实验原理

陀螺仪被用在飞机飞行仪表的心脏地位，是由于它的两个基本特性：一为定轴性（inertia or rigidity），另一是进动性（precession），这两种特性都是建立在角动量守恒的原则下。

定轴性

当三自由度陀螺转子高速旋转后，若不受外力矩的作用，不管基座如何转动，支撑在万向支架上的陀螺仪自转轴指向惯性空间的方位不变，这种特性叫“定轴性”。也就是说，高速旋转的转子具有力图保持其旋转轴在惯性空间内的方向稳定性不变的特性。转子角动量即矢量H是转子绕自转轴的转动惯量I和自转角速度Ω的乘积(H=I Ω)。定轴性是指矢量H力图保持指向不变。如果我们以地球为基准，则可以认为三自由度陀螺相对于地球运动，这种运动称为陀螺的假视运动或视在运动。视在运动是陀螺稳定性的表现。

进动性

在运转中的陀螺仪，如果外界施一作用或力矩在转子旋转轴上，则旋转轴并不沿施力方向运动，而是顺着转子旋转向前90度垂直施力方向运动，此现象即是进动性。

进动性的大小也有三个影响的因素：外界作用力愈大，其进动性也愈大；转子的质量惯性矩（moment of inertia）愈大，进动性愈小；转子的角速度愈大，进动性愈小；

而进动方向可根据进动性原理取决于施力方向及转子旋转方向。

系统参数

1）刚体陀螺仪： 尺寸：200*200*200mm， 重量: 1.6Kg

2）转子电机：直流无刷电机（双电机结构）；

3）电机转速：0~6000r/min（可调）；

4）电源电压：DC +12V； 电流：3A

实验系统特点

1）采用三自由度刚体陀螺结构，可进行完善的陀螺实验及演示；

2）转子电机采用高速无刷电机，转速平稳，寿命长；

3）转子采用双电机结构，保障了转子的对称性，并加大了转子驱动力矩，启动速度快；

4）配置有专用控制器，可以完成转子转速控制，方便实验；

实验操作

打开实验箱，取出设备，将刚体陀螺仪器平放在桌面上（仪器周转保留一定空间），连接电缆。包括定轴性实验，进动性实验。

1）不启动刚体陀螺时，向内框轴或外框轴施加平稳力矩。现象观察和说明：随着基座转动刚体陀螺的内外框都随着受力方向运动。

2）启动刚体陀螺，当陀螺转子高速旋转稳定后，向内框轴或外框轴施加平稳力矩。方法是，用一个长杆（也可用铅笔替代），向内框或外框的一侧平稳垂直施力。改变施力的大小，观察现象。

适用课程

惯性传感器原理、惯性导航原理、导航制导与控制、飞行控制原理、无人机实训实验、基础力学、刚体力学、陀螺力学、理论力学、新型传感器原理及应用等。

陀螺仪结构

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。

图1 陀螺仪结构

陀螺仪的基本部件有：

1) 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)；

2) 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)；

3) 附件(是指力矩马达、信号传感器、控制器等)。