第7章 陀螺穩(wěn)定平臺慣性導(dǎo)航【高等教學(xué)】

1、慣性導(dǎo)航原理,中國民航大學(xué)電子信息工程學(xué)院,崔 銘,第七章 陀螺穩(wěn)定平臺,2,一 陀螺穩(wěn)定平臺 利用陀螺特性，直接或間接地使某一物體，相對地 球或慣性空間保持指向不變；或按要求改變物體起始位 置的一種陀螺裝置（如雷達(dá)天線，航空攝影，同步衛(wèi)星 天線）。有穩(wěn)定和跟蹤兩種基本功能。又稱陀螺穩(wěn)定 器、陀螺穩(wěn)定裝置、陀螺穩(wěn)定系統(tǒng),7.1 概 述,3,二 分類 1.按穩(wěn)定軸數(shù)目： （1）單軸陀螺穩(wěn)定平臺：能使被穩(wěn)定對象在空間繞某一根軸保持穩(wěn)定，阻止被穩(wěn)定對象繞該軸轉(zhuǎn)動； （2）雙軸陀螺穩(wěn)定平臺：能使被穩(wěn)定對象在空間繞兩根不平行的軸保持穩(wěn)定，兩個(gè)不平行的穩(wěn)定軸可形成一穩(wěn)定平面，故稱雙軸陀螺穩(wěn)定平臺； （3）

2、三軸陀螺穩(wěn)定平臺：能使被穩(wěn)定對象在空間繞三根互不平行的軸保持穩(wěn)定，故稱三軸陀螺穩(wěn)定平臺,4,5,6,7,2.按工作原理 直接陀螺穩(wěn)定平臺：直接利用陀螺力矩平衡干擾力矩； 動力陀螺穩(wěn)定平臺：利用陀螺力矩和外加機(jī)械力矩來共同平衡干擾力矩； 間接陀螺穩(wěn)定平臺：只利用外加機(jī)械力矩平衡干擾力矩。 3.按陀螺自由度數(shù)：二自由、三自由度陀螺穩(wěn)定平臺,8,三 陀螺穩(wěn)定平臺的特點(diǎn)（p281） 僅將陀螺作為敏感元件裝在平臺上，繞其測量軸方向可承受較大的干擾力矩，用專門的自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)承受干擾力矩，精確輸出測量角度,9,7.2 單軸陀螺穩(wěn)定系統(tǒng)基本原理,從陀螺穩(wěn)定平臺的穩(wěn)定原理看，雙軸和三軸陀螺 穩(wěn)定平臺都是有單軸陀

3、螺穩(wěn)定平臺組成的。單軸陀螺 穩(wěn)定平臺包括：直接陀螺穩(wěn)定器、動力陀螺穩(wěn)定器和 間接陀螺穩(wěn)定器。 直接陀螺穩(wěn)定器 利用陀螺力矩抵消干擾力矩，實(shí)際上是種動量矩 很大的陀螺。四、五十年代曾用來穩(wěn)定船舶，陀螺轉(zhuǎn) 子直徑達(dá)4米，重110噸，穩(wěn)定裝置重600噸,10,當(dāng)穩(wěn)定對象與陀螺外框軸相連，則此三自由度陀螺 就是一個(gè)直接陀螺穩(wěn)定器。當(dāng)外框軸有干擾力矩時(shí)，陀 螺繞內(nèi)框軸動，產(chǎn)生陀螺力矩平衡干擾力矩,11,缺點(diǎn)： 1.干擾力矩全靠陀螺力矩抵消，要求有比較大的動量 矩，即有很大的體積和質(zhì)量，設(shè)備很笨重。 2.長時(shí)間受到方向不變的干擾力矩時(shí)，陀螺進(jìn)動始終朝 一個(gè)方向進(jìn)行，當(dāng)進(jìn)動到90度時(shí)，陀螺主軸與干擾力 矩作

4、用軸重合，陀螺力矩為零，此時(shí)陀螺失去穩(wěn)定性,12,二 動力陀螺穩(wěn)定器 利用陀螺力矩和穩(wěn)定系統(tǒng)電動機(jī)產(chǎn)生的力矩共同抵 消干擾力矩的陀螺穩(wěn)定器?？捎枚杂啥然蛉杂啥韧?螺組成?，F(xiàn)主要介紹二自由度陀螺組成的陀螺穩(wěn)定器,1.組成： 二自由度陀螺、信號器、放大器、穩(wěn)定電動機(jī)及減速器、平臺等,13,2.工作原理 1)二自由度陀螺內(nèi)環(huán)軸與平臺軸垂直，內(nèi)環(huán)軸上裝有信號傳感器。 2)穩(wěn)定電機(jī)固定在基座上，通過減速器可使平臺繞平臺軸轉(zhuǎn)動。 3)陀螺裝在平臺上，陀螺儀對平臺僅有二自由度，但平臺對基座又有一個(gè)轉(zhuǎn)動自由度，把平臺看作陀螺的外環(huán)，平臺軸看作外環(huán)軸，則平臺中的陀螺對基座就有三個(gè)自由度。 4)把這樣的總體看

5、出是一個(gè)三自由度陀螺，只是三自由度陀螺外環(huán)的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量加大了。應(yīng)用于火炮、雷達(dá)天線等控制,14,1)陀螺轉(zhuǎn)子動量矩足夠 大,干擾力矩繞平臺軸作 用在平臺上，不會引起 平臺轉(zhuǎn)動，而是引起陀 螺繞內(nèi)環(huán)進(jìn)動，產(chǎn)生陀 螺力矩抵消干擾力矩。 2)當(dāng)陀螺繞內(nèi)環(huán)軸進(jìn)動 出現(xiàn)轉(zhuǎn)角時(shí)，傳感器輸 出信號，經(jīng)放大給穩(wěn)定 電機(jī)，產(chǎn)生穩(wěn)定力矩， 抵消干擾力矩,15,注意： 1)進(jìn)動角小，穩(wěn)定力矩小，主要由陀螺力矩抵消干擾力矩； 2)當(dāng)進(jìn)動角大，穩(wěn)定力矩增大，對干擾力矩抵消越來越多，進(jìn)動角速度逐漸減小； 3)進(jìn)動角達(dá)到一定時(shí)，穩(wěn)定力矩完全抵消干擾力矩，陀螺停止進(jìn)動，陀螺力矩完全消失，此時(shí)平臺抵消外力矩的作用完全由穩(wěn)定

6、系統(tǒng)承擔(dān)； 4)干擾力矩消失后，陀螺在穩(wěn)定力矩作用下，逐漸向初始位置進(jìn)動，當(dāng)陀螺回到初始位置時(shí)，穩(wěn)定力矩消失,16,3.誤差 穩(wěn)定平臺對繞穩(wěn)定軸作用的干擾力矩有很高的抵抗能力，但當(dāng)繞陀螺內(nèi)環(huán)軸有摩擦力矩和不平衡力矩時(shí)，采用旋轉(zhuǎn)軸承，液浮支承或氣浮支承來減小干擾力矩,17,4.三自由度陀螺組成的動力陀螺穩(wěn)定器,基本原理同二自由度陀螺組成的動力陀螺穩(wěn)定器,18,三 間接陀螺穩(wěn)定器 干擾力矩只由穩(wěn)定系統(tǒng)來抵消，與動力陀螺 穩(wěn)定器組成基本相同，而間接陀螺穩(wěn)定器的陀螺 只起感受作用，不起執(zhí)行作用,19,1.工作原理 平臺可繞平臺軸相對基座轉(zhuǎn)動，具有一個(gè)自由度。平臺上裝有一個(gè)三自由度陀螺，其外環(huán)軸（或內(nèi)環(huán)

7、軸）與平臺軸平行，且在外環(huán)軸（或內(nèi)環(huán)軸）上裝有信號傳感器,20,當(dāng)干擾力矩沿平臺軸作用到平臺時(shí)，引起平 臺繞平臺軸轉(zhuǎn)動，偏離原理的空間方位，而三自 由度陀螺具有穩(wěn)定性，其外環(huán)軸不轉(zhuǎn)動，故此， 平臺就相對陀螺儀出現(xiàn)了偏轉(zhuǎn)角。此時(shí)信號器輸 出信號，經(jīng)放大送個(gè)穩(wěn)定電機(jī)，穩(wěn)定電機(jī)根據(jù)信 號大小和極性產(chǎn)生一定大小和方向的穩(wěn)定力矩， 并通過通過減速器傳到平臺上，從而平衡掉干擾 力矩,21,隔離基座運(yùn)動：當(dāng)基座繞平臺穩(wěn)定軸轉(zhuǎn)動時(shí)，也會帶動平臺轉(zhuǎn)動而偏離原理方位，此時(shí)信號器輸出信號，通過穩(wěn)定系統(tǒng)使平臺繞穩(wěn)定軸相對基座轉(zhuǎn)動，平臺轉(zhuǎn)動方向與基座轉(zhuǎn)動方向相反，因而平臺繞穩(wěn)定軸仍保持空間方位不變。 2.誤差 當(dāng)三自由

8、度陀螺內(nèi)環(huán)有干擾力矩時(shí)，陀螺繞 外環(huán)進(jìn)動，信號器輸出信號，經(jīng)穩(wěn)定系統(tǒng)作用， 平臺隨陀螺外環(huán)軸轉(zhuǎn)動的方向轉(zhuǎn)動，從而偏離了 原來的空間方位，造成漂移誤差,22,7.3 三軸陀螺穩(wěn)定平臺,三軸陀螺穩(wěn)定平臺： 有三個(gè)穩(wěn)定軸和三套穩(wěn)定系統(tǒng)。 三套穩(wěn)定系統(tǒng)分別承受作用在平臺三個(gè)穩(wěn)定軸上的干擾力矩，平臺能夠在干擾力矩作用下，相對慣性空間保持穩(wěn)定。 在平臺中增加水平修正系統(tǒng)和方位修正系統(tǒng)，可使平臺跟蹤地平面和子午線，相對地球保持穩(wěn)定,23,用途： 1）可測飛機(jī)的姿態(tài)角（俯仰角、傾斜角和航向角），并輸送到地平指示器、航向指示器和自動駕駛儀等設(shè)備。 2）高精度的三軸陀螺穩(wěn)定平臺可在飛機(jī)上建立精確的導(dǎo)航坐標(biāo)系，把加

9、速度計(jì)穩(wěn)定在所需方位上工作，是慣導(dǎo)系統(tǒng)的主要基礎(chǔ)部件?？捎啥杂啥韧勇莼蛉杂啥韧勇萁M成,24,一 二自由度陀螺組成的三軸陀螺穩(wěn)定平臺 （一）平臺基本組成 1.平臺由橫滾環(huán)、俯仰環(huán)和方位環(huán)組成，可繞三個(gè)軸 （縱向穩(wěn)定軸、橫向穩(wěn)定軸和方位穩(wěn)定軸）相對基座 轉(zhuǎn)動。 2.方位穩(wěn)定軸和平臺固裝在一起。 3.縱向穩(wěn)定軸是傾斜角的測量軸；橫向穩(wěn)定軸是俯仰角的測量軸；方位穩(wěn)定軸是航向角的測量軸,25,4.平臺上裝有三個(gè)二自由度陀螺。三個(gè)陀螺分別與信號器、穩(wěn)定信號分配器、放大器和穩(wěn)定電機(jī)等組成三套穩(wěn)定系統(tǒng)。 1）其中、陀螺內(nèi)框軸均垂直平臺平面，自轉(zhuǎn)軸都平行平臺平面。正常工作狀態(tài)下，兩個(gè)陀螺自轉(zhuǎn)軸保持相互垂直。

10、 2）陀螺的內(nèi)環(huán)軸平行于平臺平面，即垂直與方位軸安裝。正常狀態(tài)下，其自轉(zhuǎn)軸垂直于方位軸,26,27,二）系統(tǒng)工作原理 1.方位穩(wěn)定系統(tǒng)：當(dāng)平臺受到沿方位穩(wěn)定軸作用的干擾力矩時(shí)，陀螺進(jìn)動，它的信號器輸出信號，經(jīng)放大送到方位穩(wěn)定電機(jī)，產(chǎn)生穩(wěn)定力矩平衡干擾力矩使平臺保持方位穩(wěn)定。工作原理與單軸穩(wěn)定系統(tǒng)完全相同,28,2.水平穩(wěn)定系統(tǒng)：兩個(gè)單軸穩(wěn)定系統(tǒng)組成，加裝穩(wěn)定信號分配器，協(xié)調(diào)兩單軸穩(wěn)定系統(tǒng)。 （1）0度航向時(shí)，如a圖所示，陀螺感受縱向穩(wěn)定軸上干擾力矩，輸出信號使縱向穩(wěn)定電機(jī)產(chǎn)生穩(wěn)定力矩；陀螺感受橫向穩(wěn)定軸上干擾力矩，輸出信號時(shí)橫向穩(wěn)定電機(jī)產(chǎn)生穩(wěn)定力矩。此時(shí)穩(wěn)定信號分配正確，穩(wěn)定系統(tǒng)工作正常,29

11、,2）90度航向時(shí)，如b圖所示，平臺被方位穩(wěn)定系統(tǒng)穩(wěn)定，不隨飛機(jī)改變方向，陀螺、的自轉(zhuǎn)軸方向不變，但平臺縱向、橫向穩(wěn)定軸及其穩(wěn)定電機(jī)隨飛機(jī)轉(zhuǎn)過90度。此時(shí)，如陀螺、穩(wěn)定信號分配不當(dāng)，水平穩(wěn)定系統(tǒng)仍與0度航向相同，會造成：陀螺不感受縱向穩(wěn)定軸上的干擾力矩，但仍控制產(chǎn)生縱向穩(wěn)定力矩；陀螺不感受橫向穩(wěn)定軸上的干擾力矩，但仍控制產(chǎn)生橫向穩(wěn)定力矩。此時(shí)不能保證平臺水平穩(wěn)定。措施：增加穩(wěn)定信號分配器，使陀螺、輸出的穩(wěn)定信號，先進(jìn)入分配器，在進(jìn)入相應(yīng)的穩(wěn)定電機(jī),30,沒有信號分配器時(shí)航向改變對兩個(gè)水平穩(wěn)定系統(tǒng)的影響 (a)0度航向，(b)90度航向，(c)任意航向,31,穩(wěn)定信號分配器：旋轉(zhuǎn)變壓器，包括定子

12、繞組和轉(zhuǎn)子繞組。定子繞組、相互垂直固定在平臺俯仰框上，隨航向變化繞平臺方位軸轉(zhuǎn)動，與縱向穩(wěn)定電機(jī)相連，與橫向穩(wěn)定電機(jī)相連。轉(zhuǎn)子繞組、相互垂直，接收陀螺輸出信號，接收陀螺輸出信號,32,旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子中的合成磁場為： 合成磁場和轉(zhuǎn)子繞組I的夾為,當(dāng)0度航向時(shí)，縱向干擾力矩完全被陀螺感受到，并生產(chǎn)穩(wěn)定力矩平衡掉。（p288） 當(dāng)航向角不為零，干擾力矩經(jīng)分解，被兩個(gè)陀螺感受到,形成磁場分別為,33,綜上所述，干擾力矩作用于平臺，轉(zhuǎn)子繞組的合成磁場大小 不變，方向隨飛機(jī)航向改變相同的角度，合成磁場與定子繞組的 相對位置不變,三）平臺水平修正系統(tǒng)：由液體擺開關(guān)和修正電機(jī)組成，工作原理和地平儀修正原理相似

13、,航向變化 （定子，穩(wěn)定電機(jī),干擾力矩分解,陀螺 進(jìn)動角,轉(zhuǎn)子磁場,合成磁場H,定子感受磁場,穩(wěn)定力矩產(chǎn)生,平衡干擾力矩,34,二 三自由度陀螺組成的三軸陀螺穩(wěn)定平臺 1.基本組成 由方位環(huán)（平臺）、俯仰環(huán)、橫滾環(huán)和兩個(gè)三自由度陀螺等 組成。三個(gè)穩(wěn)定軸分別是方位、橫向、縱向穩(wěn)定軸，三個(gè)穩(wěn)定系 統(tǒng)分別承受作用在三個(gè)穩(wěn)定軸上的干擾力矩。兩陀螺內(nèi)環(huán)軸是平 臺兩個(gè)水平穩(wěn)定軸的敏感軸，而兩陀螺的外環(huán)軸中的一個(gè)是方位 穩(wěn)定軸的敏感軸。 （1）方位穩(wěn)定系統(tǒng)：陀螺外環(huán)軸上的信號器、放大器和方位 穩(wěn)定電機(jī)等組成。 （2）縱向穩(wěn)定系統(tǒng)：陀螺內(nèi)環(huán)軸上的信號器、放大器、信號 分配器和縱向穩(wěn)定電機(jī)等組成。 （3）橫向穩(wěn)

14、定系統(tǒng)：陀螺內(nèi)環(huán)軸上的信號器、放大器、信號 分配器和橫向穩(wěn)定電機(jī)組成,35,2.工作原理 三軸平臺使用兩個(gè)三自由度陀螺作為敏感元件，共有四個(gè)敏 感軸，控制三軸平臺時(shí)有一個(gè)敏感軸冗余。需控制該軸隨平臺一 起轉(zhuǎn)動，否則，由于陀螺的定軸性，平臺轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)子軸不動，使 兩陀螺自轉(zhuǎn)軸及內(nèi)環(huán)軸無法保持垂直，產(chǎn)生漂移。措施：增加方 位鎖定系統(tǒng)，控制該冗余軸，保持兩陀螺自轉(zhuǎn)軸和平臺相對 位置不變，保證原來的相互垂直關(guān)系,36,7.4 舒勒原理和積分修正法,在靜止或勻速直線運(yùn)動時(shí)，地垂線可用單擺確定，但當(dāng)運(yùn)載體有加速度時(shí)，單擺跟蹤視在垂線，加速度越大，單擺偏離地垂線越嚴(yán)重。 一 舒勒擺原理 德國物理學(xué)家舒勒（sc

15、uhler）于1923年提出，舒勒擺的基本內(nèi)容：假設(shè)有一個(gè)質(zhì)量為m，擺長為地球半徑R的單擺，其擺動周期為84.4分鐘，則不管這個(gè)擺的懸掛點(diǎn)以任何加速度運(yùn)動，擺始終停在當(dāng)?shù)氐卮咕€方向上，或者說擺始終垂直于當(dāng)?shù)厮矫?37,38,39,結(jié)論：當(dāng)單擺的固有振蕩周期為84.4分鐘時(shí)，其運(yùn)動將不受載體 加速度干擾，而始終跟蹤當(dāng)?shù)氐卮咕€。 稱為舒勒頻率， 稱為舒勒周期， 為單擺的舒勒調(diào)諧條件。 要實(shí)現(xiàn)一個(gè)擺長等于地球半徑的實(shí)際單擺是不可能的。但舒 勒擺的思想是正確的，它成功的應(yīng)用在慣導(dǎo)系統(tǒng)中,40,二 積分修正平臺原理 慣導(dǎo)系統(tǒng)需一個(gè)平行當(dāng)?shù)厮矫娴钠脚_。平臺由兩個(gè)軸夠成，首先討論一個(gè)軸保持在水平面的方法

16、，即積分修正法（舒勒修正法）。 設(shè)一單軸平臺被飛機(jī)帶動沿子午面向正北方向水平飛行，如圖所示由A點(diǎn)運(yùn)動到B點(diǎn)，包括兩種運(yùn)動：一平動，如圖中虛線所示，由飛機(jī)帶動并由穩(wěn)定系統(tǒng)保持平臺和初始位置A點(diǎn)的方位一致；二轉(zhuǎn)動，由虛線位置轉(zhuǎn)到實(shí)線位置，由修正回路來完成。這兩個(gè)回路組成單軸慣導(dǎo)系統(tǒng),41,1.系統(tǒng)組成 單軸平臺由一個(gè)二自由度積分陀螺儀、信號器、力矩器、穩(wěn)定電機(jī)及減速器、平臺和穩(wěn)定軸等組成。同時(shí)在平臺上垂直平臺軸放置一個(gè)線加速度計(jì)、積分器、除法器等。線加速度計(jì)測量飛機(jī)沿縱軸的線加速度,42,2.修正回路工作原理 由舒勒原理，平臺由A點(diǎn)移動到B點(diǎn)，地垂線變化角為 ，相應(yīng)的角加速度為 ，如果能控制平臺轉(zhuǎn)動的角加速度 ，并使它等于 ，最終可能使 ，即平臺轉(zhuǎn)動的角度恰好等于飛機(jī)由A點(diǎn)運(yùn)動到B點(diǎn)時(shí)地垂線的變化角。 根據(jù)這個(gè)思路，有： 經(jīng)二次積分，可得,43,北向加速度計(jì) 測得飛機(jī)的北向加速度 ，經(jīng)過一次積分后得到北向速度 ，求出地垂線的旋轉(zhuǎn)角速度 ，并作為指令信號輸入陀螺力矩器，產(chǎn)生力矩驅(qū)動陀螺進(jìn)動，使穩(wěn)定系統(tǒng)工作（產(chǎn)生輸出角，經(jīng)放大校正輸入穩(wěn)定電機(jī)，驅(qū)動平臺轉(zhuǎn)動 角）。以上平臺修正指令是由加速度信號經(jīng)二次積分得到的，故稱積分修正。 此系統(tǒng)完全根據(jù)舒勒擺原理進(jìn)行，是精密的隨動系統(tǒng)，可精確的按計(jì)算值控制,44,3.修正回路,其中,由,得到的傳遞函數(shù),為加速度計(jì)的