摘 要

陀螺仪是一种利用转子在高速旋转时,因其自身的稳定性而导致其旋转方向相对于轴的方向的角度变化而反应空间方向变化的角运动检测装置。三轴陀螺仪具有结构性好,精度较高体积轻便的特点,是目前光学陀螺的主要发展趋势。广泛应用于航天航空行业以及军事等电子设备等领域,是重要的工业元件。

本课题是根据三轴陀螺仪的基本原理，设计出机械三轴陀螺仪的模型，能够较为直观的体现三轴陀螺仪的工作原理。 利用AUTOCAD软件进行三维建模，体现了三轴陀螺仪的基本结构和外形，对于理解三轴陀螺仪的基本结构和运行原理有着重要的教学意义。

关键词：三轴陀螺仪；定向；机械模型；CAD三维建模

Abstract

The gyroscope is an angular motion detecting device that uses a high-speed rotating body of the moment-sensitive housing relative to the inertial space about one or two axes orthogonal to the axis of rotation. Three-axis gyroscope because of its small size, simple structure, the advantages of good reliability, is the main development trend of laser gyroscope. Widely used in industrial, military, aerospace and civilian electronic equipment and other fields, is an important industrial components.

This paper is based on the basic principle of three-axis gyroscope, the design of mechanical three-axis gyroscope model, can be more intuitive to reflect the working principle of three-axis gyroscope. The three-dimensional modeling of the three-axis gyroscope is realized by using the AUTOCAD software. It is of great significance to understand the basic structure and operating principle of the three-axis gyroscope.

Key Words：Three - axis gyroscope；Orientation；Mechanical model；3D modeling.

目录

第1章 绪论 1

1.1三轴陀螺仪简介 1

1.2 三轴陀螺仪的结构和原理 2

1.3 三轴陀螺仪的设计背景和应用意义 3

1.4 三轴陀螺仪在国内外的发展现状 3

1.5 课题主要研究内容及意义 4

1.6 研究方案路线 5

第2章 整体设计 6

2.1 底座 6

2.1.1 底座的尺寸和材料 6

2.1.2 选择该尺寸的原因 7

2.1.3 加工工艺 7

2.2 环架和固定架 8

2.2.1 环架的尺寸和材料 8

2.2.2 选择该尺寸的原因 8

2.2.3 加工工艺 8

2.3 转动轴 9

2.4 转子 10

2.4.1 转子的集中设计方案 10

2.4.2 转子的尺寸和材料 12

2.4.3 加工工艺 13

2.5 轴承 13

2.5.1 轴承的选用 13

2.5.2 轴承具体尺寸 14

2.5.3 轴承的安装 15

第3章 计算部分 16

3.1 转动惯量 16

3.2 动能 17

第4章 电控系统 18

4.1 质量分布 18

4.2 电机 18

4.2.1 电机的安装位置 18

4.2.2 电机的选型 19

4.3 电源 21

4.3.1 电池的安装位置 21

4.3.2 电池的选型 22

4.4 细节完善 23

第5章 三维建模 24

第6章 总结与展望 25

6.1 总结 25

6.2 展望 25

参考文献 27

致谢 28

第1章 绪论

1.1三轴陀螺仪简介

三轴陀螺仪是三维自由的陀螺仪,可以测定三维空间6个方向上的报位置变化。 单轴的陀螺仪只能测定一个方向的量,是一维的,也就是说,建立一个完整的陀螺导航系统需要三个单轴陀螺仪,而如果使用三轴陀螺仪,只需要一个就能替代三个单轴的陀螺仪^[1]。并且三轴陀螺仪具有重量轻、体积小、结构简单稳定可靠的优点,现在多用于航海航天等导航定位系统,也用于手机等电子产品的3D定位上,是重要的工业电子元件。三轴陀螺仪能够测量转子运动体的角速度,进而判断物体的运动状态,所以也称运动传感器。

陀螺仪可以比较准确地测量出运动物体的角速度、位置和方向,作为一种惯性的导航仪器,它广泛应用在国防、航天、航海以及航空领域中^[2]。它的发展对现代技术有很重要的意义,例如:高新科技、国防以及国家的工业等等。机械式的陀螺其实是传统的惯性陀螺,它的结构很复杂,因此它对工艺上的结构要求是非常严格的,很多因素都会影响它的测量精度。现代陀螺仪的发展已经越来越快了,技术也越来越成熟,已经成功进入到全新的阶段中。发展最快的当属光纤陀螺仪,它的工作很可靠、灵敏度很高以及结构非常紧凑等等,这些优点让它在很多的应用领域当中已经有效地替代了传统的机械式陀螺仪,变成现代导航仪器的元件。

陀螺仪的基本类型是按照框架的数目和支撑的形式来决定的:

一种是二自由度陀螺仪,之所以成为二自由度,是因为它在转子外加了一个环架,使得转子能在二维方向旋转。根据其中作用的不同的反作用力矩,又可以分为三种,反作用力矩是弹性力矩的叫速率陀螺仪,反作用力矩是阻尼力矩的是积分陀螺仪,反作用力矩是惯性力矩的是无约束陀螺仪。

三自由度陀螺仪,顾名思义,它比二自由度的陀螺仪多了一个环架,这使得转子自传时有两个转动自由度,在没有任何力矩作用的情况下,它就是一个自由陀螺仪,这也就是我们要说的三轴陀螺仪。

图1.1 机械三轴陀螺仪

1.2 三轴陀螺仪的结构和原理

陀螺仪是一种古老而有生命力的仪器,从第一架陀螺仪到现在已有过百年历史,但是知道现在,陀螺仪依然活跃在人类文明各个方面,他以自身独特的魅力吸引着人们孜孜不倦地研究他,古时候,人们从旋转的陀螺中,发现因为陀螺在高速的旋转,使得陀螺可以保持不倒,人们惊异于脱落的稳定。研究陀螺仪是动力学的一个分支,他主要研究绕定点旋转刚体的动力学特性。

结构:陀螺仪是一种古老的机械装置,主要部分是一个高速绕中心轴旋转的转子。如果在转子所绕的旋转轴外加一个内环架转子就有两个自由度,在内环架外加一个外环架,那么陀螺仪就有三个自由度,可以绕三轴做自由运动,这就是三轴陀螺仪