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1、2023/9/29,惯性导航原理,中国民航大学电子信息工程学院,崔 铭,2,第七章 陀螺稳定平台,3,一 陀螺稳定平台 利用陀螺特性，直接或间接地使某一物体，相对地球或惯性空间保持指向不变；或按要求改变物体起始位置的一种陀螺装置（如雷达天线，航空摄影，同步卫星天线）。有稳定和跟踪两种基本功能。又称陀螺稳定器、陀螺稳定装置、陀螺稳定系统。,7.1 概 述,4,二 分类1.按稳定轴数目：（1）单轴陀螺稳定平台：能使被稳定对象在空间绕某一根轴保持稳定，阻止被稳定对象绕该轴转动；（2）双轴陀螺稳定平台：能使被稳定对象在空间绕两根不平行的轴保持稳定，两个不平行的稳定轴可形成一稳定平面，故称双轴陀螺稳定平
2、台；（3）三轴陀螺稳定平台：能使被稳定对象在空间绕三根互不平行的轴保持稳定，故称三轴陀螺稳定平台。,5,6,7,8,2.按工作原理 直接陀螺稳定平台：直接利用陀螺力矩平衡干扰力矩；动力陀螺稳定平台：利用陀螺力矩和外加机械力矩来共同平衡干扰力矩；间接陀螺稳定平台：只利用外加机械力矩平衡干扰力矩。3.按陀螺自由度数：二自由、三自由度陀螺稳定平台,9,三 陀螺稳定平台的特点（p281）仅将陀螺作为敏感元件装在平台上，绕其测量轴方向可承受较大的干扰力矩，用专门的自动调节系统承受干扰力矩，精确输出测量角度。,10,7.2 单轴陀螺稳定系统基本原理,从陀螺稳定平台的稳定原理看，双轴和三轴陀螺稳定平台都是有
3、单轴陀螺稳定平台组成的。单轴陀螺稳定平台包括：直接陀螺稳定器、动力陀螺稳定器和间接陀螺稳定器。直接陀螺稳定器 利用陀螺力矩抵消干扰力矩，实际上是种动量矩很大的陀螺。四、五十年代曾用来稳定船舶，陀螺转子直径达4米，重110吨，稳定装置重600吨。,11,当稳定对象与陀螺外框轴相连，则此三自由度陀螺就是一个直接陀螺稳定器。当外框轴有干扰力矩时，陀螺绕内框轴动，产生陀螺力矩平衡干扰力矩。,12,缺点：1.干扰力矩全靠陀螺力矩抵消，要求有比较大的动量 矩，即有很大的体积和质量，设备很笨重。2.长时间受到方向不变的干扰力矩时，陀螺进动始终朝 一个方向进行，当进动到90度时，陀螺主轴与干扰力 矩作用轴重合
4、，陀螺力矩为零，此时陀螺失去稳定性。,13,二 动力陀螺稳定器 利用陀螺力矩和稳定系统电动机产生的力矩共同抵消干扰力矩的陀螺稳定器。可用二自由度或三自由度陀螺组成。现主要介绍二自由度陀螺组成的陀螺稳定器。,1.组成：二自由度陀螺、信号器、放大器、稳定电动机及减速器、平台等。,14,2.工作原理1)二自由度陀螺内环轴与平台轴垂直，内环轴上装有信号传感器。2)稳定电机固定在基座上，通过减速器可使平台绕平台轴转动。3)陀螺装在平台上，陀螺仪对平台仅有二自由度，但平台对基座又有一个转动自由度，把平台看作陀螺的外环，平台轴看作外环轴，则平台中的陀螺对基座就有三个自由度。4)把这样的总体看出是一个三自由度
5、陀螺，只是三自由度陀螺外环的质量和转动惯量加大了。应用于火炮、雷达天线等控制。,15,1)陀螺转子动量矩足够大,干扰力矩绕平台轴作用在平台上，不会引起平台转动，而是引起陀螺绕内环进动，产生陀螺力矩抵消干扰力矩。2)当陀螺绕内环轴进动出现转角时，传感器输出信号，经放大给稳定电机，产生稳定力矩，抵消干扰力矩。,16,注意：1)进动角小，稳定力矩小，主要由陀螺力矩抵消干扰力矩；2)当进动角大，稳定力矩增大，对干扰力矩抵消越来越多，进动角速度逐渐减小；3)进动角达到一定时，稳定力矩完全抵消干扰力矩，陀螺停止进动，陀螺力矩完全消失，此时平台抵消外力矩的作用完全由稳定系统承担；4)干扰力矩消失后，陀螺在稳
6、定力矩作用下，逐渐向初始位置进动，当陀螺回到初始位置时，稳定力矩消失。,17,3.误差 稳定平台对绕稳定轴作用的干扰力矩有很高的抵抗能力，但当绕陀螺内环轴有摩擦力矩和不平衡力矩时，采用旋转轴承，液浮支承或气浮支承来减小干扰力矩。,18,4.三自由度陀螺组成的动力陀螺稳定器,基本原理同二自由度陀螺组成的动力陀螺稳定器,19,三 间接陀螺稳定器 干扰力矩只由稳定系统来抵消，与动力陀螺稳定器组成基本相同，而间接陀螺稳定器的陀螺只起感受作用，不起执行作用。,20,1.工作原理 平台可绕平台轴相对基座转动，具有一个自由度。平台上装有一个三自由度陀螺，其外环轴（或内环轴）与平台轴平行，且在外环轴（或内环轴
7、）上装有信号传感器。,21,当干扰力矩沿平台轴作用到平台时，引起平台绕平台轴转动，偏离原理的空间方位，而三自由度陀螺具有稳定性，其外环轴不转动，故此，平台就相对陀螺仪出现了偏转角。此时信号器输出信号，经放大送个稳定电机，稳定电机根据信号大小和极性产生一定大小和方向的稳定力矩，并通过通过减速器传到平台上，从而平衡掉干扰力矩。,22,隔离基座运动：当基座绕平台稳定轴转动时，也会带动平台转动而偏离原理方位，此时信号器输出信号，通过稳定系统使平台绕稳定轴相对基座转动，平台转动方向与基座转动方向相反，因而平台绕稳定轴仍保持空间方位不变。2.误差 当三自由度陀螺内环有干扰力矩时，陀螺绕外环进动，信号器输出
8、信号，经稳定系统作用，平台随陀螺外环轴转动的方向转动，从而偏离了原来的空间方位，造成漂移误差。,23,7.3 三轴陀螺稳定平台,三轴陀螺稳定平台：有三个稳定轴和三套稳定系统。三套稳定系统分别承受作用在平台三个稳定轴上的干扰力矩，平台能够在干扰力矩作用下，相对惯性空间保持稳定。在平台中增加水平修正系统和方位修正系统，可使平台跟踪地平面和子午线，相对地球保持稳定。,24,用途：1）可测飞机的姿态角（俯仰角、倾斜角和航向角），并输送到地平指示器、航向指示器和自动驾驶仪等设备。2）高精度的三轴陀螺稳定平台可在飞机上建立精确的导航坐标系，把加速度计稳定在所需方位上工作，是惯导系统的主要基础部件。可由二自
9、由度陀螺或三自由度陀螺组成。,25,一 二自由度陀螺组成的三轴陀螺稳定平台（一）平台基本组成1.平台由横滚环、俯仰环和方位环组成，可绕三个轴（纵向稳定轴、横向稳定轴和方位稳定轴）相对基座转动。2.方位稳定轴和平台固装在一起。3.纵向稳定轴是倾斜角的测量轴；横向稳定轴是俯仰角的测量轴；方位稳定轴是航向角的测量轴。,26,4.平台上装有三个二自由度陀螺。三个陀螺分别与信号器、稳定信号分配器、放大器和稳定电机等组成三套稳定系统。1）其中、陀螺内框轴均垂直平台平面，自转轴都平行平台平面。正常工作状态下，两个陀螺自转轴保持相互垂直。2）陀螺的内环轴平行于平台平面，即垂直与方位轴安装。正常状态下，其自转轴
10、垂直于方位轴。,27,28,（二）系统工作原理1.方位稳定系统：当平台受到沿方位稳定轴作用的干扰力矩时，陀螺进动，它的信号器输出信号，经放大送到方位稳定电机，产生稳定力矩平衡干扰力矩使平台保持方位稳定。工作原理与单轴稳定系统完全相同。,29,2.水平稳定系统：两个单轴稳定系统组成，加装稳定信号分配器，协调两单轴稳定系统。（1）0度航向时，如a图所示，陀螺感受纵向稳定轴上干扰力矩，输出信号使纵向稳定电机产生稳定力矩；陀螺感受横向稳定轴上干扰力矩，输出信号时横向稳定电机产生稳定力矩。此时稳定信号分配正确，稳定系统工作正常。,30,（2）90度航向时，如b图所示，平台被方位稳定系统稳定，不随飞机改变
11、方向，陀螺、的自转轴方向不变，但平台纵向、横向稳定轴及其稳定电机随飞机转过90度。此时，如陀螺、稳定信号分配不当，水平稳定系统仍与0度航向相同，会造成：陀螺不感受纵向稳定轴上的干扰力矩，但仍控制产生纵向稳定力矩；陀螺不感受横向稳定轴上的干扰力矩，但仍控制产生横向稳定力矩。此时不能保证平台水平稳定。措施：增加稳定信号分配器，使陀螺、输出的稳定信号，先进入分配器，在进入相应的稳定电机。,31,没有信号分配器时航向改变对两个水平稳定系统的影响(a)0度航向，(b)90度航向，(c)任意航向,32,稳定信号分配器：旋转变压器，包括定子绕组和转子绕组。定子绕组、相互垂直固定在平台俯仰框上，随航向变化绕平
12、台方位轴转动，与纵向稳定电机相连，与横向稳定电机相连。转子绕组、相互垂直，接收陀螺输出信号，接收陀螺输出信号。,33,旋转变压器转子中的合成磁场为：合成磁场和转子绕组I的夹为：,当0度航向时，纵向干扰力矩完全被陀螺感受到，并生产稳定力矩平衡掉。（p288）当航向角不为零，干扰力矩经分解，被两个陀螺感受到,形成磁场分别为：,34,综上所述，干扰力矩作用于平台，转子绕组的合成磁场大小不变，方向随飞机航向改变相同的角度，合成磁场与定子绕组的相对位置不变。,（三）平台水平修正系统：由液体摆开关和修正电机组成，工作原理和地平仪修正原理相似。,航向变化（定子，稳定电机）,干扰力矩分解,陀螺 进动角,转子磁
13、场,合成磁场H,定子感受磁场,稳定力矩产生,平衡干扰力矩,35,二 三自由度陀螺组成的三轴陀螺稳定平台1.基本组成 由方位环（平台）、俯仰环、横滚环和两个三自由度陀螺等组成。三个稳定轴分别是方位、横向、纵向稳定轴，三个稳定系统分别承受作用在三个稳定轴上的干扰力矩。两陀螺内环轴是平台两个水平稳定轴的敏感轴，而两陀螺的外环轴中的一个是方位稳定轴的敏感轴。（1）方位稳定系统：陀螺外环轴上的信号器、放大器和方位稳定电机等组成。（2）纵向稳定系统：陀螺内环轴上的信号器、放大器、信号分配器和纵向稳定电机等组成。（3）横向稳定系统：陀螺内环轴上的信号器、放大器、信号分配器和横向稳定电机组成。,36,2.工作
14、原理 三轴平台使用两个三自由度陀螺作为敏感元件，共有四个敏感轴，控制三轴平台时有一个敏感轴冗余。需控制该轴随平台一起转动，否则，由于陀螺的定轴性，平台转动而转子轴不动，使两陀螺自转轴及内环轴无法保持垂直，产生漂移。措施：增加方位锁定系统，控制该冗余轴，保持两陀螺自转轴和平台相对位置不变，保证原来的相互垂直关系。,37,7.4 舒勒原理和积分修正法,在静止或匀速直线运动时，地垂线可用单摆确定，但当运载体有加速度时，单摆跟踪视在垂线，加速度越大，单摆偏离地垂线越严重。一 舒勒摆原理 德国物理学家舒勒（scuhler）于1923年提出，舒勒摆的基本内容：假设有一个质量为m，摆长为地球半径R的单摆，其
15、摆动周期为84.4分钟，则不管这个摆的悬挂点以任何加速度运动，摆始终停在当地地垂线方向上，或者说摆始终垂直于当地水平面。,38,39,40,结论：当单摆的固有振荡周期为84.4分钟时，其运动将不受载体加速度干扰，而始终跟踪当地地垂线。称为舒勒频率，称为舒勒周期，为单摆的舒勒调谐条件。要实现一个摆长等于地球半径的实际单摆是不可能的。但舒勒摆的思想是正确的，它成功的应用在惯导系统中。,41,二 积分修正平台原理 惯导系统需一个平行当地水平面的平台。平台由两个轴够成，首先讨论一个轴保持在水平面的方法，即积分修正法（舒勒修正法）。设一单轴平台被飞机带动沿子午面向正北方向水平飞行，如图所示由A点运动到B
16、点，包括两种运动：一平动，如图中虚线所示，由飞机带动并由稳定系统保持平台和初始位置A点的方位一致；二转动，由虚线位置转到实线位置，由修正回路来完成。这两个回路组成单轴惯导系统。,42,1.系统组成 单轴平台由一个二自由度积分陀螺仪、信号器、力矩器、稳定电机及减速器、平台和稳定轴等组成。同时在平台上垂直平台轴放置一个线加速度计、积分器、除法器等。线加速度计测量飞机沿纵轴的线加速度。,43,2.修正回路工作原理 由舒勒原理，平台由A点移动到B点，地垂线变化角为，相应的角加速度为，如果能控制平台转动的角加速度，并使它等于，最终可能使，即平台转动的角度恰好等于飞机由A点运动到B点时地垂线的变化角。根据
17、这个思路，有：经二次积分，可得:,44,北向加速度计 测得飞机的北向加速度，经过一次积分后得到北向速度，求出地垂线的旋转角速度，并作为指令信号输入陀螺力矩器，产生力矩驱动陀螺进动，使稳定系统工作（产生输出角，经放大校正输入稳定电机，驱动平台转动 角）。以上平台修正指令是由加速度信号经二次积分得到的，故称积分修正。此系统完全根据舒勒摆原理进行，是精密的随动系统，可精确的按计算值控制。,45,3.修正回路,其中：,由,得到的传递函数；,为加速度计的刻度系数；,为第一积分器的传输函数；,为除法器；,力矩器刻度系数；,为稳定系统静态传输函数，H为平台系统角动量；,46,中间支路传输函数为：,令 则：,即：,因此只有设计系统时，选取适当的 即可实现。,惯性平台要实现跟踪水平面，须有两个水平回路，原理同上。用这样的方法制造的惯性平台，不受飞机加速度的影响，能精确保持水平。,47,作业：1.陀螺稳定器按工作原理分类及原理2.单轴间接陀螺稳定器的工作原理及隔离基座运动3.三轴陀螺稳定平台组成，方位及水平稳定系统的工作原理4.稳定信号分配器的功能、工作原理5.舒勒摆原理、积分修正法原理,
