第6章-陀螺儀漂移及測試

第六章陀螺儀的測試與標(biāo)定2/3/20231§6.1陀螺漂移的基本概念一自由陀螺的漂移

由于各種原因，在陀螺上往往作用有人們所不希望的各種干擾力矩，在這些可能是很小的干擾力矩的作用下，陀螺將產(chǎn)生進(jìn)動(dòng)，從而使角動(dòng)量向量慢慢偏離原來的方向，我們把這種現(xiàn)象稱為陀螺的漂移。把在干擾力矩作用下陀螺產(chǎn)生的進(jìn)動(dòng)角速度稱為陀螺的漂移角速度或角速率。

2/3/20232§6.1陀螺漂移的基本概念

自由陀螺存在漂移實(shí)際上是說明工程實(shí)際中的陀螺儀與陀螺儀模型之間的差別，這種差別的表現(xiàn)就是干擾力矩的存在，干擾力矩破壞了陀螺儀的定軸性，使陀螺儀的角動(dòng)量向量在慣性空間中發(fā)生了變化，包括其大小和方向。

一自由陀螺的漂移2/3/20233§6.1陀螺漂移的基本概念二單自由度浮子陀螺的漂移

當(dāng)沿著陀螺輸入軸的角速度等于什么數(shù)值時(shí)，才能使一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)中實(shí)際使用的陀螺儀的信號器輸出信號為零。這個(gè)角速度的大小稱為單自由度浮子陀螺的漂移角速度。

2/3/20234§6.1陀螺漂移的基本概念漂移角速度：三雙自由度浮子陀螺的漂移2/3/20235§6.2影響陀螺漂移的主要因素

陀螺漂移產(chǎn)生的原因是作用在陀螺上的干擾力矩根據(jù)干擾力矩的性質(zhì)及其變化規(guī)律，干擾力矩可以分為兩類：

確定性干擾力矩有規(guī)律、可試驗(yàn)或計(jì)算確定，易于補(bǔ)償。隨機(jī)性干擾力矩

無規(guī)律性。引起陀螺的隨機(jī)漂移，只能用統(tǒng)計(jì)方法來估計(jì)其概率統(tǒng)計(jì)特性。

2/3/20236對于確定性干擾力矩，根據(jù)其與加速度的分為：§6.2影響陀螺漂移的主要因素與加速度無關(guān)的干擾力矩。例如彈性力矩、電磁力矩等。與加速度成比例的干擾力矩。例如由于陀螺質(zhì)量偏心引起的干擾力矩。

與加速度平方成比例的干擾力矩。例如由非等彈性引起的干擾力矩。2/3/20237干擾力矩的分類及其所產(chǎn)生的陀螺漂移§6.2影響陀螺漂移的主要因素1.摩擦力矩及其引起的漂移2.不平衡力矩及其引起的漂移3.非等彈性力矩及其引起的漂移2/3/20238§6.3陀螺測試的伺服跟蹤法一伺服跟蹤法的基本原理2/3/20239一伺服跟蹤法的基本原理§6.3陀螺測試的伺服跟蹤法2/3/202310§6.3陀螺測試的伺服跟蹤法一伺服跟蹤法的基本原理單自由度陀螺的單軸轉(zhuǎn)臺(tái)測漂2/3/202311雙自由度陀螺的單軸轉(zhuǎn)臺(tái)測漂一伺服跟蹤法的基本原理§6.3陀螺測試的伺服跟蹤法2/3/202312§6.3陀螺測試的伺服跟蹤法二伺服跟蹤法的測速方法

精確定位定向。即陀螺輸入軸與轉(zhuǎn)臺(tái)軸平行，并且要使轉(zhuǎn)臺(tái)在地理坐標(biāo)系中精確定向。

精確測速。精確地測出轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)速。

2/3/202313首先在一段時(shí)間間隔內(nèi)，觀測轉(zhuǎn)臺(tái)相對地球的轉(zhuǎn)角，然后根據(jù)地球自轉(zhuǎn)角速度沿轉(zhuǎn)臺(tái)軸向的分量，通過計(jì)算求得在這段時(shí)間內(nèi)地球相對慣性空間的轉(zhuǎn)角：

同一時(shí)間間隔內(nèi)轉(zhuǎn)臺(tái)相對慣性空間的轉(zhuǎn)角：

陀螺的漂移角速度：二伺服跟蹤法的測速方法§6.3陀螺測試的伺服跟蹤法2/3/202314三伺服跟蹤法的轉(zhuǎn)臺(tái)軸的取向§6.3陀螺測試的伺服跟蹤法1.輸入軸在水平面內(nèi)沿東西方向2.輸入軸與地球自轉(zhuǎn)軸平行3.輸入軸沿當(dāng)?shù)卮咕€方向2/3/202315§6.4陀螺測試的力矩反饋法

一力矩反饋法法的原理2/3/202316§6.4陀螺測試的力矩反饋法

一力矩反饋法法的原理力矩反饋法采用的是力矩平衡的靜力學(xué)方法。因此，必須測量系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)各個(gè)參數(shù)的數(shù)值，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性如何判定有較高的要求。力矩反饋法測定漂移速度只須備有足夠分辨率和精度的電流記錄裝置，就能測出陀螺的瞬時(shí)漂移。對力矩器刻度因數(shù)的穩(wěn)定性和線性度有很高的要求。

2/3/202317單自由度陀螺的力矩反饋法測漂一力矩反饋法法的原理§6.4陀螺測試的力矩反饋法

2/3/202318雙自由度陀螺的力矩反饋法測漂§6.4陀螺測試的力矩反饋法

一力矩反饋法法的原理2/3/202319§6.4陀螺測試的力矩反饋法

二力矩反饋法法中陀螺相對地理坐標(biāo)系的取向

陀螺相對地理坐標(biāo)系的位置需借助轉(zhuǎn)臺(tái)

1．陀螺輸入軸沿當(dāng)?shù)厍按咕€方向zxylzoly2/3/202320§6.4陀螺測試的力矩反饋法

二力矩反饋法法中陀螺相對地理坐標(biāo)系的取向

陀螺相對地理坐標(biāo)系的位置需借助轉(zhuǎn)臺(tái)

2．陀螺輸出軸沿當(dāng)?shù)劂U垂線方向zxylzoNKly2/3/202321§6.4陀螺測試的力矩反饋法

二力矩反饋法法中陀螺相對地理坐標(biāo)系的取向

陀螺相對地理坐標(biāo)系的位置需借助轉(zhuǎn)臺(tái)

3．陀螺自轉(zhuǎn)軸沿當(dāng)?shù)劂U垂線方向

zxylyoNK2/3/202322§6.5陀螺漂移的數(shù)學(xué)模型

陀螺漂移的數(shù)學(xué)模型：描述陀螺漂移變化規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式。

在建立正確模型的基礎(chǔ)上，陀螺漂移測試和數(shù)據(jù)處理的目的就在于確定數(shù)學(xué)模型中的各個(gè)參數(shù)的大小及其穩(wěn)定性，分析這些參數(shù)與物理因素之間的關(guān)系，從而找到改進(jìn)陀螺性能的方向和途徑，并為陀螺的使用提供誤差補(bǔ)償數(shù)據(jù)。2/3/202323

漂移角速度包括三個(gè)部分，即與加速度無關(guān)的分量、正比于加速度的分量和正比于加速度平方的分量:

§6.5陀螺漂移的數(shù)學(xué)模型

一般說：漂移角速度包括與比力無關(guān)的分量，正比于比力的分量和正比于比力平方的分量。2/3/202324§6.5陀螺漂移的數(shù)學(xué)模型

陀螺漂移的純數(shù)學(xué)模型:

2/3/202325陀螺漂移的物理模型

§6.5陀螺漂移的數(shù)學(xué)模型

2/3/202326普遍采用的陀螺誤差模型§6.5陀螺漂移的數(shù)學(xué)模型

2/3/202327無論采用哪一種模型，都只能是近似地反映陀螺漂移的特性。隨著陀螺制造工藝和試驗(yàn)手段的不斷改進(jìn)，陀螺精度的不斷提高，其誤差模型也在不斷地發(fā)展和完善，因此，不能認(rèn)為現(xiàn)在采用的任意一種模型是完全精確的。另外，在使用模型時(shí)，還要根據(jù)實(shí)際需要（主要是對陀螺的精度要求）和測試條件的可能性，而保留一些起主要作用的項(xiàng)，忽略某些次要項(xiàng)，從而簡化測試過程，提高測試效率。例如，現(xiàn)在多數(shù)制造和使用者往往只取前四項(xiàng)，即與加速度無關(guān)項(xiàng)和與加速度成比例的項(xiàng)，來估計(jì)陀螺的主要漂移系數(shù)。§6.5陀螺漂移的數(shù)學(xué)模型

2/3/202328從陀螺漂移模型出發(fā)，介紹用力矩反饋法來確定陀螺漂移系數(shù)的方法——固定位置法?！?.5陀螺漂移系數(shù)的確定

所謂固定位置法是將安裝陀螺的轉(zhuǎn)臺(tái)固定在某一位置，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，讀取力矩器的電流值。

位置1：輸出軸x鉛直向上，輸入軸y向北，自轉(zhuǎn)軸z向西yxz2/3/202329從陀螺漂移模型出發(fā)，介紹用力矩反饋法來確定陀螺漂移系數(shù)的方法——固定位置法?！?.5陀螺漂移系數(shù)的確定

所謂固定位置法是將安裝陀螺的轉(zhuǎn)臺(tái)固定在某一位置，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，讀取力矩器的電流值。

位置2：輸出軸x鉛直向上，輸入軸y向南，自轉(zhuǎn)軸z向東yxz2/3/202330從陀螺漂移模型出發(fā)，介紹用力矩反饋法來確定陀螺漂移系數(shù)的方法——固定位置法。§6.5陀螺漂移系數(shù)的確定

所謂固定位置法是將安裝陀螺的轉(zhuǎn)臺(tái)固定在某一位置，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，讀取力矩器的電流值。

yxz位置3：

輸出軸x向西，輸入軸y鉛直向上，自轉(zhuǎn)軸z向北2/3/202331從陀螺漂移模型出發(fā)，介紹用力矩反饋法來確定陀螺漂移系數(shù)的方法——固定位置法?！?.5陀螺漂移系數(shù)的確定

所謂固定位置法是將安裝陀螺的轉(zhuǎn)臺(tái)固定在某一位置，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，讀取力矩器的電流值。

位置4：輸出軸x向西，輸入軸y鉛直向下，自轉(zhuǎn)軸z向南yxz2/3/202332從陀螺漂移模型出發(fā)，介紹用力矩反饋法來確定陀螺漂移系數(shù)的方法——固定位置法?！?.5陀螺漂移系數(shù)的確定

所謂固定位置法是將安裝陀螺的轉(zhuǎn)臺(tái)固定在某一位置，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，讀取力矩器的電流值。

位置5：

輸出軸x向西，輸入軸y向北，自轉(zhuǎn)軸z鉛直向下yxz2/3/202333從陀螺漂移模型出發(fā)，介紹用力矩反饋法來確定陀螺漂移系數(shù)的方法——固定位置法。§6.5陀螺漂移系數(shù)的確定

所謂固定位置法是將安裝陀螺的轉(zhuǎn)臺(tái)固定在某一位置，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，讀取力矩器的電流值。

位置6：輸出軸x向西，輸入軸y向南，自轉(zhuǎn)軸z鉛直向上yxz2/3/202334從陀螺漂移模型出發(fā)，介紹用力矩反饋法來確定陀螺漂移系數(shù)的方法——固定位置法?！?.5陀螺漂移系數(shù)的確定

所謂固定位置法是將安裝陀螺的轉(zhuǎn)臺(tái)固定在某一位置，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，讀取力矩器的電流值。

位置7：輸出軸x鉛直向下，輸入軸y向北，自轉(zhuǎn)軸z向東yxz2/3/202335從陀螺漂移模型出發(fā)，介紹用力矩反饋法來確定陀螺漂移系數(shù)的方法——固定位置法?！?.5陀螺漂移系數(shù)的確定

所謂固定位置法是將安裝陀螺的轉(zhuǎn)臺(tái)固定在某一位置，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，讀取力矩器的電流值。

位置8：輸出軸x鉛直向下，輸入軸y向南，自轉(zhuǎn)軸z向西yxz2/3/202336簡單分析時(shí)，由于通常很小，因此可得到：輸出軸向上時(shí)（第1、2兩位置）：輸出軸向下時(shí)（第7、8兩位置）：§6.5陀螺漂移系數(shù)的確定

2/3/202337當(dāng)陀螺的輸出軸存在端隙及力矩器設(shè)計(jì)不當(dāng)時(shí)：實(shí)際使用時(shí)必須注意！通常?。骸?.5陀螺漂移系數(shù)的確定

2/3/202338§6.5陀螺漂移系數(shù)的確定

由輸入軸向上和向下兩個(gè)位置可以得到輸入軸向上時(shí)（第3位置）：輸入軸向下時(shí)（第4位置）：2/3/202339由自轉(zhuǎn)軸向上和向下兩個(gè)位置可以得到自轉(zhuǎn)軸向下時(shí)（第5位置）：自轉(zhuǎn)軸向上時(shí)（第6位置）：§6.5陀螺漂移系數(shù)的確定

2/3/202340如果實(shí)際上需要考慮那些較小的系數(shù)，則對八位置的數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析，得到：由1、2、7、8位置得到：§6.5陀螺漂移系數(shù)的確定

2/3/202341由3、4位置得到：§6.5陀螺漂移系數(shù)的確定

如果實(shí)際上需要考慮那些較小的系數(shù)，則對八位置的數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析，得到：2/3/202342§6.5陀螺漂移系數(shù)的確定

如果實(shí)際上需要考慮那些較小的系數(shù)，則對八位置的數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析，得到：由5、6位置得到：2/3/202343§6.6陀螺測試與標(biāo)定的說明一測試與標(biāo)定的目的考核環(huán)境適用性和生產(chǎn)制造質(zhì)量

評估設(shè)計(jì)指標(biāo)，用于設(shè)計(jì)改進(jìn)

驗(yàn)證性能、摸索運(yùn)動(dòng)規(guī)律

評估壽命、存儲(chǔ)等基本性能

其它特殊需求2/3/202344二測試與標(biāo)定的過程

粗查/粗檢：檢查元件是否滿足設(shè)計(jì)/制造預(yù)期。靜態(tài)測試/標(biāo)定：采用多位置實(shí)驗(yàn)，測試主要性能參數(shù)。

動(dòng)態(tài)測試：驗(yàn)證元件角運(yùn)動(dòng)或線加速度運(yùn)動(dòng)下的性能。

產(chǎn)品開發(fā)過程中的其它測試§6.6陀螺測試與標(biāo)定的說明2/3/202345§6.6陀螺測試與標(biāo)定的說明三測試與標(biāo)定設(shè)備要求

專業(yè)性強(qiáng)、精度要求高、造價(jià)高、環(huán)境要求比較嚴(yán)格。需要定期檢驗(yàn)、檢驗(yàn)設(shè)備要求高

數(shù)據(jù)記錄與處理設(shè)備要求較高，通常采用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的記錄與實(shí)驗(yàn)設(shè)備的控制。2/3/202346§6.6陀螺測試與標(biāo)定的說明四主要設(shè)備用于陀螺穩(wěn)定性測試的多位置穩(wěn)定平臺(tái)，定位精度高，具有方位控制與測量的專用儀表。Graseby轉(zhuǎn)臺(tái)2/3/202347§6.6陀螺測試與標(biāo)定的說明

高精度速率轉(zhuǎn)臺(tái)，用于陀螺測量角速度傳遞函數(shù)的測試。四主要設(shè)備2/3/202348§6.6陀螺測試與標(biāo)定的說明四主要設(shè)備

單軸速率轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)2/3/202349§6.6陀螺測試與標(biāo)定的說明四主要設(shè)備

高精度溫控箱，用于陀螺溫度特性