全站式陀螺仪原理与性能测试
索佳全站式陀螺仪定向原理
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二、陀螺仪的基本原理
陀螺经纬仪是根据自由陀螺仪(在不受外力作用时，具有 三个自由度的陀螺仪)的原理而制成的。自由陀螺仪具有以下 两个基本特性：
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1、定轴性 陀螺轴在不受外力作用时，它的方向始终指向初始恒定方向； 2、 进动性 陀螺轴在受到外力作用时，将产生非常重要的效应——“进动”。 自由陀螺仪的上述两个特性，可通过以下实验予以证明。
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仪器在测站安置好后，将经纬仪视准轴大致摆在北方向后， 起动陀螺马达，达到额定转速后，下放陀螺灵敏部，松开经纬仪 水平制动螺旋，用手转动照准部跟踪灵敏部的摆动，使陀螺仪目 镜视场移动的光标像与分划板零刻划线 随时重合。当达到摆动逆转点时，读取水平度盘µ1；用同样的方 法向反方向跟踪，到达另一点逆转点时，再读取水平读数µ2。锁 紧灵敏部，制动陀螺马达。按下式计算近似北在水平度盘上的读 数： N=1/2（µ1+µ2 ）
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第三步，测量悬挂带零位值——测前零位，同时用秒表测定 陀螺摆动周期。 第四步,用逆转点法精确测定陀螺北方向值NT。 启动陀螺马达，缓慢下放灵敏部，使摆幅在1°~3°范 围内。调节水平微动螺旋使光标像与分划板零刻度线随时保 持重合，到达逆转点后，记下经纬仪水平度盘读数。连续记 录5个逆转点的读数u１、u２、u３、u４、u５，并按下式计 算NＴ：
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提问与讨论……
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若陀螺仪灵敏部重量为P，且认为是集中作用于重心O1，重心 O1至悬挂点O的距离为1，则此时因地平面绕y轴旋转而引起的 力矩为： MB=Plsinθ=Msinθ 这时x轴进动的角速度为： ωP=(M/H)sinθ
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• 摆式陀螺的进动与地球自转影响的平衡 由于与地球转动的同时，子午面亦在按地转铅垂分量ω2 不 断地变换位置。故即使某一时刻陀螺仪轴与地平面平行且位 于子午面内，但下一时刻陀螺仪轴便不再位于子午面内，因 此陀螺仪轴与子午面之间具有相对运动的形式。当陀螺仪轴 的进动角速度ωP与角速度分量ω2相等时，则陀螺仪轴与仪 器所在地点的子午面保持相对静止。
干货｜详解陀螺仪工作原理
干货｜详解陀螺仪工作原理MEMS陀螺仪并不是最早应用在消费电子上的运动传感器，加速度传感器、电子罗盘早先一步进入了消费电子市场。
虽然以重力为参照的加速度传感器和以地磁为参照的电子罗盘可以在地球表面形成垂直和水平面的三维空间覆盖，但因为二者均以地球而并非物体本身为参照物，因此不能很好地模拟物体的整个运动过程。
此外，由于加速度传感器容易受到线性运动时产生的力的干扰、电子罗盘容易受到诸如金属及手机等其他磁场的干扰，其应用受到了很大的局限。
陀螺仪这个测量角速度的传感器不仅以物体本身作为参照物，而且具有很高的精度，因此可以对其他运动传感器做有益的补充，从而使得运动检测更加完备。
任天堂的Wii最初采用了三轴(X、Y、Z)加速度传感器，后来又增加了陀螺仪。
任天堂早就知道光有三轴加速度传感器是不够的。
只是当时市面上还没有消费电子级别的陀螺仪可以使用，直到Invensense 推出了第一款用于消费电子的MEMS陀螺仪。
这一情况也发生在了苹果CEO乔布斯的身上。
在2010年6月iPhone 4的发布会上，乔布斯亲自演示了陀螺仪带来的侦测出物体水平方向旋转的创新应用—这一应用是单独基于其他运动传感器无法实现的。
因此，通过了解陀螺仪的工作原理，我们可以切身体会到任天堂和苹果对陀螺仪曾经的企盼，而且也可以帮助国内的消费电子终端厂商巧妙地应用该器件以实现多样化的创新应用。
陀螺仪可以对加速度传感器和电子罗盘进行有益的补充。
当三轴陀螺仪加上三轴加速度传感器形成六轴的运动传感器之后，基本上可以检测到所有形式的运动，包括速度、方向、位移等参数。
物体的运动无外乎六种，X、Y、Z三个方向的位移和X、Y、Z三个方向的转动。
这六种运动方式组成了物体完整的运动轨迹。
如果在六轴运动传感器上加上电子罗盘，则在检测运动轨迹的同时还可以修正绝对位置，实现完美的物体运动轨迹跟踪。
因此，未来陀螺仪的进一步发展应用，是和加速度传感器及电子罗盘紧密联系的。
陀螺仪 原理
陀螺仪原理陀螺仪原理。
陀螺仪是一种利用陀螺效应来测量和维持方向的仪器，它在航空航天、导航、惯性导航等领域有着广泛的应用。
陀螺仪的原理是基于陀螺效应，即当陀螺体旋转时，其轴会保持在原来的方向上。
本文将介绍陀螺仪的原理及其应用。
陀螺效应是指当陀螺体在一定速度下旋转时，其轴会保持在原来的方向上，这是由于角动量守恒定律的影响。
利用这一原理，我们可以通过测量陀螺体的旋转方向和速度来确定物体的方向。
在陀螺仪中，通常会使用悬挂在支架上的陀螺体，通过测量陀螺体的旋转来确定方向。
陀螺仪的工作原理主要包括两个方面，一是陀螺体的旋转，二是测量陀螺体旋转的信号处理。
首先，陀螺体通过电机驱动进行旋转，保持一定的转速。
其次，通过传感器对陀螺体的旋转进行测量，得到相应的信号。
这些信号经过信号处理器的处理后，可以得到物体的方向信息。
陀螺仪的应用非常广泛，其中最典型的应用之一就是在惯性导航系统中。
惯性导航系统是一种不依赖于外部参考的导航系统，通过测量物体的加速度和角速度来确定其位置和方向。
在惯性导航系统中，陀螺仪可以用来测量物体的角速度，从而确定其方向。
此外，陀螺仪还可以应用在飞行器、船舶、导弹等领域，用来测量和维持方向。
除了在导航领域，陀螺仪还有着其他的应用。
比如，在航天器中，陀螺仪可以用来测量航天器的姿态，从而控制其飞行方向。
在工业生产中，陀螺仪可以用来测量机器设备的振动和旋转，从而判断其工作状态。
在日常生活中，陀螺仪还可以应用在智能手机、游戏手柄等设备中，用来感知设备的方向和姿态。
总之，陀螺仪作为一种利用陀螺效应来测量和维持方向的仪器，在航空航天、导航、惯性导航等领域有着广泛的应用。
其原理是基于陀螺效应，通过测量陀螺体的旋转来确定物体的方向。
在实际应用中，陀螺仪可以用来测量和维持飞行器、船舶、导弹等物体的方向，也可以应用在工业生产和日常生活中。
随着科技的不断发展，相信陀螺仪在更多领域会有着更广泛的应用。
陀螺经纬(全站)仪最新技术介绍
陀螺经纬（全站）仪最新技术介绍杨锟庞尚益吴学文黄立刚（陕西测绘仪器计量监督检定中心 710054）摘要：我中心自2010年建成陕西陀螺仪真北基准检校场至今，已经使用该场地检测了国内外各个厂家生产的不同准确度等级的陀螺经纬仪和陀螺全站仪数十台。
通过检测和相互对比，获得了一些数据，积累了一些经验，特别汇集整理这些资料，可作为国内生产厂家的参考，同时便于用户及时了解行业发展动态。
关键词：陀螺经纬（全站）仪技术特点1 引言陕西测绘仪器计量监督检定中心作为西北地区规模最大，技术实力雄厚的测绘仪器计量检定机构，不断与时俱进，提高技术水平，不断发展新业务。
我中心于2010年在陕西省泾阳县永乐镇国家大地原点院内建成了功能较强，性能稳定的陕西陀螺仪真北基准检校场，并随后开展了陀螺仪检测工作。
通过我们实际检测并对照其相应的出厂指标，对测量型陀螺仪目前最新的发展状况和水平进行了分析和总结。
2几种典型的国内外陀螺仪性能和特点介绍2.1德国DMT公司生产的GYROMAT 3000仪器：2.1.1主要功能特点：（1）温度警告在测量过程中，一旦仪器温度变化超过“环境模式”，通过设定容忍极限值，处理器将显示“温度警告”信息。
（2）偏移警告在测量过程中，一旦仪器振动中心点偏移超过“环境模式”，通过设定容忍极限值，处理器将显示“偏移警告”信息。
（3）温度适应为实现具体测量精度，仪器内部温度需适应周围温度变化在≤±5°C。
如果测量中温度高于此限制，仪器将显示温度警告。
（4）带零位老化效应带零位受重力、温度、水平度、扭转和机械压力影响，由重力造成的带零位改变将由内部校准测量自动校正.（5）重量：11 kg（不包括经纬仪）。
（6）具有三种测量程序测量精度：测量程序1： 1 mgon ( 1 ) *测量程序 2：10 mgon ( 1 ) *测量程序 3： 5 mgon ( 1 ) *测量时间：测量程序1： 10分钟 **测量程序2 ： 2分钟**测量程序3 ： 5分钟**（7）工作纬度：80°以内2.2 中国船舶重工集团公司第七〇七研究所生产的系列仪器包括TJ9000、GT3、AGT三大产品系列产品，全面覆盖手动、半自动、全自动，以及高、中、低寻北精度。
陀螺仪的技术原理
陀螺仪的技术原理
陀螺仪是一种测量物体角速度的装置，通过测量物体围绕自身某个轴的角速度来判断物体相对于参考系的转动状态。
陀螺仪的技术原理基于陀螺效应。
当一个陀螺在一定角速度下绕着其自身的轴旋转时，轴会保持在原来的方向。
这是因为陀螺的自转产生了一个陀螺力矩，使得陀螺的自转轴倾斜，并使陀螺的自转轴始终保持与某个固定的方向相同。
利用这种陀螺效应，可以实现陀螺仪的测量原理。
陀螺仪内部有一个或多个旋转的陀螺，在运动时会产生陀螺力矩，从而使得陀螺的自转轴始终保持不变。
通过测量陀螺的自转轴相对于某个固定方向的角度变化，就能够测量出物体的角速度和转动状态。
现代陀螺仪主要分为机械式、光学式、电子式等几种类型。
机械式陀螺仪是利用机械滚动轴承使陀螺转动起来，光学式陀螺仪则是利用光学信号测量陀螺的角速度，电子式陀螺仪则是利用电子技术实现测量。
总的来说，陀螺仪的技术原理是基于陀螺效应，通过测量陀螺的自转轴相对于某个参考方向的角度变化，来测量物体的角速度和转动状态。
陀螺仪
陀螺仪的结构、功能、特性、原理、应用2009-06-04 13:48:04 作者：phpcms来源：浏览次数：1358 文字大小：【大】【中】【小】陀螺仪-陀螺仪结构陀螺仪的装置，一直是航空和航海上航行姿态及速率等最方便实用的参考仪表。
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，一个绕对称铀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：(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、信号传感器等)。
陀螺仪-特性陀螺仪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（rigidity），另一是逆动性（precession），这两种特性都是建立在角动量守恒的原则下。
定轴性当陀螺转子以极高速度旋转时，就产生了惯性，这惯性使得陀螺转子的旋转轴保持在空间，指向一个固定的方向，同时反抗任何改变转子轴向的力量，这种物理现象称为陀螺仪的定轴性或惯性。
其惯性随以下的物理量而改变：惯性愈大转子旋转半径愈大，惯性愈大转子旋转速度愈大，惯性愈大。
逆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，此现象即是逆动性。
逆动性的大小也有三个影响的因素：外界作用力愈大，其逆动性也愈大；转子的转动惯量（moment of inertia）愈大，逆动性愈小；转子的角速度愈大，逆动性愈小。
而逆动方向可根据逆动性原理取决于施力方向及转子旋转方向。
陀螺寻北仪原理(精度影响因素及技术参数)
式（18）
式（17）
0.6 0.4 0.2 0 -0.2 0 -0.4 -0.6
误差/度
60
120
180
240
300
360
方位角/度
图8
仿真条件：纬度为 20 度； 在两个采样周期（3 分钟）内的陀螺 x 轴漂移为+0.05，y 轴漂移+0.05; 俯仰角和横滚角分别为 5； 仿真结果见图 9
225
270
315
360
图6 3．3 纬度误差对寻北精度的影响 仿真条件：纬度为 40 度； 纬度误差为：0.1 俯仰角和横滚角分别为 5； 计算公式（17）式。
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附录：寻北仪主程序框图 GPS 加电
查询导航计算机
发送 GPS 数据 N
Y
寻 北 仪 加
接收 GPS 数据
给陀螺和加速度计发出启动指令
寻北仪自检
接收导航计算机初始参数
接收 GPS 数据 N 寻北开始？ Y
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地理坐标系： 取东为 Xg 轴的正方向， 北为 Y g 轴的正方向， 铅垂轴向上为 Z 轴的正方向， 原点为寻北仪的质心。 陀螺和加速度计的安装方式见图 1 和图 2
陀螺仪工作原理1
速n为
n 60N zt
式中，z为旋转体每转一转传感器发出旳电脉冲信 号数；t为采样时间(s)。
时基电路旳功能是提供时间基准(又称为时标)， 它由晶体振荡器和分频器电路构成。振荡器输出 旳原则频率信号经放大整形和分频后，产生出以 脉冲宽度形式表达旳时间基准，
两根弹簧应调整得使主轴在起始位置时，弹 簧作用于框架上旳力矩为零。X轴称为输出 轴，因为具有角速度旳壳体将引起框架绕X 轴转动。
当转子高速旋转时，壳体以角速度 绕Y轴 转动。根据二自由度陀螺特征，将产生陀螺 力矩Mg，使H以最短途径向 运动，从而将 使转子轴昂首向上转动，主轴将偏离起始位 置Z0轴。当框架绕X轴转动时，弹簧将产生 弹性力矩My对抗陀螺力矩Mg。只有在陀螺 力矩和弹性力矩以及框架转动而引起旳摩擦 力矩Mf相平衡时，框架停止转动。这时框 架运动旳角 就反应了壳体Y轴转动旳角速 度 。
光束切断法检测速度适合于定尺寸材料旳速度 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旳检测器实现速 度检测旳。检测器由光源和光接受元件构成。被测 物体以速度v行进时，它旳前端在经过第一种检测 器旳时刻，因为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和计数脉冲旳周期T、个数N，可求出物 体旳行进速度。
v(cosθ1 +cosθ2) λi
其中 :
1为物体至光源方向与物体运动方向间的夹角;
2为物体至观察者方向与物体运动方向间的夹角
后向散射型多普勒测速原理
从入射光束方向看，后向散射是指接受散射光束 旳光电检测器位于被测物体背面，即与光源在 同一侧。激光器S发出光束垂直人射到运动体， 并在P点散射，散射光由光电检测器R接受。根 据多普勒效应检测多普勒频移，假如人射光与 散射光旳夹角为，则多普勒频移为：
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1.1陀螺发展过程 陀螺发展过程
陀螺仪的发展可划分为一下几个标志性阶段： (1)50年代以前研制液体漂浮式陀螺经纬仪 (2)60年代研制下架悬挂式陀螺经纬仪 (3)70年代研制上架悬挂式陀螺经纬仪 (4)80年代研制半自动化陀螺经纬仪 (5)90年代及以后研制自动化和自能化陀螺全站仪
1.2全站式陀螺仪的发展 全站式陀螺仪的发展
2.1全站式陀螺仪的外部结构 全站式陀螺仪的外部结构
如图所示，全站式陀螺仪的外部结构主要分为陀螺仪、全站仪和外部
连接设备三大部分。其中包括，陀螺全站仪主机、控制装置、直流电池、 包装箱、脚架、连接电缆和附件等。这些相互连接，相互作用。
2.2全站式陀螺仪的特点 全站式陀螺仪的特点
l、自动化程度高。 2、精度高。 3、操作方便。 4、稳定性好。 5、定向速度快。 6、可拆卸。 7、数据处理快。
2.全站式陀螺仪的结构及特点 全站式陀螺仪的结构及特点
全站式陀螺仪主要由全站仪、 陀螺仪和工作配件等组成。陀螺 仪是其中最重要的一个部分，陀 螺仪由灵敏部、悬挂装置、导流 器、精密轴系、光学系统、锁紧 和限幅机构、磁屏蔽、配重及支 承外壳等部件组成。如图右图所 示，现代陀螺全站仪的结构可从 内部和外部两方面研究，分析其 相关的配件和组成部分。特别是 对于上架式陀螺仪来说，这样对 其性能的分析，带来很多方便之 处。
（1）国内的发展状况： 我国的全站式陀螺仪起步较晚。从60年代开始研制陀 螺经纬仪，研制出多种下架式陀螺经纬仪如TDJ-II和TDJ83陀螺经纬仪、TDJ-88G型陀螺仪等 。研制成JD-60型陀 螺经纬仪，近几年对JT-l5也进行了升级改造。逐步形成 “六化”和“十六字”的发展态势。 （2）国外的发展状况： 2 自德国舒勒(M.schuler)在1920年试制成功第一台测量 陀螺仪以来，陀螺仪一直以机械化、光学化发展，直到近 几年的自动化、自能化 。如德国的Gyromat陀螺经纬仪 、 日本索佳公司出产的GP2130R3/3130R3全站式陀螺经纬 仪系列仪器、直到现在全站式陀螺仪日益趋于全自动化式陀螺仪的工作原理
陀螺仪（如右图）是 的原理具有以下两个基 本特性： 1、定轴性 陀螺轴在不受外力作 用时，它的方向始终指 向初始恒定方向； 2、 进动性 陀螺轴在受到外力作 用时，将产生非常重要 的效应——“进动”。
3.1陀螺仪工作原理 陀螺仪工作原理
1)地球自转及其对陀螺仪的作用 （如右图） 地球水平分量ω1的大小为： ω1=ωEcosφ 地球垂直分量ω2的大小为： ω2=ωEsinφ 2)陀螺仪轴对地球的相对运动 陀螺仪轴与重力矩的关系 陀螺仪轴平行于地平面； 陀螺仪轴与地平面不平行。
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全站式陀螺仪原理与性能测试
目录
1.全站式陀螺仪概述 2.全站式陀螺仪的结构及特点 3.全站式陀螺仪的工作原理 4.全站式陀螺仪的定向方法 5.全站式陀螺仪的性能测试 6.相关计算的程序化 7.结论 8.致谢
1.全站式陀螺仪概述 全站式陀螺仪概述
全站式陀螺仪作为一种自主定向仪器，利用陀螺仪的定轴性和进 动性敏感地球自转，从而测算出地球自转的方向；是一种全天候、不 依赖其他条件能够测定真北方向的物理定向仪器；是由全站仪和陀螺 仪相组合而成的一种集光、机、电为一体的新型定向仪器.广泛用于科 学研究、军事建设、航空航天、河运航海、建筑施工、舰船制造、矿 山开采、石油钻探、森林防护等工程测量及地下施工定向等各个领域。