機(jī)載電子設(shè)備課件4第四章3new

第四章陀螺儀姿態(tài)和航向測(cè)量2010.11.012主要內(nèi)容概論二自由度陀螺儀單自由度陀螺儀陀螺儀在飛機(jī)姿態(tài)測(cè)量中的應(yīng)用陀螺儀在飛機(jī)航向測(cè)量中的應(yīng)用其它類(lèi)型的陀螺儀34.3飛機(jī)航向(1)真航向真子午線(即地理經(jīng)線)與飛機(jī)縱軸在水平面上投影的夾角為真航向角。按真航向角計(jì)算的飛機(jī)航向稱為真航向。磁航向磁子午線(即地球磁經(jīng)線)與飛機(jī)縱軸在水平面上投影的夾角為磁航向角。按磁航向角計(jì)算的飛機(jī)航向稱為磁航向。44.3飛機(jī)航向(2)磁子午線與真子午線方向不一致而形成的磁偏角稱為磁差角。地球磁場(chǎng)隨時(shí)間、地點(diǎn)不同而異。羅航向飛機(jī)上的鋼鐵物質(zhì)和工作著的電氣設(shè)備會(huì)形成飛機(jī)磁場(chǎng)。由此，飛機(jī)上用磁羅盤(pán)測(cè)得的航向基準(zhǔn)線實(shí)際上是地球磁場(chǎng)與飛機(jī)磁場(chǎng)兩者形成的合成磁場(chǎng)水平分量方向，即羅經(jīng)線。54.3飛機(jī)航向(3)真航向、磁航向與羅航向64.3飛機(jī)航向(4)飛機(jī)磁場(chǎng)與羅差74.3飛機(jī)航向(5)陀螺航向以陀螺的自轉(zhuǎn)軸作為航向基準(zhǔn)線，陀螺所指示的航向即為陀螺航向。大圓航向通過(guò)地心與地球表面相交的圓稱大圓，飛機(jī)沿大圓飛行的航向稱為大圓航向。地球表面任意兩點(diǎn)間的距離，大圓圈線最短，即按大圓飛行航程最短。85.其它類(lèi)型的陀螺儀(1)陀螺儀工作精度指標(biāo)：漂移率（漂移角速度）。目前，中等精度的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)要求陀螺的漂移率不大于。框架式陀螺采用框架裝置并用滾珠軸承支承，其漂移率很難達(dá)到

（支承方式導(dǎo)致無(wú)規(guī)律的隨機(jī)摩擦）。95.其它類(lèi)型的陀螺儀(2)自20世紀(jì)50年代以來(lái)，通過(guò)兩種途徑對(duì)陀螺進(jìn)行改進(jìn)和革新——改進(jìn)陀螺的支承：如液浮陀螺，氣浮陀螺，撓性陀螺，靜電陀螺等；尋求新的工作原理研制新型陀螺：如激光陀螺，光纖陀螺等。10撓性陀螺原理示意圖115.1撓性陀螺(1)一種具有彈性支承的陀螺儀。基本組成：陀螺轉(zhuǎn)子、撓性接頭、驅(qū)動(dòng)軸、磁滯馬達(dá)、信號(hào)傳感器和力矩器?；驹泶艤R達(dá)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)軸（自轉(zhuǎn)軸），經(jīng)撓性接頭使轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)。撓性接頭沿軸向不可拉伸或壓縮，卻可繞垂直于自轉(zhuǎn)軸的兩個(gè)正交軸（進(jìn)動(dòng)軸）方向轉(zhuǎn)動(dòng)。125.1撓性陀螺(2)從而，高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子相對(duì)慣性空間具有定軸性，即不論基座如何轉(zhuǎn)動(dòng)，包括左右、前后傾斜，轉(zhuǎn)子的角動(dòng)量H(自轉(zhuǎn)軸)保持方位不變。用兩對(duì)信號(hào)器分別測(cè)量轉(zhuǎn)子繞兩個(gè)正交進(jìn)動(dòng)軸的角位移，并用兩對(duì)力矩器，沿兩個(gè)進(jìn)動(dòng)軸施加必要的修正力矩，即構(gòu)成二自由度陀螺儀（自轉(zhuǎn)軸具有兩個(gè)自由度）。135.1撓性陀螺(3)撓性陀螺的特點(diǎn)沒(méi)有框架陀螺的內(nèi)、外框，只有一個(gè)撓性接頭，取消了支承框架的軸承裝置，消除了一般軸承支承時(shí)產(chǎn)生的無(wú)規(guī)律的隨機(jī)摩擦，變成有規(guī)律的可進(jìn)行補(bǔ)償?shù)膹椥粤兀瑥亩蓪?shí)現(xiàn)低漂移率。145.2靜電陀螺(1)由靜電吸力支承的陀螺儀。轉(zhuǎn)子：金屬球體，放置在超高真空的強(qiáng)電場(chǎng)中，由強(qiáng)電場(chǎng)產(chǎn)生的靜電吸力支承轉(zhuǎn)子（使轉(zhuǎn)子懸?。Ⅱ?qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子沿靜電吸力方向轉(zhuǎn)動(dòng)。陀螺儀的基本組成：球形轉(zhuǎn)子，帶有球面電極的陶瓷組件，光電傳感器（用于角度讀?。?，起動(dòng)線圈等。15靜電陀螺原理示意圖165.2靜電陀螺(2)球面電極沿三個(gè)正交軸方向在球形轉(zhuǎn)子外配置三對(duì)球面電極，每對(duì)電極上所加的電壓均可自動(dòng)調(diào)節(jié)，支承球形轉(zhuǎn)子于三對(duì)球面電極的中心位置。175.2靜電陀螺(3)靜電陀螺的特點(diǎn)基本構(gòu)成零件少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。但加工和裝配精度要求都十分嚴(yán)格。由于變革了支承系統(tǒng)，靜電陀螺的隨機(jī)漂移可達(dá)185.3激光陀螺(1)應(yīng)用激光技術(shù)測(cè)量物體相對(duì)慣性空間的角速度和轉(zhuǎn)動(dòng)角度的新型陀螺儀，完全沒(méi)有機(jī)械轉(zhuǎn)子，是一個(gè)完全的光學(xué)裝置。激光陀螺直接測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理可測(cè)量出角位移/轉(zhuǎn)角。195.3激光陀螺(2)基本組成：激光發(fā)生器、光電探測(cè)器等。激光發(fā)生器：由激光管、電源、兩個(gè)全反射鏡、一個(gè)半透射半反射鏡和一個(gè)合光棱鏡等組成；其中三個(gè)反射鏡構(gòu)成正三角形諧振腔。20激光陀螺基本組成215.3激光陀螺(3)基本測(cè)量原理激光管兩端發(fā)出的激光將沿環(huán)形激光腔（三角形、多邊形或圓形）傳播，形成順、逆時(shí)針?lè)较騼墒す?。光在環(huán)形光路中行進(jìn)時(shí)，速度恒為光速c。如果在環(huán)形光路中兩束光分別沿順、逆時(shí)針?lè)较蛐羞M(jìn)，轉(zhuǎn)一周回到出發(fā)點(diǎn)的光程長(zhǎng)度相等；如果激光器在環(huán)形平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，兩束光回到原出發(fā)點(diǎn)的光程不相等。22激光在環(huán)形光路中的行程轉(zhuǎn)動(dòng)角速度光程差235.3激光陀螺(4)若激光器以角速度順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，光束1從A點(diǎn)出發(fā)沿環(huán)形光路順時(shí)針行進(jìn)，直到回到原出發(fā)點(diǎn)為止。由于此時(shí)出發(fā)點(diǎn)A已經(jīng)轉(zhuǎn)動(dòng)到，該光束將比激光器不轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)行程增長(zhǎng)；而光束2沿環(huán)路逆時(shí)針行進(jìn)，則從出發(fā)點(diǎn)A回到原出發(fā)點(diǎn)的行程比原來(lái)縮短

，可計(jì)算出順、逆光束的光程差為：其中，S為環(huán)形光路所包圍的面積。245.3激光陀螺(5)只要測(cè)出，即可只激光器相對(duì)慣性空間轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度。實(shí)際上，直接測(cè)量光程差很困難。解決方法是將光程差轉(zhuǎn)換為頻率差進(jìn)行測(cè)量：

其中，為激光振蕩波長(zhǎng)，L為環(huán)形光路的長(zhǎng)度。用光電檢測(cè)器測(cè)量?jī)墒す獾念l率差。255.3激光陀螺(6)當(dāng)光束激光通過(guò)半透射半反射鏡后，在合光棱鏡合光，形成干涉條紋，光電檢測(cè)器可根據(jù)干涉條紋的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)測(cè)量出激光器的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度。如果激光陀螺相對(duì)慣性空間靜止不動(dòng)，，兩束光沒(méi)有頻差，干涉條紋靜止不動(dòng)，光電檢測(cè)器沒(méi)有脈沖信號(hào)輸出；如果激光陀螺轉(zhuǎn)動(dòng)，，兩束光產(chǎn)生頻差，干涉條紋將發(fā)生移動(dòng)，其移動(dòng)速度的大小和方向反映了角速度的大小和方向。2