自动陀螺仪的工作原理

（1） 陀螺的进动性

1． 绕自身回转轴高速旋转的刚体称为陀螺。

2． 陀螺有三个轴（图2）。其中一个为回转轴，另外两个在这里先分别称为主轴和次轴。回转轴沿垂直线转动，主轴沿过垂直线与图示纸张同平面的平面旋转，次轴沿过垂直线且与图示纸张平面垂直的平面旋转（如下图所示）。

3． 回转轴是陀螺工作的动力源。主轴是驱动轴，次轴是从动轴。

4． 如果陀螺沿回转轴转动，并且有外力矩加在主轴上，那么次轴将产生进动，此时沿主轴方向的强度很大不会发生弯曲等；这是陀螺运动的一个特性。事实上，当在次轴上加一外力矩时，在主轴上同样也产生进动；当在主轴和次轴上同时施加外力矩时，则在主轴和次轴上同时产生进动。简单地说就是：有外加力矩存在时，陀螺转子轴向外加力矩的方向进动。

上式表示：

外力矩作用的结果，是改变回转动量矩的方向；并且陀螺进动角速度的方向与外加力矩的方向相互垂直（“平行四边形法则”知识从略）。

（2） 陀螺的定轴性

1． 匀速自转（沿回转轴转动）的陀螺在没有任何外力矩作用时，力图在它本身转动惯量的维持下，使其自转轴指向惯性空间恒定的初始方向，这是陀螺的定轴性（图3）。

2． 当陀螺高速旋转时，在有外力矩作用时，陀螺回转轴按等角速度进动；当陀螺不转动时，在同样的外力矩作用下，陀螺按等角加速度进动。就是说由于陀螺的高速转动，降低了外加力矩对陀螺回转轴在空间方向的影响。这种特性也是陀螺的定轴性。

（3） 陀螺寻北说明

首先说明一点，陀螺沿图3所示方向转动时，陀螺对中心点的动量矩h的方向如图所示。

图3

如图4所示，假设当陀螺不旋转时，平衡物体与陀螺平衡，平衡杆是水平的（“杠杆平衡原理”知识从略）。当将平衡物体向右（或向左）移动时，陀螺会上升（或下降）运动。

如图5所示，在平衡杆平衡时假设用马达带动陀螺使其高速旋转（方向如图所示，面向纸张方向、顺时针由外向内转动），此时将平衡物体向左移动，陀螺并不向上运动而是整个系统绕支点逆时针方向进动（分析看图5右侧矢量图）。若将平衡物体向右移动，则整体系统绕支点顺时针方向进动（图6，分析看右侧矢量图）。

对于悬挂在某处（南北极点除外）用于测定北方向的陀螺仪而言，由于地球不断地由西向东自转，对惯性空间来讲陀螺仪地点的重力方向不断变化；另外陀螺仪的重心在悬挂点下面（图7，陀螺由通过其重心的悬挂带挂着），重力（mg，其中m为陀螺的质量；g为重力加速度。）力图让陀螺回转轴维持在水平方向，结果相当于有一个指向北方向的外力矩（重力矩）作用于陀螺仪。陀螺沿回转轴高度旋转时，陀螺的动量矩按照最小夹角方向向外力矩方向进动，陀螺轴就自动寻北了。当进动到陀螺回转轴指向真北方向时，陀螺动量矩于重力矩重合，但由于惯性的作用，陀螺部继续进动，后由于摩擦阻力矩、悬挂带扭矩的作用，使陀螺进动到一定位置停下来。随后再因为重力方向的改变重复前面的过程。结果就构成了一个围绕地轴（真北）方向的往复摆动，该摆动的重心就是真北方向（参看图1所示）。

（4） AGP-1自动陀螺全站仪

与传统的陀螺经纬仪相比，AGP-1自动陀螺全站仪的特点在于自动上。用户在短时间内可完成定向。

三、Y/GTD系列陀螺全站仪

上世纪60年代开始，为满足军队上的需要，中国人民解放军1001工厂与西安测绘研究所合作研发生产陀螺全站仪，60年代初就研制出了下架式陀螺经纬仪，如MZ115-5，80年代又合作开发出了TDJ—88型陀螺经纬仪，该中型号陀螺仪已经大量装备部队，90年代又开发出Y/JTG-1，2000年后有研制出Y/JTD-2和Y/JTD-1陀螺全站仪。