陀螺是实现载体角速率测量的核心关键部件。在隧道挖掘、矿山开采、地下管线铺设及常规炮弹制导等领域,载体(钻探机构、弹丸等)运动过程中存在高过载、高旋等恶劣环境条件,迫切需要一种抗高过载、大量程的陀螺。本文受中国传统大钟启发,结合金属壳谐振陀螺的工作原理,提出并研制了一种能够满足上述需求的钟形振子式角速率陀螺。本文围绕钟形振子式角速率陀螺的理论建模、钟形振子振动特性分析与结构设计、信号处理方法展开研究,主要工作和创新性内容包括:(1)提出了一种钟形振子式角速率陀螺振子结构,分析了钟形振子的振型与其运动模态,建立了钟形振子的动力学方程,推导出钟形振子的固有频率和进动因数,形成了钟形振子式角速率陀螺的理论基础。(2)分析了钟形振子固有频率、振型进动、抗高过载和机电耦合特性,对钟形振子式角速率陀螺的结构进行设计,提出了钟形振子结构优化指标与约束关系,设计出一种钟形振子结构,实现了钟形振子数学模型到陀螺之间的物理表征,解决了陀螺高过载环境下角速率直接测量的难题。(3)分析了钟形振子式角速率陀螺信号特点,建立了陀螺的等效控制模型,对模型参数进行辨识,针对现有控制与检测方法在高转速条件下的信号解算难题,提出了基于自适应滑模变结构控制器的一体化信号处理方法,解决了陀螺高转速条件下性能保证的难题。(4)设计了钟形振子式角速率陀螺,制作了原理样机,并对样机进行了测试。测试样机量程为±3600°/s、分辨率为0.06°/s、零偏稳定性为7.862°/h、标度因数非线性度为0.118%、抗高过载能力达到12000g,验证了理论分析的正确性。