全自动陀螺仪简介

陀螺仪的应用：与常规仪器相比，利用陀螺仪定向不需要罗盘等设备预先确定近似北方向，并且无需考虑通视和气象情况、也不要求提供已知点等。除了在南北极点外，陀螺仪都能够测定出真北方向。

陀螺仪尤其适用于地矿、煤矿、隧道、地铁等地下工程，是其它仪器设备无法替代的理想定向和测量工具。

AGP-1全自动陀螺全站仪

（1） 简介。

AGP-1自动陀螺全站仪由自动陀螺仪AGP-1和SET3B全站仪组成。

（2） 主要技术指标。

1． 陀螺仪主要技术指标。

陀螺仪尺寸及重量：300×300×440mm，10.4㎏。

AGP-1 的电机：电子指令控制的直流电机，加速功率1.0W。启动时间约25秒，制动时间小于30秒。

陀螺仪机体：防压机体，内含陀螺电机，电子驱动部件，电源等。重力矩2NW，重量1.8㎏。

根据所需精度要求的不同，AGP-1提供有三种测量模式。无论用哪种测量模式操作，仪器都可在短时间内向操作者提供测量结果。如下表所示。

*所列示的标准偏差为陀螺仪和全站仪的综合精度。

1． SET3B全站仪主要技术指标。

AGP-1自动陀螺仪的操作步骤简介。

1． 利用陀螺全站仪专用脚架（原配脚架）上的圆水准器在测站点上完成脚架的近似对中和整平

2． 将陀螺仪架设在专用脚架上

3． 将陀螺仪与SET3B全站仪牢固对接（陀螺仪和全站仪上各有一个三角提示标志）

4． 用数据电缆接通陀螺仪和SET3B

5． 将仪器对中整平

6． 将全站仪开机并完成度盘指标设置后打开陀螺仪电源

7． 陀螺仪与SET3B间一致性的建立以及SET3B水平度盘置零

8． 按陀螺仪上的START（开始）键

9． 稍等片刻直到屏幕出现要求照准提示

10． 根据提示按盘右，盘右，盘左，盘左的顺序照准目标，按ENTER键将观测值存入陀螺仪

11． 陀螺全站仪自动完成到目标点的方位角计算并将结果显示在陀螺仪屏幕上

12． 用原配的处理软件将陀螺仪器存储的数据传输到计算机内进行处理

（3） 陀螺全站仪各角度之间的关系。

A = 测站点至目标点的天文方位角

E = 仪器常数

U = 摆动中心点

W = 指标读数

Z = 目标点读数平均值

γ= 子午线收敛角

N = 全站仪零方向方位角

t = 坐标方位角

其中：

N = E U

A = N Z

（在中央子午线的东方，收敛角Y为正；在中央子午线的西方，Y为负。）

测量的结果，仪器会向用户提供A值和全站仪零方向与北方向的偏差值N。对于Y值，用户可以按照平面直角坐标值或者按经度和纬度进行计算。

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。

Y/JTD-1陀螺全站仪性能介绍

Y/JTD-1陀螺仪是中国人民解放军1001工厂（西安航光仪器厂）生产的全自动积分式陀螺全站仪，该厂生产的陀螺全站仪现已装备部队200余台套。该仪器能无依托，自主寻北，测定目标方位角，具有精度高、定向时间短，自动化程度高，配备各款全站仪等优点，寻北精度5秒。

1大型隧道贯通测量

2 地铁工程测量

3 矿山工程测量

4 导弹发射瞄准系统

5 炮兵阵地联测

6 建立方位基准及导航设备表校等领域

1 陀螺仪利用积分法测量，优于目前市场上的逆转点法设备，全自动实现快速高精度寻北。

2基准镜设置及零位修正程序，实现高精度定向

3 采用直流永磁陀螺电机，陀螺旋转精度高，转动无死点，陀螺敏感部温升小。

4 陀螺敏感部采用下挂式摆式陀螺，便于操作安装

5 多层磁屏机构，屏蔽外部磁场，提高设备抗干扰能力。

6 陀螺仪与全站仪采用合理、可靠的机械及通信接口处理

7 使用市场上多品牌全站仪，方便接驳不同类型的全站仪产品。

8 广泛使用与地下工程定向，盾构导向等工程应用

成功应用

目前该陀螺仪已形成系列化成品，并可选配不同品牌的全站仪，经纬仪，以满足不同用户的需求。相关产品已在总参测绘局、二炮装备200多台套。2009年，我们的产品已成功在中石油管道局、长江盾构工程、西安地铁、山西陕北河南福建数家煤矿装备局等单位的重大项目中。

精度…………………………………………………………………一次定向测量中误差 ≤ 5 ″

定向时间…………………………………………………………………一测回定向时间≤12min

环境

湿度……………………………………………………………………………5%～98%（非冷凝）

工作温度…………………………………………………………………………－20℃～ 50℃

贮存温度…………………………………………………………………………－40℃～ 60℃

重量

陀螺仪主机…………………………………………………………………15kg（不含全站仪）

尺寸（宽×高）

陀螺仪主机………………………………………………………230 mm×450mm（不含全站仪）

可靠性………………………………………………………………MTBF≥400h，MTTR ≤ 30min

寿命………………………………………………………………15年（陀螺电机2000工时更换）

定向方式………………………………………………………摆式下悬挂陀螺定向、积分法测量

自动化程度…………………………………………………………………………………全自动2100433B