第6章-陀螺儀漂移及測(cè)試

第六章陀螺儀的測(cè)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(hào)器輸出信號(hào)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(duì)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(cè)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(cè)試的伺服跟蹤法2/3/202310§6.3陀螺測(cè)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(cè)漂2/3/202311雙自由度陀螺的單軸轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)漂一伺服跟蹤法的基本原理§6.3陀螺測(cè)試的伺服跟蹤法2/3/202312§6.3陀螺測(cè)試的伺服跟蹤法二伺服跟蹤法的測(cè)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(cè)速。精確地測(cè)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(cè)轉(zhuǎn)臺(tái)相對(duì)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(duì)慣性空間的轉(zhuǎn)角：

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

陀螺的漂移角速度：二伺服跟蹤法的測(cè)速方法§6.3陀螺測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)各個(gè)參數(shù)的數(shù)值，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性如何判定有較高的要求。力矩反饋法測(cè)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(cè)出陀螺的瞬時(shí)漂移。對(duì)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(cè)漂一力矩反饋法法的原理§6.4陀螺測(cè)試的力矩反饋法

2/3/202318雙自由度陀螺的力矩反饋法測(cè)漂§6.4陀螺測(cè)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(cè)試的力矩反饋法

二力矩反饋法法中陀螺相對(duì)地理坐標(biāo)系的取向

陀螺相對(duì)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(cè)試的力矩反饋法

二力矩反饋法法中陀螺相對(duì)地理坐標(biāo)系的取向

陀螺相對(duì)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(cè)試的力矩反饋法

二力矩反饋法法中陀螺相對(duì)地理坐標(biāo)系的取向

陀螺相對(duì)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(cè)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(duì)陀螺的精度要求）和測(cè)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(jiǎn)化測(cè)試過程，提高測(cè)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)?！?.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?！?.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。§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(jiǎn)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(duì)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(duì)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(duì)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(cè)試與標(biāo)定的說明一測(cè)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(píng)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(píng)估壽命、存儲(chǔ)等基本性能

其它特殊需求2/3/202344二測(cè)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(cè)試/標(biāo)定：采用多位置實(shí)驗(yàn)，測(cè)試主要性能參數(shù)。

動(dòng)態(tài)測(cè)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(cè)試§6.6陀螺測(cè)試與標(biāo)定的說明2/3/202345§6.6陀螺測(cè)試與標(biāo)定的說明三測(cè)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(cè)試與標(biāo)定的說明四主要設(shè)備用于陀螺穩(wěn)定性測(cè)試的多位置穩(wěn)定平臺(tái)，定位精度高，具有方位控制與測(cè)量的專用儀表。Graseby轉(zhuǎn)臺(tái)2/3/202347§6.6陀螺測(cè)試與標(biāo)定的說明

高精度速率轉(zhuǎn)臺(tái)，用于陀螺測(cè)量角速度傳遞函數(shù)的測(cè)試。四主要設(shè)備2/3/202348§6.6陀螺測(cè)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(cè)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