陀螺仪原理PPT课件

陀螺发展历程及现状
发展历程
从最早的机械陀螺到现代的光学陀螺和微机械陀螺，陀螺技术经历了多次变革 和进步。
现状
目前，光学陀螺和微机械陀螺已成为主流，具有高精度、高可靠性、小型化等 优点。同时，新型陀螺技术如量子陀螺等也在不断发展中。
02
陀螺仪结构与工作 原理
陀螺仪基本结构组成
转子
高速旋转的对称刚 体，提供陀螺力矩
驱动装置
使转子保持恒定转 速的装置
陀螺仪主要部件
转子、支架、驱动 装置、测量装置
支架
支撑转子并允许其 在特定自由度上旋 转
测量装置
检测转子进动角速 度的装置
陀螺仪工作原理剖析
陀螺仪力学基础
动量矩守恒定律
陀螺仪进动性
在外力矩作用下，转子绕动量矩矢量旋转
陀螺仪定轴性
陀螺仪进动角速度与外力矩关系
在不受外力矩作用时，转子动量矩矢量保持 恒定方向
姿态控制系统概述及功能需求
姿态控制系统定义
通过传感器感知载体姿态变化，并通过执 行机构调整载体姿态，使其保持稳定或按
照预定轨迹运动的系统。
稳定性
在各种干扰下，能够保持稳定的姿态控制 性能。
实时性
能够快速响应姿态变化，及时调整控制策 略。
精确性
能够精确感知和控制姿态变化，减小误差。
陀螺仪在姿态控制系统中作用
典型案例分析：车载稳定平台设计
姿态稳定度
≤0.1°（横滚、俯仰）；
指向精度
≤1mrad；
典型案例分析：车载稳定平台设计
• 环境适应性：适应不同路况和车速下的稳定需求。
典型案例分析：车载稳定平台设计
解决方案
采用高精度陀螺仪和加速度计组成惯性测量单元（IMU），实现姿态的 高精度感知；

2. 观察陀螺进动现象时，可 以通过改变外力矩的大小和方
向来探究其影响。
3. 实验结束后，要及时关闭 电源并拆卸器材，整理实验场
地。
07 总结回顾与展望 未来
关键知识点总结回顾
陀螺仪基本原理
陀螺仪是一种基于角动量守恒原理的装置，用于测量或维持方向 。
陀螺仪的种类与应用
介绍了不同类型的陀螺仪（如机械陀螺仪、光学陀螺仪等）及其 在各领域（如航空、导航等）的应用。
为转子提供稳定的驱动电流， 使转子保持恒定的旋转速度。
信号处理电路
对陀螺仪输出的信号进行放大 、滤波、解调等处理，得到所
需的角速度或角度信息。
典型陀螺仪结构剖析
单轴陀螺仪
仅有一个敏感轴，用于测量绕该轴的 角速度或角度。
双轴陀螺仪
三轴陀螺仪
具有三个相互垂直的敏感轴，可同时 测量绕这三个轴的角速度或角度，广 泛应用于航空航天、导航等领域。
带宽
描述陀螺仪输出信号中随机误差的大小， 通常用单位时间内输出信号的标准差来表 示。
指陀螺仪能够准确测量的角速度范围，通常 以赫兹（Hz）为单位表示。
03 陀螺力学特性分 析
力学基础知识回顾
01
02
03
牛顿运动定律
阐述物体运动与力的关系 ，是分析陀螺运动的基础 。
动量守恒定律
陀螺在不受外力作用时， 其动量保持不变。
03
结合硬件和软件补偿方法，对陀螺仪进行更为全面的误差补偿Biblioteka 。提高测量精度策略
选择高精度陀螺仪
在选购陀螺仪时，应优先考虑精度等级高、 稳定性好的产品。
优化安装环境
为陀螺仪提供稳定的工作环境，减小外部因 素对测量精度的影响。
定期校准

13 13
实际的陀螺仪中，由于结构和工艺的不完 备，总是不可避免的存在着干扰力矩。从而破 坏了稳定性，产生了章动（瞬时冲击力矩）和 进动（一定持续时间的力矩） 。
章动：陀螺受 到瞬时冲击力矩作 用后，自转轴在原 位附近做微小的圆 锥运动，其转子轴 的大方向基本不变。
14 14
2、陀螺相对地球的视在运动 由于陀螺仪的转动相对惯性空间保持方向
3.本身作为一个元部件，与其它自动控制元部件 组成各种陀螺装置。如陀螺稳定平台，惯性导 航系统等。
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2.1 三自由度陀螺及基本特性 一、两个主要特性：
稳定性：陀螺转子绕自转轴高速旋转即具 有动量矩时，如果不受外力矩作用，自转轴将 相对惯性空间保持方向不变的特性。
进动性：在陀螺上施加外力矩时，会引起 陀螺动量矩矢量相对惯性空间转动的特性。
陀螺的应用：指示仪表，传感器，把陀螺本身作为 一个元部件，与其他自动控制元部件组成各种陀螺装
置。
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基本部件：陀螺转子，内、外框架（支承部 件），附件（电机、力矩器等）
10 10
陀螺应用
1.指示仪表：指示飞机俯仰角和倾斜角的航空地 平仪，指示航向角的罗盘，指示转弯方向和速 度的转弯仪。
2.传感器:输出与被测量参数成一定关系的电信 号。如陀螺航向传感器，角速度传感器。
哥氏加速度是由于质点不仅做圆周运动， 而且也做径向或周向运动所产生的。
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陀螺简介
陀螺是什么？ 我们小时候都玩过它。它是
一种圆锥形玩具，下端有尖针， 绕上细绳，猛甩出去就能在地上 旋转。 陀螺定义：绕自身对称轴高速旋转 的刚体。（刚体—不变形的固体）
为什么用鞭子抽 打后，先轻微摆 动，后绕自转轴
高速旋转？
2.1 三自由度陀螺及基本特性 2.2 陀螺力矩 2.3 坐标系关系 2.4 二自由度陀螺及其应用

05
CHAPTER
陀螺仪在陆地交通领域应用
陀螺仪能够精确测量汽车的横滚、俯仰和偏航角度，为自动驾驶系统提供准确的车辆姿态信息。
姿态测量
结合GPS和其他传感器数据，陀螺仪能够提高汽车的定位精度，确保自动驾驶汽车在复杂道路环境中的稳定行驶。
导航定位
通过实时监测车辆动态参数，陀螺仪有助于自动驾驶系统实现车辆稳定性控制，提高行驶安全性。
陀螺仪在水下潜航器中发挥关键作用，通过实时测量潜航器的姿态和角速度，为深海导航提供精确的数据支持。
深海导航
结合陀螺仪的测量数据和其他传感器信息，水下潜航器可以实现地形匹配和精确定位，提高水下作业的准确性和效率。
地形匹配与定位
陀螺仪作为惯性导航系统的重要组成部分，可以为水下潜航器提供持续、稳定的导航支持，确保潜航器在复杂水下环境中的可靠运行。
控制稳定性
车辆定位与导航
通过对乘客上下车数据的采集和分析，陀螺仪有助于实现客流量的精确统计和预测，为运营调度提供数据支持。
客流统计与分析
安全监控与预警
陀螺仪能够实时监测城市轨道交通系统的运行状态，发现潜在的安全隐患并及时预警，确保乘客出行安全。
在城市轨道交通系统中，陀螺仪能够提供准确的车辆定位和导航信息，确保列车在复杂环境中的稳定运行。
随着MEMS技术的发展，陀螺仪将越来越微型化和集成化，降低成本并拓展应用领域。
微型化和集成化
提高陀螺仪的测量精度和稳定性是未来发展的重要方向，以满足高端应用的需求。
高精度与高性能
将陀螺仪与其他传感器（如加速度计、磁力计等）进行融合，通过算法优化提高数据处理的准确性和效率。
多传感器融合与算法优化
陀螺仪在发展过程中面临着技术、市场和应用等多方面的挑战，但同时也为相关产业带来了巨大的发展机遇。

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3
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4
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5
微分（速率）陀螺仪工作原理
• 当载体绕Y轴有角速度ω时，载体将在Y轴上产生力 矩My。在My的作用下，使陀螺仪做趋向外力矩的 进动，即陀螺仪绕X轴转过β角，此时弹簧会在X轴 产生力矩，同理弹簧力矩
又使陀螺仪产生绕Y轴的进
动。随着β角增大，弹簧力
矩也逐渐增大。稳态时，
弹簧力矩所造成的进动角人人网仅提供信息存储空间仅对用户上传内容的表现方式做保护处理对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑并不能对任何下载内容负责
陀螺仪原理
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1
• 凡是绕回转体的对称高速旋转的物体都可称为 陀螺。
• 把高速旋转的陀螺安 装在一个悬挂装置上， 使陀螺主轴在空间具有 一个或两个转动自由度 ，就构成了陀螺仪。
• 陀螺仪有两个最主要的特征——稳定指向性和 进动性。
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2
• 稳定指向性（定轴性）：当转子绕其主轴 高速旋转是，不论陀螺仪的底座如何倾斜 或摇摆，陀螺仪主轴将在惯性空间保持方 位不变。
• 进动性：在外力矩的作用下，陀螺仪主轴 转动方向与外力矩方向垂直，叫做陀螺仪 的进动性。即若外力矩施加于外环轴，陀 螺仪将绕内环轴转动，施加于内环轴将绕 外环轴转动。
速度和旋转角速度一致，
此时弹簧力矩kβ与陀螺力
矩Hω相平衡，可得：
H
.
6
k
积分（转角）陀螺仪工作原理
• 积分陀螺仪时用来测量运动体转角的单自由度陀 螺仪。
• 当载体绕Y轴有角速度ω时，载体将在Y轴上产生 力矩My。在My的作用下，使陀螺仪做趋向外力矩 的进动，当框架有转
.
动角速度 时，阻尼装
置将产生一个与其成正
比的阻尼力矩Mc。当

机械陀螺仪
光学陀螺仪
结构简单、成本低廉，但精度和稳定性较 差，易受环境因素影响。
基于光学原理工作，具有高精度、高稳定 性等优点，但成本较高。
微机械陀螺仪
激光陀螺仪
采用微机械加工技术制造，具有体积小、 重量轻、成本低等优点，但精度和稳定性 相对较低。
利用激光干涉原理测量角速度，具有高精 度、高稳定性、无机械磨损等优点，但成 本较高且对环境要求较高。
多传感器融合与校准
03
在实际应用中，单一陀螺仪往往难以满足需求，多传感器融合
与校准技术成为提高系统性能的关键。
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探讨未来发展趋势和前景
2024/3/26
新型陀螺仪技术
随着科技进步，新型陀螺仪技术（如量子陀螺仪、生物陀螺仪等）有望在未来取得突破， 为高精度测量和导航领域带来革命性变革。
多源信息融合与智能算法
通过融合多种传感器信息和采用智能算法，可以提高陀螺仪系统的整体性能，实现更高精 度的姿态测量和导航定位。
拓展应用领域
随着陀螺仪性能的不断提升和成本的降低，其应用领域将进一步拓展，如智能交通、智能 家居、虚拟现实等。
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感谢您的观看
THANKS
2024/3/26
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组合导航算法
将惯性导航系统与卫星导航系统、里程计等其他导航手段进行组合， 实现优势互补，提高整体导航性能。
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04
陀螺仪在姿态控制中应用
2024/3/26
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姿态控制概述及分类
2024/3/26
姿态控制定义
通过对物体姿态的调整，实现其在空间中的稳定定位和定向 。
姿态控制分类
根据控制对象的不同，可分为刚体姿态控制和柔性体姿态控 制；根据控制方法的不同，可分为开环控制和闭环控制。

当二自由度陀螺底座绕垂直于X轴与Z轴成 角 的轴以角速度 旋转时．则将有陀螺力矩Mg 作用于框架上，陀螺力矩Mg为：
Mg Hsin
陀螺仪工作原理
三自由度陀螺结构原理如图所示。 三自由度陀螺具有以下主要特性：
1)定轴性 2)进动性 3)无惯性
(2)微分陀螺仪作用原理
图中标注直角坐标系Oxyz，X轴沿框 架轴旋转方向。Y轴称为陀螺仪的输 入轴。因为微分陀螺仪就是测量它 的壳体绕Y轴转动的角速度，故又 称为测量轴。Z0的方向为主轴起始 位置，即当＝0时，Z轴应与Z0重合。
4. 加速度积分法和位移微分法
陀螺仪工作原理
光束切断法
光束切断法检测速度适合于定尺寸材料的速度 检测。这是一种非接触式测量，测量精度较高。 图2所示它是由两个固定距离为L的检测器实现速 度检测的。检测器由光源和光接收元件构成。被测 物体以速度v行进时，它的前端在通过第一个检测 器的时刻，由于物体遮断光线而产生输出信号，由 这信号驱动脉冲计数器，计数器计数至物体到达第 二个检测器时刻．检测器发出停止脉冲计数。由检 测器间距L和计数脉冲的周期T、个数N，可求出物 体的行进速度。
速度、转速、加速度测量
陀螺仪工作原理
速度测量
速度 测量
线速度测量（m/s，km/h)
角速度测量(rad/s) （转速测量(转/分）
Linear Velocity Rotary speed：revolutions per minute (r.p.m.) Angular Velocity
2n 陀螺仪工作原理
皮托管是测量流体速度的主要工具之一,广泛用于船舶和飞 行体的测速。图6为皮托管测流速原理图，图中所示从滞 止点一直到压力表液面上的空间是一个内管，在它的外面 包着外管，且与压力表的另一个液面上的空间相通，外管 的壁上开有小孔，就是静压孔。在测量时，只要把皮托管 对准流体流动的方向，使内管顶端（滞止点）能感受全压 力 pt，而具有静压孔的外管感受静压力 ps。

微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS）技术是一种基于 微米/纳米级别加工技术，将微型传感器、执行器、控制器等集成于一体的系统 技术。
MEMS技术发展趋势
随着MEMS技术的不断发展，其应用领域不断拓展，同时向着更高性能、更低功 耗、更小体积的方向发展。
5
陀螺发展历程及现状
发展历程
从最早的机械陀螺到现代的光学陀螺和微机械陀螺，陀螺技术经历了不断的发 展和创新。
现状
目前，光学陀螺和微机械陀螺已成为主流，具有高精度、高可靠性、小型化等 优点。同时，随着人工智能、物联网等技术的发展，陀螺的应用领域也在不断 扩展。
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02 陀螺仪结构与工 作原理 7
陀螺仪基本结构组成
手段提高陀螺仪的测量精度和稳定性。
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03 光学陀螺技术及 应用 11

光学陀螺概述及分类
01
02
03
光学陀螺定义
利用光学原理测量角速度 的装置。
光学陀螺分类
根据测量原理不同，可分 为干涉式、谐振式和受激 布里渊散射式等。
光学陀螺应用领域
航空、航天、航海、兵器 等领域中的导航、制导和 控制等。
12
的需求。
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06 未来发展趋势与 挑战 23
新型陀螺技术研究方向
光学陀螺技术
利用光学原理，研究高精 度、高稳定性的光学陀螺 ，提高测量精度和抗干扰 能力。
微机电陀螺技术
通过微纳加工技术，制造 微型化、低功耗的陀螺仪 ，满足便携式设备和微型 飞行器等领域的需求。
原子陀螺技术
基于原子干涉原理，研究 高灵敏度、高分辨率的原 子陀螺，为高精度导航和 定位提供技术支持。
利用光学谐振腔的旋转多普勒效应，通过测量谐振腔中顺时针和 逆时针传播的两束光的频率差来检测角速度。

当陀螺仪相对于地球静止时 ，其敏感轴与地球重力加速 度平行分量重合，此时陀螺 仪输出为零。
当陀螺仪绕地球旋转时，其 敏感轴与地球重力加速度平 行分量之间产生夹角，通过 测量这个夹角可以计算出陀 螺仪相对于地球的角度变化 。
角度测量通常采用加速度计 或倾斜传感器等技术，将重 力加速度分量转换为电信号 进行测量。
成本问题
光纤陀螺仪的制造成本较 高，难以在低端市场广泛 应用。
原子陀螺仪技术展望与挑战
超高精度测量
原子陀螺仪有望实现超高精度的角速度测量，满足高精度导航等应用需求。
长期稳定性好
原子陀螺仪具有长期稳定性好的特点，适用于长时间连续工作的场景。
原子陀螺仪技术展望与挑战
• 无机械运动部件：原子陀螺仪无需机械运动部件，具有更高的 可靠性和寿命。
大动态范围
光纤陀螺仪具有较大的动态范围，适用于高速旋转等应用场 景。
光纤陀螺仪技术进展与挑战
• 抗干扰能力强：光纤陀螺仪对外部干扰具有较强 的抵抗能力，保证了测量结果的稳定性。
光纤陀螺仪技术进展与挑战
光源稳定性问题
光纤陀螺仪对光源的稳定 性要求较高，需要采取特 殊措施进行保障。
光纤环圈制造难度
高精度光纤环圈的制造难 度较大，限制了光纤陀螺 仪的进一步发展。
工作原理
当陀螺受到外力作用时，其自转轴将 绕某一定点（称为极点）作进动，且 进动角速度与外力矩成正比，而与陀 螺的转动惯量成反比。
陀螺仪组成与结构
组成
陀螺仪主要由转子、支承系统、 驱动系统、测量系统和控制系统 等组成。
结构
陀螺仪的结构形式多种多样，根 据支承方式的不同可分为液浮式 、气浮式、挠性式、静电式和磁 悬浮式等。
未来发展趋势预测与展望

复杂环境适应性
在复杂环境中（如隧道、城市峡谷等），陀螺仪能够弥补GPS信号 丢失的不足，确保无人驾驶车辆的稳定导航。
自主导航能力
陀螺仪为无人驾驶车辆提供自主导航能力，使其能够在无外部信号干 扰的情况下实现精确导航和定位。
2024/1/24
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05
陀螺仪在其他领域应用拓展
2024/1/24
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虚拟现实技术
2024/1/24
列车定位与导航
陀螺仪与全球卫星导航系 统（GNSS）等结合，为 高速铁路列车提供精确的 定位和导航服务。
列车自动驾驶辅助
陀螺仪在高速铁路列车自 动驾驶系统中发挥重要作 用，协助实现列车的自动 控制和调度。
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无人驾驶车辆导航与定位系统
导航定位精度提升
陀螺仪与其他传感器（如GPS、惯性测量单元等）融合，提高无人 驾驶车辆的导航定位精度。
陀螺仪可实时跟踪用户头部姿态和位置变化，将虚拟信息准确地 叠加到真实场景中。
场景融合
利用陀螺仪数据，可将虚拟物体与真实场景进行无缝融合，提升 用户体验。
互动体验
陀螺仪增强了用户在增强现实环境中的沉浸感和互动性，使体验 更加自然和流畅。
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机器人自主导航技术
姿态稳定
陀螺仪可帮助机器人保持稳定的姿态和平衡，实 现在复杂环境中的自主移动。
中的稳定性，提高命中精度。
抗干扰能力
基于陀螺仪的导弹制导系统具有 较强的抗干扰能力，能够在复杂 电磁环境下正常工作，确保导弹
的命中率和作战效果。
2024/1/24
9
卫星姿态控制系统
01
卫星姿态测量
陀螺仪能够精确测量卫星的姿态角速度和加速度，为卫星提供准确的姿
态信息，确保卫星在轨运行的稳定性和安全性。