螺仪的基本组成 当前，从力学的观点近似的分析陀螺的运动时，可以把它看成是一个刚体，刚体上有一个万向支点，而陀螺可以绕着这个支点作三个自由度的转动，所以陀螺的运动是属于刚体绕一个定点的转动运动，更确切地说，一个绕对称轴高速旋转的飞轮转子叫陀螺。将陀螺安装在框架装置上，使陀螺的自转轴有角转动的自由度，这种装置的总体叫做陀螺仪。 陀螺仪的基本部件有：陀螺转子（常采用同步电机、磁滞电机、三相交流电机等拖动方法来使陀螺转子绕自转轴高速旋转，并见其转速近似为常值）；内、外框架（或称内、外环，它是使陀螺自转轴获得所需角转动自由度的结构）；附件（是指力矩马达、信号传感器等）。 三、陀螺仪的工作原理 陀螺仪侦测的是角速度。其工作原理基于科里奥利力的原理：当一个物体在坐标系中直线移动时，假设坐标系做一个旋转，那么在旋转的过程中，物体会感受到一个垂直的力和垂直方向的加速度。 台风的形成就是基于这个原理，地球转动带动大气转动，如果大气转动时受到一个切向力，便容易形成台风，而北半球和南半球台风转动的方向是不一样的。用一个形象的比喻解释了科里奥利力的原理。
三维轨迹仪的实验报告 实验目的：１确定光纤陀螺仪的工作原理； ２熟悉掌握三维轨迹仪实验的操作步骤； ３练习数据处理软件的应用； ４学会绘制三维轨迹图． 实验仪器：光纤陀螺仪，绳子，管道，计算机，数据处理软件，秒表 实验： 一光纤陀螺仪简介 按照最初的定义, 陀螺仪是一个高速旋转的质量。按照牛顿定律, 只要没有外力矩作用于这惯性质量上, 它的角动量矩在惯性空间是恒定的, 因此, 陀螺仪通过自身的惯性能有效地保持初始的姿态,这样在不需要借助外部参照物的情况下均可以测量飞行器的实际角位置和角速率。这种自主式测量角度和角速率就形成了今天的陀螺仪定义的基础。陀螺仪可以如此定义—它是一种这样的装置, 即使采用与角动量守恒定律完全不同的物理原理, 也能自主地测量出相对惯性空间的旋转运动。由于陀螺仪的自动测量和对外界干扰的不敏感性, 不管它是在飞行控制中, 还是在导航中都是极为重要的技术问题.
光纤陀螺仪(FOG)是一种基于Sagnac 效应实现载体相对于惯性空间角速度测量光纤传感器件。最早由美国学者V.Vali 和R.W.Shorthill 于1976 年提出，近几十年来，随着光纤通信技术和光纤传感技术的迅猛发展，光纤陀螺技术得到了快速进步，已成为惯性技术研究领域的主流陀螺，在军事、航海、空间技术和民用等领域都有较高的应用价值。与传统陀螺仪相比，光纤陀螺仪具有许多优点: 无旋转部件, 耐冲击, 使用寿命长; 结构简单, 重量轻, 外形尺寸小; 消耗功率小; 动态量程大等。因此, 它可以应用于更广阔的领域。 二分类与原理 光纤陀螺仪按照不同的分类标准,有不同的分类结果。按结构可分为单轴和多轴光纤陀螺,光纤陀螺的多轴化正是其发展方向之一。按其回路类型可分为开环光纤陀螺和闭环光纤陀螺两类,开环光纤陀螺不带反馈,直接检测光输出,省去许多复杂的光学和电路结构,具有 结构简单、价格便宜、可靠性高、消耗功率低等优点,缺点是靠增加单模光纤的长度来提高陀螺的灵敏度,输入-输出线性度差、动态范围小,主要用作角度传感器。闭环光纤陀螺包含闭环环节,大大降低光源漂移的影响,扩大了光纤陀螺的动态范围,对光源强度变化和元件增益变化不敏感,陀螺漂移非常小,输出线性度和稳定性只与相位变换器有关,主要应用于中等精度的惯导系统,对光纤陀螺的小型化和稳定性有重要作用,是高精度光纤陀螺研究的主要趋势。 根据陀螺仪的使用情况, 以各种不同的精度要求给陀螺仪装置定等级(陀螺仪的精度可以通过陀螺仪轴相对于初始方向的漂移误差
陀螺仪工作原理与应用（陀螺经纬仪Jyro Station） 来源：译自日本《测量》06年8月号作者：日本测量仪器工业会更新日期：2006-9-22 阅读次数：3235 为了求得测量的基准方位和日照时间的方位，必须使用磁针罗盘仪进行天体观测。然而，磁针罗盘仪的精度有限，在天体观测中还要受到确保通视、天气、场所和时间等观测条件的影响。为了解决这些问题，可采用利用了力学原理求得真北的陀螺经纬仪。陀螺经纬仪在隧道测量以及由于不能和已知点通视而无法确定方位、方向角的情况下都能发挥很大的作用。 （图1：陀螺工作站） 1、陀螺工作站的原理 高速旋转的物体的旋转轴，对于改变其方向的外力作用有趋向于铅直方向的倾向。而且，旋转物体在横向倾斜时，重力会向增加倾斜的方向作用，而轴则向垂直方向运动，就产生了摇头的
运动（岁差运动）。当陀螺经纬仪的陀螺旋转轴以水平轴旋转时，由于地球的旋转而受到铅直方向旋转力，陀螺的旋转体向水平面内的子午线方向产生岁差运动。当轴平行于子午线而静止 时可加以应用。 2、陀螺工作站的构造 （图4：陀螺经纬仪的构造 0点调整螺丝，吊线，照明灯，陀螺转子、指针、供电用馈线、反 射镜、陀螺马达、刻度线、目镜）。
陀螺经纬仪的陀螺装置由陀螺部分和电源部分组成。此陀螺装置与全站仪结合而成。陀螺本体在装置内用丝线吊起使旋转轴处于水平。当陀螺旋转时，由于地球的自转，旋转轴在水平面内以真北为中心产生缓慢的岁差运动。旋转轴的方向由装置外的目镜可以进行观测，陀螺指针的振动中心方向指向真北。利用陀螺经纬仪的真北测定方法有“追尾测定”和“时间测定”等。 追尾测定[反转法] 利用全站仪的水平微动螺丝对陀螺经纬仪显示岁差运动的刻度盘进行追尾。在震动方向反转的点上（此时运动停止）读取水平角。如此继续测定之，求得其平均震动的中心角。用此方法进行20分钟的观测可以求得+/-0。5分的真北方向。 时间测定[通过法] 用追尾测定观测真北方向后，陀螺经纬仪指向了真北方向，其指针由于岁差运动而左右摆动。用全站仪的水平微动螺丝对指针的摆动进行追尾，当指针通过0点时反复记录水平角，可以提高时间测定的精度，并以+/-20秒的精度求得真北方向。 （图2：摇头运动） （图3：向子午线的岁差运动）
陀螺仪 科技名词定义 中文名称：陀螺仪 英文名称：gyroscope 定义：利用高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或二个轴的角运动检测装置。利用其他原理制成的角运动检测装置起同样功能的也称陀螺仪。 应用学科：船舶工程（一级学科）；船舶通信导航（二级学科） 本内容由全国科学技术名词审定委员会审定公布 陀螺仪 用高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或二个轴的角运动检测装置。利用其他原理制成的角运动检测装置起同样功能的也称陀螺仪。 目录
编辑本段
陀螺仪 结构 基本上陀螺仪是一种机械装置，其主要部分是一个对旋转轴以极高角速度旋转的转子，转子装在一支架内；在通过转子中心轴XX1上加一内环架，那么 陀螺仪就可环绕飞机两轴作自由运动；然后，在内环架外加上一外环架；这个陀螺仪有两个平衡环，可以环绕飞机三轴作自由运动，就是一个完整的太空陀螺仪(space gyro)。 历史 1850年法国的物理学家莱昂·傅科（J.Foucault）为了研究地球自转，首先发现高速转动中的转子（rotor），由于惯性作用它的旋转轴永远指向一固定方向，他用希腊字 gyro（旋转）和skopein（看）两字合为gyro scopei 一字来命名这种仪表。 陀螺仪是一种既古老而又很有生命力的仪器，从第一台真正实用的陀螺仪器问世以来已有大半个世纪，但直到现也，陀螺仪仍在吸引着人们对它进行研究，这是由于它本身具有的特性所决定的。陀螺仪最主要的基本特性是它的稳定性和进动性。人们从儿童玩的地陀螺中早就发现高速旋转的陀螺可以竖直不倒而保持与地面垂直，这就反映了陀螺的稳定性。研究陀螺仪运动特性的理论是绕定点运动刚体动力学的一个分支，它以物体的惯性为基础，研究旋转物体的动力学特性。 编辑本段陀螺仪原理 陀螺仪的原理就是，一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时，是不会改变的。人们根据这个道理，用它来保持方向，制造出来的东西就叫陀螺仪。陀螺仪在工作时要给它一个力，使它快速旋转起来，一般能达到每分钟几十万转，可以工作很长时间。然后用多种方法读取轴所指示的方向，并自动将数据信号传给控制系统。 在现实生活中，陀螺仪发生的进给运动是在重力力矩的作用下发生的。
陀螺仪介绍2013-1-28
?陀螺仪发展及应用情况 ?MEMS陀螺仪基本原理 ?陀螺仪与加速度传感器、电子罗盘的 对比以及九轴概念 ?测试讨论 2013-1-28
?陀螺仪发展及应用情况 ?MEMS陀螺仪基本原理 ?陀螺仪与加速度传感器、电子罗盘的 对比以及九轴概念 ?测试讨论 2013-1-28
2013-1-28 1850年法国的物理学家莱昂·傅科（J.Foucault ）为了研究地球自转，首先发现高速转动中的转子 （rotor ），由于惯性作用它的旋转轴永远指向一固定方向，他用希腊字 gyro （旋转）和skopein （看）两字合为gyro scopei 一字来命名这种仪表。
?最初的陀螺仪主要用于航海，起稳定船体的作用，此时主要是二维陀螺仪； ?后在航空、航天领域开始广泛的应用。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。在这些应用中都是三维陀螺仪； ?另外，在军事领域，陀螺仪也发挥着重要作用，例如炮弹的旋转、导弹的惯性导航系统，以提高击中－杀伤比 ?最开始用于航海、航空、航天的陀螺仪都是机械式的，到了现代，主要可以分为压电陀螺仪、微机械陀螺仪、光纤陀螺仪、激 光陀螺仪，现代陀螺仪在结构上已不具备“陀螺”，只是在功能上 与传统的机械陀螺仪同样罢了 2013-1-28
2013-1-28 现在广泛使用的MEMS （微机械）陀螺可应用于航空、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、更高可靠性，内部无转动部件，全固
《汽车平顺性和操作稳定性》实验报告 学院（系）汽车学院 专业车辆工程（汽车） 学生姓名同小车学号 000001 同济大学汽车学院实验室 2014年11月 1.转向轻便性实验
实验目的 驾驶员通过操纵方向盘来控制汽车的行驶方向，操纵方向盘过重，会增加驾驶员的劳动强度，驾驶员容易疲劳；操纵方向盘过轻，驾驶员会失去路感，难以控制汽车的形式方向。操纵方向盘的轻重，是评价汽车操纵稳定性的基本条件之一。转向轻便性实验的目的在于通过测量驾驶员操纵方向盘力的大小，与其他实验仪器评价汽车操纵稳定性的好处。 实验仪器设备 实验条件 试验车：依维柯 实验场地与环境 于圆形试车场，实验时按照桩桶圈出的双扭线，以10Km/h的车速行驶。双扭线的极坐标方程见下，形状如下图 实验当天天气晴好，无风，气温20度 在ψ=0时，双扭线顶点处的曲率半径最小，相应数值为Rmin=1/3d，双扭线的最小曲率半径应按照实验汽车的最小转弯半径乘以1,1倍，并圆整到比此乘积大的一个整数来确定。 试验中记录转向盘转交及转向盘转矩，并按双扭线路经过每一周整理出转向盘转矩转向盘转矩曲线。通常以转向盘最大转矩，转向盘最大作用力以及转向盘作用功等来评价转向轻便性。 转向轻便型实验数据记录
方向盘转角-转矩曲线 2. 蛇形试验 实验目的 本项试验是包括车辆-驾驶员-环境在内的闭路试验的一种，用来综合评价汽车行驶的稳定性及乘坐的舒适性，与其他操纵试验项目一起，共同评价汽车的操纵稳定性。也可以用来考核汽车在接近侧滑或侧翻工况下的操纵性能，在若干汽车操纵稳定性对比试验时，作为主观评价的一种感性试验。 实验原理 将试验车辆以不同车速行驶于规定的蛇形试验中，通过实验仪器可以得到行驶时的车速，方向盘转角，横摆角速度，车身侧倾角。 试验方法遵照GB/T 6323.1-94汽车操纵稳定性试验方法 蛇形试验
陀螺仪的工作原理 陀螺仪的原理 一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时，是不会改变的。人们根据这个道理，用它来保持方向，制造出来的东西就叫陀螺仪。我们骑自行车其实也是利用了这个原理。轮子转得越快越不容易倒，因为车轴有一股保持水平的力量。陀螺仪在工作时要给它一个力，使它快速旋转起来，一般能达到每分钟几十万转，可以工作很长时间。然后用多种方法读取轴所指示的方向，并自动将数据信号传给控制系统。 现代陀螺仪 一种能够精确地确定运动物体的方位的仪器，它是现代航空，航海，航天和国防工业中广泛使用的一种惯性导航仪器，它的发展对一个国家的工业，国防和其它高科技的发展具有十分重要的战略意义。传统的惯性陀螺仪主要是指机械式的陀螺仪，机械式的陀螺仪对工艺结构的要求很高，结构复杂，它的精度受到了很多方面的制约。自从上个世纪七十年代以来，现代陀螺仪的发展已经进入了一个全新的阶段。1976年等提出了现代光纤陀螺仪的基本设想，到八十年代以后，现代光纤陀螺仪就得到了非常迅速的发展，与此同时激光谐振陀螺仪也有了很大的发展。由于光纤陀螺仪具有结构紧凑，灵敏度高，工作可靠等等优点，所以目前光纤陀螺仪在很多的领域已经完全取代了机械式的传统的陀螺仪，成为现代导航仪器中的关键部件。和光纤陀螺仪同时发展的除了环式激光陀螺仪外，还有现代集成式的振动陀螺仪，集成式的振动陀螺仪具有更高的集成度，体积更小，也是现代陀螺仪的一个重要的发展方向。 现代光纤陀螺仪 包括干涉式陀螺仪和谐振式陀螺仪两种，它们都是根据塞格尼克的理论发展起来的。塞格尼克理论的要点是这样的：当光束在一个环形的通道中前进时，如果环形通道本身具有一个转动速度，那么光线沿着通道转动的方向前进所需要的时间要比沿着这个通道转动相反的方向前进所需要的时间要多。也就是说当光学环路转动时，在不同的前进方向上，光学环路的光程相对于环路在静止时的光程都会产生变化。利用这种光程的变化，如果使不同方向上前进的光之间产生干涉来测量环路的转动速度，这样就可以制造出干涉式光纤陀螺仪，如果利用这种环路光程的变化来实现在环路中不断循环的光之间的干涉，也就是通过调整光纤环路的光的谐振频率进而测量环路的转动速度，就可以制造出谐振式的光纤陀螺仪。从这个简单的介绍可以看出，干涉式陀螺仪在实现干涉时的光程差小，所以它所要求的光源可以有较大的频谱宽度，而谐振式的陀螺仪在实现干涉时，它的光程差较大，所以它所要求的光源必须有很好的单色性。 陀螺仪工作原理与应用（陀螺经纬仪Jyro Station） 来源：译自日本《测量》06年8月号作者：日本测量仪器工业会更新日期：2006-9-22 阅读次数：6183
《导航技术基础》实验报告 学号： 姓名： 南京理工大学自动化学院
目录 实验一全球定位系统（GPS）实验 (2) 实验二陀螺仪原理实验 (4) 实验三 HMR3300传感器实验........................... (7) 实验四C100航向传感器实验... ... ... . (9)
实验一全球定位系统（GPS）实验 一. 实验目的 1、熟悉GPS的结构和工作原理； 2、熟悉GPS信号串口传输技术； 3、掌握GRMIN公司GPS25LP OEM板实验系统。 二. 设备清单 (1) GPS25LP OEM板1套 (2) 开关电源 1个 (3) 五金工具 1套 (4) 万用表 1只 (5) 《GRMIN公司GPS25LP OEM板技术资料》 1本 *上课期间，实验设备由组长保管，上课期间遗失或损坏的器件须按原价赔偿。 三、课堂要求 (1) 课前认真预习，精心准备； (2) 在不损坏器件或愿意赔偿的情况下自由使用器件； (3) 不同小组的器件不要混用； (4) 课后整理桌面； (5) 不在课堂做任何与学习无关的事； (6) 课后认真填写实验报告。 四、注意事项 (1) 轻拿轻放加GPS实验系统，防止摔落地面； (2) 避免直接接触GPS实验系统电路板； (3) 禁止带电插拔； (4) 常见问题的处理，参见技术手册。 五、实验内容与步骤 1、GPS实验系统电路连接 (1) 将GPS天线接入电路板；
(2) 检查电路连接是否正确； (3) 将GPS天线放至窗外； (4) 接通外接开关电源； (5) 记录所在位置的经纬度、高度、星数。 六、实验报告内容 1、记录从GPS接收到数据 2、数据分析 当前时间：3时23分40秒 实验室经度：11851.4462E 实验室纬度：3201.6107N 卫星编号：12 21 31 卫星数量：3 其他信息： GPS状态：正在估算；水平精确度：4.2；海拔高度：87.3米；大地水准面高度：2.3；GPGGA校验和是43； 定位模式：手动自动2D/3D；定位类型：2D定位；HDOP水平精度因子：4.2；VDOP垂直精度因子：4.2；
一文读懂三轴陀螺仪工作原理和应用 Iphone 4手机采用了意法半导体的MEMS（微电机系统）陀螺仪芯片，芯片内部包含有一块微型磁性体，可以在手机进行旋转运动时产生的科里奥力作用下向X，Y，Z三个方向发生位移，利用这个原理便可以测出手机的运动方向。而芯片核心中的另外一部分则可以将有关的传感 一、三轴陀螺仪工作原理三轴陀螺仪：同时测定6个方向的位置，移动轨迹，加速。单轴的只能测量一个方向的量，也就是一个系统需要三个陀螺仪，而3轴的一个就能替代三个单轴的。3轴的体积小、重量轻、结构简单、可靠性好，是激光陀螺的发展趋势。 在最新款的iPhone 4手机中内置三轴陀螺仪，它可以与加速器和指南针一起工作，可以实现6轴方向感应，三轴陀螺仪更多的用途会体现在GPS和游戏效果上。一般来说，使用三轴陀螺仪后，导航软件就可以加入精准的速度显示，对于现有的GPS导航来说是个强大的冲击，同时游戏方面的重力感应特性更加强悍和直观，游戏效果将大大提升。这个功能可以让手机在进入隧道丢失GPS信号的时候，凭借陀螺仪感知的加速度方向和大小继续为用户导航。而三轴陀螺仪将会与iPhone原有的距离感应器、光线感应器、方向感应器结合起来让iPhone 4的人机交互功能达到了一个新的高度。 二、三轴陀螺仪的应用在工程上，陀螺仪是一种能够精确地确定运动物体的方位的仪器，它是现代航空，航海，航天和国防工业中广泛使用的一种惯性导航仪器，它的发展对一个国家的工业，国防和其它高科技的发展具有十分重要的战略意义。传统的惯性陀螺仪主要是指机械式的陀螺仪，机械式的陀螺仪对工艺结构的要求很高，结构复杂，它的精度受到了很多方面的制约。自从上个世纪七十年代以来，现代陀螺仪的发展已经进入了一个全新的阶段。1976年美国Utah大学的Vali和Shorthill提出了现代光纤陀螺仪的基本设想，到八十年代以后，现代光纤陀螺仪就得到了非常迅速的发展，与此同时激光谐振陀螺仪也有了很大的发展。由于光纤陀螺仪具有结构紧凑，灵敏度高，工作可靠等等优点，所以目前光纤陀螺仪在很多的领域已经完全取代了机械式的传统的陀螺仪，成为现代导航仪器中的
步态分析方案设计 报告说明：我看了五篇关于步态分析的文献，并对其具体实验方法进行归纳。五篇文献的原文在文件夹中。最后为我的方案设计。 一、A practical gait analysis system using gyroscopes陀螺仪分析步态 本研究是为了调查使用单轴陀螺仪来研制简单便携步态分析系统的可行性。陀螺仪绑在小腿和大腿的皮肤表面，记录小腿和大腿角速度。这两部分的倾斜度和膝关节角度都来自角速度。使用从运动分析系统得到的信号来评估角速度和陀螺仪传来的信号，发现这些信号有不错的相关性。当转身时，腿部倾斜度和角度信号会发生漂移，有两种方法来解决这个问题：（1）自动复位系统，重新初始化每个步态周期的角度；（2）高通滤波。两种方法都能很好的纠正漂移。小腿部的单陀螺仪可以提供以下信息：腿部倾斜度、摆动频率、步数以及步幅和步速的估计。 具体方法： 受试者在步态实验室沿直线行走进行陀螺仪数据收集，陀螺仪用绳子固定在大腿和小腿部，感测轴沿中间-横向方向，以测量矢状平面中的角度。 两个人加入测试，一个是不完整的脊髓损伤，一个没有损伤。一运动分析系统使用各部分解剖学位置的回射标记物来评估腿部的偏移、腿部的角速度和膝角度。实验开始前5s，受试者直立站立以初始化倾斜角度和陀螺仪的偏置，随后，对象以一个自己喜欢的速度沿预定路径行走。进行了三组实验来分析陀螺仪的性能，并计算步幅、步态周期时间和每次行走期间的速度。第一个实验，数据来自两小腿上陀螺仪的信号，并与未损伤者进行比较。后两个实验是陀螺仪的数据与运动分析系统进行比较。第一个实验是比较小腿不同位置的陀螺仪信号，对于同一小腿上的两个点，先站立后倾斜，两个点的角速度、角度应该是相同的，陀螺仪一个放在胫骨关节处，一个放在胫骨靠近踝关节10cm处。第二个实验一个放置在大腿髌骨上方10cm处，一个在胫骨靠近踝关节10cm处，记录的是陀螺仪的角速度。第三个实验，陀螺仪放置于第二个相同，受试者直行4.5m然后转身180°。 二、Acoustic Gaits: Gait Analysis With Footstep Sounds 声步态 我们描述的是声步态——从人正常行走时的脚步声推导人的自然步态特征。我们引入了步态轮廓，这是从通过麦克风收集的脚步声时间信号得到的，可以说明某些时空步态参数，这些参数是通过对声步态轮廓的三个时间信号分析方法提取，三个时间信号分别是平方能量估计、希尔伯特变量和Teager–Kaiser能量。通过对这些参数估计的统计学分析，我们发现从步态轮廓获得的时空参数和步态特征可以连续可靠地评估目前用于标准化步态评估的临床和生物测定步态参数信息。我们的结论是Teager–Kaiser能量可以在不同时间、地点提供最稳定的步态参数估计。相对于目前实验室步态分析中使用的昂贵侵入式系统，如测力台、压力垫、可穿戴传感器，声步态使用便宜的麦克风和计算设备制成了准确非侵入式的步态分析系统，而且实验室的一些系统会改变正在测量的步态参数。