近年来,无人机技术不断向前发展,靶机作为无人机技术一个非常重要的应用方向,也越来越受到重视。垂直陀螺仪作为靶机自动驾驶仪最为核心的传感器,对靶机飞控导航设备的性能有直接的影响,从而决定了靶机的应用性能。针对目前国内的应用状况,研制高性能、低成本、能够实现数字化输出的小型机械垂直陀螺仪已成为靶机飞控导航技术的发展要求。本文的研究重点就是用于靶机的小型机械垂直陀螺仪的设计及实现。小型机械垂直陀螺仪是一个复杂的系统,主要是由常平架、陀螺马达、修正装置以及姿态角度传感器四部分组成。本文首先根据经典理论确立了陀螺仪设计方案,对陀螺仪的机械结构与电气机构进行了总体设计,然后再分别对陀螺马达、修正装置以及姿态角度测量系统进行了研究与设计。陀螺马达是陀螺仪最重要的部件,本文采用了无刷直流电机作为陀螺仪马达,并设计了陀螺马达的结构。通过研究和分析无刷电机的控制理论,设计了无位置传感器的陀螺马达驱动电路。在参考传统陀螺仪主轴修正思想的基础上,设计了以水银开关作为倾角仪和无刷直流电机作为修正力矩器构成的修正装置。本文从原理上分析了这种修正组合方式的可行性,并为修正力矩器设计了相应的驱动与控制电路。本文舍弃了传统的电位计姿态角度传感器,以容栅角度传感器为基础,设计了一种新型的陀螺仪姿态角度测量系统。容栅传感器是非接触式数字传感器,因此可以使转轴上的摩擦力矩减少,增加主轴的运动平稳性,提高主轴的位置精度。最后,为了便于将测量的姿态角度信号传输给飞控器处理,设计了以PIC单片机为核心的专用接口电路和程序。