第2章 陀螺仪原理 惯性导航.pptxVIP

2.3 坐标系关系2.1 三自由度陀螺及基本特性2.2 陀螺力矩2.4 二自由度陀螺及其应用第二章 陀螺仪原理复 合 运 动绝对运动：动点相对于定参考系的运动。相对运动：动点相对于动参考系的运动。牵连运动：动参考系相对于定参考系的运动。例：人在运动的车厢内行走。复合运动：可以是有由两个直线运动组成，也可以由 两个圆周运动组成，还可以由一个直线运动和一个圆周运动组成。 例：当复合运动由一个直线运动和一个圆周运动组成。（P6） 牵连切线速度使相对速度发生变化而产生的加速度 ： 相对速度使牵连速度发生变化而产生的加速度 ： yVrVe滑块ω直杆x附加加速度（哥氏加速度）：附加惯性力: 哥氏加速度是由于质点不仅做圆周运动，而且也做径向或周向运动所产生的。陀 螺 简 介陀螺是什么？ 我们小时候都玩过它。它是一种圆锥形玩具，下端有尖针，绕上细绳，猛甩出去就能在地上旋转。陀螺定义：绕自身对称轴高速旋转的刚体。（刚体—不变形的固体） 为什么用鞭子抽打后，先轻微摆动，后绕自转轴高速旋转？陀螺仪（Gyroscope） 陀螺仪：将陀螺安装在框架装置上，使陀螺的自转轴有一定的转动自由度。 通常，把陀螺仪定义为利用动量矩（自转转子产生） 敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或两个轴的角运动的装置。 敏感角运动的一种精密传感器，是惯性导航系统的中最重要、技术含量最高的仪器，是惯导系统中的核心器件。陀螺仪的精度是惯导系统精度的主要决定因素。 随着科学技术的发展，许多新型陀螺仪的大量出现，它们之中已经没有高速旋转的转子，但 是它们仍然可以用来感测物体相对惯性空间的角运动，因此人们也把陀螺仪这一名称扩展到没有刚体转子而功能与经典陀螺仪等同的敏感器。 本节仍以框架式刚体转子陀螺仪为研究对象来阐述陀螺仪的基本特性。 三自由度陀螺（二自由度）二自由度陀螺（单自由度） 陀螺的应用：指示仪表，传感器，把陀螺本身作为一个元部件，与其他自动控制元部件组成各种陀螺装置。 基本部件：陀螺转子，内、外框架（支承部件），附件（电机、力矩器等）陀 螺 应 用1.指示仪表：指示飞机俯仰角和倾斜角的航空地平仪，指示航向角的罗盘，指示转弯方向和速度的转弯仪。2.传感器:输出与被测量参数成一定关系的电信号。如陀螺航向传感器，角速度传感器。3.本身作为一个元部件，与其它自动控制元部件组成各种陀螺装置。如陀螺稳定平台，惯性导航系统等。2.1 三自由度陀螺及基本特性一、两个主要特性： 稳定性：陀螺转子绕自转轴高速旋转即具有动量矩时，如果不受外力矩作用，自转轴将相对惯性空间保持方向不变的特性。 进动性：在陀螺上施加外力矩时，会引起陀螺动量矩矢量相对惯性空间转动的特性。1.稳定性 三自由度陀螺保持其自转轴（或动量矩矢量—教材P8）在空间的方向不发生变化的特性。有两种表现形式即定轴性和章动。 定轴性:当三自由度陀螺转子高速旋转后，若不受外力矩的作用，不管基座如何转动，支承在万向支架上的陀螺仪的自转轴指向惯性空间方位不变。陀螺的动量矩越大，陀螺仪的定轴性越强。 实际的陀螺仪中，由于结构和工艺的不完备，总是不可避免的存在着干扰力矩。从而破坏了稳定性，产生了章动（瞬时冲击力矩）和进动（一定持续时间的力矩） 。 章动：陀螺受到瞬时冲击力矩作用后，自转轴在原位附近做微小的圆锥运动，其转子轴的大方向基本不变。2、陀螺相对地球的视在运动 由于陀螺仪的转动相对惯性空间保持方向不变，而地球以自转角速度绕极轴相对于惯性空间转动，因此观察者以地球为参考基准，会看到陀螺自转轴相对于地球在运动，这种现象叫做陀螺仪的视在运动。赤道处观察的表观运动 北极处观察的表观运动 三自由度陀螺定轴性 因此，如果想利用陀螺仪在载体上建立当地垂线和子午线作为姿态的测量基准，就必须对陀螺施加一定的控制力矩或修正力矩，使其自转轴始终跟踪当地垂线和子午线在惯性空间中的方位变化。决定稳定性好坏的因素 陀螺转子因为具有转动惯量，所以能够保持转动轴方向不变。陀螺稳定性除与转子的转动惯量有关外，还与它的转动角速度有关。在力学中，常用动量矩Ｈ（角动量）来表示转动惯量Ｊ与角速度Ω的乘积，即 ，方向用右手螺旋定则判断。 上式说明，转动惯量和自转角速度越大，动量矩越大，定轴性越好，稳定性越高。此外，陀螺稳定性还与陀螺三轴是否垂直有关。 注：物体在转动时所具有的保持其转动状态不变的惯性，被称之为转动惯量。它与物体的质量形状及转动轴的位置有关，即： 3.进动性进动性：当三自由度陀螺受到外力矩作用时，陀螺仪并不在外力矩所作用的平面内产生运动，而是在与外力矩作用平面相垂直的平面内运动。进动方向：将外力矩矢量沿转子自转方向转90度。 外力矩作用在内框轴上外力矩作用在外框轴上 当转子绕自转轴高速旋转即具有动量矩 时，若外力矩 绕内框轴作用在