慣性元件陀螺儀、加速度計(jì)簡(jiǎn)介課件

第2章慣性元件2.1陀螺儀概述2.2陀螺儀的基本特性2.3三自由度陀螺儀應(yīng)用2.4二自由度陀螺儀應(yīng)用2.5新型陀螺儀2.6加速度計(jì)2.7小結(jié)2.0本章概述-1依靠什么來(lái)確定飛行器(或者船只)自身的(角)加速度、(角)速度和(角)位置？如果沒(méi)有外部參照物和外部信息輸入？以慣性元件為基礎(chǔ)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，既不需要任何外來(lái)信息，也不向外輻射任何信息。慣性元件：工作原理建立在適用于慣性空間的牛頓定律的基礎(chǔ)上，包括各種類型的陀螺儀表和加速度計(jì)。2.0本章概述-2陀螺儀可以測(cè)量三個(gè)角自由度參數(shù)；加速度計(jì)可以測(cè)量三個(gè)線自由度參數(shù)；陀螺平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)參考坐標(biāo)系作為基準(zhǔn)方位。慣性元件是各種飛行器必不可缺的重要測(cè)量元件。只介紹基本概念、原理和應(yīng)用。2.1陀螺儀概述-2三自由度陀螺儀2.1陀螺儀概述-3繞自身對(duì)稱軸高速旋轉(zhuǎn)的物體，就稱為陀螺；陀螺具有一系列特殊的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和現(xiàn)象，稱為陀螺效應(yīng)，比如定軸性，進(jìn)動(dòng)性等；將高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子，用框架和其他輔助裝置支撐起來(lái)，使轉(zhuǎn)子能夠繞空間中一個(gè)固定的點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，這種裝置的總體，就稱為陀螺儀，可以測(cè)量飛行器的角運(yùn)動(dòng)。2.1陀螺儀概述-41)轉(zhuǎn)子軸摩擦，造成減速，電機(jī)驅(qū)動(dòng)；2)框架軸摩擦，改進(jìn)支撐方式；3)轉(zhuǎn)子質(zhì)心與框架中心不完全重合。漂移：受干擾的影響，陀螺轉(zhuǎn)子軸相對(duì)慣性空間的轉(zhuǎn)動(dòng)；漂移率：陀螺轉(zhuǎn)子軸漂移的角速率，單位通常為度/小時(shí)；(0.01度/小時(shí))陀螺的發(fā)展史就是消除有害干擾，降低漂移率的歷史。2.1陀螺儀概述-620世紀(jì)20年代，陀螺儀開(kāi)始應(yīng)用于航空領(lǐng)域，測(cè)量飛機(jī)的姿態(tài)角；地平儀，建立水平基準(zhǔn)；航向儀，建立方位基準(zhǔn)；2.1陀螺儀概述-71944年，德國(guó)開(kāi)始向英國(guó)發(fā)射V-1和V-2導(dǎo)彈，這兩種導(dǎo)彈上首次成功應(yīng)用了陀螺儀；2.1陀螺儀概述-81950s，以陀螺儀為核心的慣性導(dǎo)航技術(shù)趨于成熟，其標(biāo)志是1958年，美國(guó)“鸚鵡螺”號(hào)核潛艇經(jīng)珍珠港-白令海峽-北極-波特蘭，歷時(shí)21天，航程15000Km。2.2陀螺儀的基本特性-2陀螺儀的兩個(gè)基本特性：1)定軸性：陀螺在不受任何外力和外力矩作用時(shí)，陀螺自轉(zhuǎn)軸在慣性空間的指向保持恒定；2)進(jìn)動(dòng)性：陀螺在受到垂直于自轉(zhuǎn)軸的力矩作用時(shí)，將繞與力矩軸垂直的軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，也稱為受迫進(jìn)動(dòng)，進(jìn)動(dòng)角速度與所受力矩大小成正比。2.2陀螺儀的基本特性-3陀螺儀進(jìn)動(dòng)以及進(jìn)動(dòng)方向的確定2.2陀螺儀的基本特性-4陀螺轉(zhuǎn)子的動(dòng)量矩H(角動(dòng)量)：陀螺轉(zhuǎn)子繞自轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J和自轉(zhuǎn)角速度Ω的乘積陀螺進(jìn)動(dòng)方程：根據(jù)動(dòng)量矩定理，作用在剛體上的沖量矩等于剛體動(dòng)量矩的增量。2.2陀螺儀的基本特性-61)進(jìn)動(dòng)角速度與外力矩成正比，與一般牛頓定律的概念不同；2)進(jìn)動(dòng)無(wú)慣性；3)在陀螺儀中，干擾力矩將引起陀螺轉(zhuǎn)子軸不希望的進(jìn)動(dòng)，引起漂移。為了減小漂移，應(yīng)加大J和Ω。所以，陀螺轉(zhuǎn)子應(yīng)有很大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和極高的轉(zhuǎn)速。2.2陀螺儀的基本特性-74)外力矩為零時(shí)，進(jìn)動(dòng)角速度為零，保持H恒定，這就是定軸性；5)章動(dòng)：陀螺轉(zhuǎn)子軸受沖擊后在原來(lái)位置附近振蕩的現(xiàn)象，陀螺轉(zhuǎn)子達(dá)到額定轉(zhuǎn)速之后才投入工作，以抑制章動(dòng)；6)陀螺力矩，是陀螺儀加給外界施力的反力矩，與外力矩大小相等，方向相反。7)技術(shù)方程和運(yùn)動(dòng)分析參見(jiàn)參考書(shū)。2.3三自由度陀螺儀應(yīng)用-1三自由度支撐能使陀螺儀保持慣性主軸在空間中的方向不變，三自由度陀螺儀應(yīng)用于導(dǎo)彈上的基本功能是敏感角位移；根據(jù)其在彈體上安裝方式的不同，可分為垂直陀螺儀和方向陀螺儀。首先我們介紹三個(gè)姿態(tài)角的概念：2.3三自由度陀螺儀應(yīng)用-3俯仰角：彈體縱軸與水平面之間的夾角，彈體縱軸在水平面之上為正，反之為負(fù)；偏航角：彈體縱軸在水平面上的投影與慣性坐標(biāo)系Ox軸之間的夾角，投影線在軸的逆時(shí)針?lè)较驎r(shí)為正，反之為負(fù)；滾轉(zhuǎn)角：OY1軸與包含彈體縱軸的垂直平面之間的夾角，彈體向右滾轉(zhuǎn)時(shí)為正，反之為負(fù)。2.3三自由度陀螺儀應(yīng)用-4垂直陀螺儀的功能是測(cè)量飛行器的俯仰角和滾轉(zhuǎn)角。垂直陀螺儀原理圖2.3三自由度陀螺儀應(yīng)用-5方向陀螺儀的功能是測(cè)量飛行器的俯仰角和偏航角。方向陀螺儀原理圖2.3三自由度陀螺儀應(yīng)用-7四平衡環(huán)系統(tǒng)簡(jiǎn)介：上圖：正常工作狀態(tài)

右圖：閉鎖狀態(tài)2.3三自由度陀螺儀應(yīng)用-8四平衡環(huán)系統(tǒng)簡(jiǎn)介：左圖：垂直發(fā)射狀態(tài)

上圖：水平飛行狀態(tài)2.4二自由度陀螺儀應(yīng)用-3給二自由度陀螺儀加上彈性元件、阻尼器和角度傳感器，就成為測(cè)速陀螺儀。測(cè)速陀螺儀工作原理2.4二自由度陀螺儀應(yīng)用-4設(shè)由進(jìn)動(dòng)產(chǎn)生的β角為小角度，下面推導(dǎo)測(cè)速陀螺的傳遞函數(shù)。不計(jì)軸承的摩擦力矩、電位計(jì)的反作用力矩等因素影響，沿框架軸x1的力矩平衡方程可寫(xiě)為：

2.4二自由度陀螺儀應(yīng)用-5給二自由度陀螺儀加上阻尼器和角度傳感器，就成為測(cè)速積分陀螺儀，實(shí)際應(yīng)用的測(cè)速積分陀螺儀都是液浮式的。測(cè)速積分陀螺儀原理結(jié)構(gòu)2.4二自由度陀螺儀應(yīng)用-6測(cè)速積分陀螺的傳遞函數(shù)：當(dāng)阻尼系數(shù)足夠大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于浮筒、軸和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量時(shí)，可以近似為積分環(huán)節(jié)。

2.5新型陀螺儀-1陀螺儀的幾個(gè)發(fā)展方向：高精度；2)小型化；3)低成本。新型陀螺儀比較常見(jiàn)的有：液浮、氣浮、磁懸浮、撓性；靜電陀螺，轉(zhuǎn)子無(wú)接觸懸??；光學(xué)陀螺：激光、光纖；振動(dòng)陀螺：音叉、壓電、半球諧振；微機(jī)械陀螺。2.5新型陀螺儀-21950s，MIT研制成功液浮陀螺，液體浮力和轉(zhuǎn)子的重力相抵消，減小軸承摩擦力；1946年英國(guó)皇家航空研究院提出撓性支撐的概念，并于1965年研制成功撓性陀螺原理樣機(jī)，撓性支撐有兩種方式，細(xì)頸支撐和平衡環(huán)撓性接頭支撐，后一種也稱為動(dòng)力調(diào)諧陀螺；2.5新型陀螺儀-2動(dòng)力調(diào)諧陀螺2.5新型陀螺儀-3相比于液浮陀螺，動(dòng)力調(diào)諧陀螺結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造，成本低廉，在20世紀(jì)最后20多年里，幾乎占據(jù)了世界民航飛機(jī)標(biāo)準(zhǔn)慣導(dǎo)的全部訂單；靜電支撐原理是1952年由伊利諾伊大學(xué)的特西克教授提出，1970s美國(guó)霍尼韋爾和羅克韋爾公司分別研制成功。精度很高，作為高精度基準(zhǔn)，用于戰(zhàn)略核潛艇和遠(yuǎn)程戰(zhàn)略轟炸機(jī)；2.5新型陀螺儀-3靜電陀螺2.5新型陀螺儀-4磁懸浮和氣浮支撐與靜電支撐相類似，這些支撐方式容易受環(huán)境干擾，目前來(lái)看，制造工藝復(fù)雜，精度也有限；機(jī)械式轉(zhuǎn)子陀螺轉(zhuǎn)子的機(jī)械旋轉(zhuǎn)必須依靠支撐，所以支撐技術(shù)是機(jī)械式轉(zhuǎn)子陀螺的關(guān)鍵技術(shù)，陀螺的性能指標(biāo)越高，支撐技術(shù)就越復(fù)雜，成本也就越高，這是機(jī)械轉(zhuǎn)子式陀螺的局限性；2.5新型陀螺儀-5激光陀螺和光纖陀螺的出現(xiàn)是慣性技術(shù)的一場(chǎng)大革命，光學(xué)陀螺和機(jī)械轉(zhuǎn)子陀螺的工作原理有本質(zhì)的區(qū)別，它們分別服從解釋微觀世界的量子力學(xué)和解釋宏觀世界的牛頓力學(xué)；原理上，光學(xué)陀螺是固體的，沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)的部件，體積小，功耗低，啟動(dòng)快，能瞬時(shí)啟動(dòng)，耐沖擊，可達(dá)500g(轉(zhuǎn)子式40g)；2.5新型陀螺儀-6隨著大規(guī)模集成電路的生產(chǎn)普及，出現(xiàn)了MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystems)；體積小、重量輕、易于安裝、高可靠性、耐沖擊、低成本、易于大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。2.6加速度計(jì)-1加速度計(jì)用于測(cè)量飛行器的線加速度，可以測(cè)量彈體法向加速度；也可以測(cè)量切向加速度，經(jīng)積分后獲得位移；常見(jiàn)的加速度計(jì)有重錘式加速度計(jì)、液浮擺式加速度計(jì)、擺式積分加速度計(jì)、撓性加速度計(jì)、微加速度計(jì)等。2.6加速度計(jì)-2重錘式加速度計(jì)原理：牛二定律。2.6加速度計(jì)-3典型重錘式加速度計(jì)結(jié)構(gòu)2.6加速度計(jì)-4重錘式加速度計(jì)由慣性體、彈簧片、阻尼器等組成，其力平衡方程：傳遞函數(shù)2.6加速度計(jì)-5重錘式加速度計(jì)存在諸多問(wèn)題，比如質(zhì)量塊與底座有摩擦力，對(duì)質(zhì)量塊的運(yùn)動(dòng)難以精確約束(左右搖擺)，輸出信號(hào)檢測(cè)和對(duì)質(zhì)量塊的力反饋都有困難。液浮擺式加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)與液浮二自由度積分陀螺相似，只是在浮筒內(nèi)沒(méi)有轉(zhuǎn)子，相對(duì)于支撐中心有一偏心質(zhì)量塊。2.6加速度計(jì)-6液浮擺式加速度計(jì)原理(z為敏感方向)2.6加速度計(jì)-72.6加速度計(jì)-8擺式積分陀螺加速度計(jì)是一種閉環(huán)加速度計(jì)。1-角度傳感器；2-放大器；

3-力矩電機(jī)；4-輸出裝置2.6加速度計(jì)-9撓性加速度計(jì)也是一種擺式加速度計(jì)，常見(jiàn)的有石英電容式撓性加速度計(jì)，采用石英撓性支撐，傳感器采用電容式的，與普通擺式加速度計(jì)的區(qū)別是擺組件采用了撓性支撐。2.6加速度計(jì)-10加速度計(jì)是測(cè)量元件中最重要最精密的元件之一，對(duì)其精度要求極高。因?yàn)橐獙?duì)