第7章 陀螺穩(wěn)定平臺(tái)慣性導(dǎo)航

1、慣性導(dǎo)航原理慣性導(dǎo)航原理 中國民航大學(xué)電子信息工程學(xué)院中國民航大學(xué)電子信息工程學(xué)院 崔崔 銘銘 2 7.2 7.2 單軸陀螺穩(wěn)定系統(tǒng)單軸陀螺穩(wěn)定系統(tǒng) 基本原理基本原理 7.1 7.1 概概 述述 7.3 7.3 三軸陀螺穩(wěn)定平臺(tái)三軸陀螺穩(wěn)定平臺(tái) 7.4 7.4 舒勒原理和積分修正法舒勒原理和積分修正法 第七章第七章 陀螺穩(wěn)定平臺(tái)陀螺穩(wěn)定平臺(tái) 3 一 陀螺穩(wěn)定平臺(tái) 利用陀螺特性，直接或間接地使某一物體，相對(duì)地 球或慣性空間保持指向不變；或按要求改變物體起始位 置的一種陀螺裝置（如雷達(dá)天線，航空攝影，同步衛(wèi)星 天線）。有穩(wěn)定和跟蹤兩種基本功能。又稱陀螺穩(wěn)定 器、陀螺穩(wěn)定裝置、陀螺穩(wěn)定系統(tǒng)。 7.1

2、 7.1 概概 述述 4 二 分類 1.按穩(wěn)定軸數(shù)目： （1）單軸陀螺穩(wěn)定平臺(tái)：能使被穩(wěn)定對(duì)象在空間繞某 一根軸保持穩(wěn)定，阻止被穩(wěn)定對(duì)象繞該軸轉(zhuǎn)動(dòng)； （2）雙軸陀螺穩(wěn)定平臺(tái)：能使被穩(wěn)定對(duì)象在空間繞兩 根不平行的軸保持穩(wěn)定，兩個(gè)不平行的穩(wěn)定軸可形成 一穩(wěn)定平面，故稱雙軸陀螺穩(wěn)定平臺(tái)； （3）三軸陀螺穩(wěn)定平臺(tái)：能使被穩(wěn)定對(duì)象在空間繞三 根互不平行的軸保持穩(wěn)定，故稱三軸陀螺穩(wěn)定平臺(tái)。 5 6 7 8 2.2.按工作原理按工作原理 l 直接陀螺穩(wěn)定平臺(tái)：直接利用直接陀螺穩(wěn)定平臺(tái)：直接利用陀螺力矩陀螺力矩平衡干擾力平衡干擾力 矩；矩； l 動(dòng)力陀螺穩(wěn)定平臺(tái)：利用動(dòng)力陀螺穩(wěn)定平臺(tái)：利用陀螺力矩陀螺力矩和和

3、外加機(jī)械力矩外加機(jī)械力矩 來共同平衡干擾力矩；來共同平衡干擾力矩； l 間接陀螺穩(wěn)定平臺(tái)：只利用間接陀螺穩(wěn)定平臺(tái)：只利用外加機(jī)械力矩外加機(jī)械力矩平衡干擾平衡干擾 力矩。力矩。 3. 3.按陀螺自由度數(shù)：二自由、三自由度陀螺穩(wěn)定平臺(tái)按陀螺自由度數(shù)：二自由、三自由度陀螺穩(wěn)定平臺(tái) 9 三三 陀螺穩(wěn)定平臺(tái)的特點(diǎn)（陀螺穩(wěn)定平臺(tái)的特點(diǎn)（p281p281） 僅將陀螺作為敏感元件裝在平臺(tái)上，繞其測量軸方僅將陀螺作為敏感元件裝在平臺(tái)上，繞其測量軸方 向可承受較大的向可承受較大的干擾力矩干擾力矩，用專門的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)承受干，用專門的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)承受干 擾力矩，精確輸出測量角度。擾力矩，精確輸出測量角度。 10 7

4、.2 7.2 單軸陀螺穩(wěn)定系統(tǒng)基本原理單軸陀螺穩(wěn)定系統(tǒng)基本原理 從陀螺穩(wěn)定平臺(tái)的穩(wěn)定原理看，從陀螺穩(wěn)定平臺(tái)的穩(wěn)定原理看，雙軸雙軸和和三軸三軸陀螺陀螺 穩(wěn)定平臺(tái)都是有穩(wěn)定平臺(tái)都是有單軸單軸陀螺穩(wěn)定平臺(tái)組成的。單軸陀螺陀螺穩(wěn)定平臺(tái)組成的。單軸陀螺 穩(wěn)定平臺(tái)包括：穩(wěn)定平臺(tái)包括：直接直接陀螺穩(wěn)定器、陀螺穩(wěn)定器、動(dòng)力動(dòng)力陀螺穩(wěn)定器和陀螺穩(wěn)定器和 間接間接陀螺穩(wěn)定器。陀螺穩(wěn)定器。 1 1 直接陀螺穩(wěn)定器直接陀螺穩(wěn)定器 利用利用陀螺力矩陀螺力矩抵消干擾力矩，實(shí)際上是種抵消干擾力矩，實(shí)際上是種動(dòng)量矩動(dòng)量矩 很大的陀螺。四、五十年代曾用來穩(wěn)定船舶，陀螺轉(zhuǎn)很大的陀螺。四、五十年代曾用來穩(wěn)定船舶，陀螺轉(zhuǎn) 子直徑達(dá)子

5、直徑達(dá)4 4米米，重，重110110噸噸，穩(wěn)定裝置重，穩(wěn)定裝置重600600噸噸。 11 當(dāng)穩(wěn)定對(duì)象與陀螺當(dāng)穩(wěn)定對(duì)象與陀螺外框軸外框軸相連，則此相連，則此三自由度三自由度陀螺陀螺 就是一個(gè)就是一個(gè)直接直接陀螺穩(wěn)定器。當(dāng)外框軸有干擾力矩時(shí)，陀陀螺穩(wěn)定器。當(dāng)外框軸有干擾力矩時(shí)，陀 螺繞內(nèi)框軸動(dòng)，產(chǎn)生陀螺力矩螺繞內(nèi)框軸動(dòng)，產(chǎn)生陀螺力矩平衡平衡干擾力矩。干擾力矩。 JH 2 iih mJ cos G MH 12 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 1.1.干擾力矩全靠陀螺力矩干擾力矩全靠陀螺力矩抵消抵消，要求有比較，要求有比較大大的動(dòng)量的動(dòng)量 矩，即有很大的體積和質(zhì)量，設(shè)備很矩，即有很大的體積和質(zhì)量，設(shè)備很笨重笨重。 2.

6、2.長長時(shí)間受到方向不變的干擾力矩時(shí)，陀螺進(jìn)動(dòng)始終時(shí)間受到方向不變的干擾力矩時(shí)，陀螺進(jìn)動(dòng)始終 朝朝 一個(gè)方向進(jìn)行，當(dāng)進(jìn)動(dòng)到一個(gè)方向進(jìn)行，當(dāng)進(jìn)動(dòng)到9090度度時(shí)，陀螺主軸與干擾時(shí)，陀螺主軸與干擾 力力 矩作用軸重合，陀螺力矩為矩作用軸重合，陀螺力矩為零零，此時(shí)陀螺失去穩(wěn)定，此時(shí)陀螺失去穩(wěn)定 性。性。 電子信息工程學(xué)院 13 二 動(dòng)力陀螺穩(wěn)定器 利用陀螺力矩和穩(wěn)定系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的力矩共同抵 消干擾力矩的陀螺穩(wěn)定器。可用二自由度或三自由度陀 螺組成?，F(xiàn)主要介紹二自由度陀螺組成的陀螺穩(wěn)定器。 1.1.組成：組成： 二自由度陀螺、二自由度陀螺、 信號(hào)器、放大器、信號(hào)器、放大器、 穩(wěn)定電動(dòng)機(jī)及減穩(wěn)定電動(dòng)機(jī)

7、及減 速器、平臺(tái)等。速器、平臺(tái)等。 電子信息工程學(xué)院 14 2.2.工作原理工作原理 1)1)二自由度陀螺二自由度陀螺內(nèi)環(huán)軸內(nèi)環(huán)軸與與平臺(tái)軸平臺(tái)軸垂直，內(nèi)環(huán)軸上裝有垂直，內(nèi)環(huán)軸上裝有 信號(hào)傳感器。信號(hào)傳感器。 2)2)穩(wěn)定電機(jī)固定在基座上，通過減速器可使平臺(tái)繞平穩(wěn)定電機(jī)固定在基座上，通過減速器可使平臺(tái)繞平 臺(tái)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。臺(tái)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。 3)3)陀螺裝在平臺(tái)上，陀螺儀對(duì)平臺(tái)僅有陀螺裝在平臺(tái)上，陀螺儀對(duì)平臺(tái)僅有二二自由度，但自由度，但 平臺(tái)對(duì)基座平臺(tái)對(duì)基座又有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，把平臺(tái)看作陀螺的又有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，把平臺(tái)看作陀螺的 外環(huán)，平臺(tái)軸看作外環(huán)軸，則平臺(tái)中的陀螺對(duì)基座就外環(huán)，平臺(tái)軸看作外環(huán)軸，則平臺(tái)中

8、的陀螺對(duì)基座就 有三個(gè)自由度。有三個(gè)自由度。 4)4)把這樣的把這樣的總體總體看出是一個(gè)三自由度陀螺，只是三自看出是一個(gè)三自由度陀螺，只是三自 由度陀螺外環(huán)的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量由度陀螺外環(huán)的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量加大加大了。應(yīng)用于了。應(yīng)用于火炮、火炮、 雷達(dá)天線雷達(dá)天線等控制。等控制。 電子信息工程學(xué)院 15 1)陀螺轉(zhuǎn)子動(dòng)量矩足夠 大,干擾力矩繞平臺(tái)軸作 用在平臺(tái)上，不會(huì)引起 平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，而是引起陀 螺繞內(nèi)環(huán)進(jìn)動(dòng)，產(chǎn)生陀 螺力矩抵消干擾力矩。 2)當(dāng)陀螺繞內(nèi)環(huán)軸進(jìn)動(dòng) 出現(xiàn)轉(zhuǎn)角時(shí)，傳感器輸 出信號(hào)，經(jīng)放大給穩(wěn)定 電機(jī)，產(chǎn)生穩(wěn)定力矩， 抵消干擾力矩。 電子信息工程學(xué)院 16 注意： 1)進(jìn)動(dòng)角小，穩(wěn)定力矩小，

9、主要由陀螺力矩抵消干擾 力矩； 2)當(dāng)進(jìn)動(dòng)角大，穩(wěn)定力矩增大，對(duì)干擾力矩抵消越來 越多，進(jìn)動(dòng)角速度逐漸減??； 3)進(jìn)動(dòng)角達(dá)到一定時(shí)，穩(wěn)定力矩完全抵消干擾力矩， 陀螺停止進(jìn)動(dòng)，陀螺力矩完全消失，此時(shí)平臺(tái)抵消 外力矩的作用完全由穩(wěn)定系統(tǒng)承擔(dān)； 4)干擾力矩消失后，陀螺在穩(wěn)定力矩作用下，逐漸向 初始位置進(jìn)動(dòng)，當(dāng)陀螺回到初始位置時(shí)，穩(wěn)定力矩 消失。 電子信息工程學(xué)院 17 3.3.誤差誤差 穩(wěn)定平臺(tái)對(duì)穩(wěn)定平臺(tái)對(duì)繞穩(wěn)定軸繞穩(wěn)定軸作用的干擾力矩有很高作用的干擾力矩有很高 的抵抗能力，但當(dāng)繞陀螺的抵抗能力，但當(dāng)繞陀螺內(nèi)環(huán)軸內(nèi)環(huán)軸有摩擦力矩和不有摩擦力矩和不 平衡力矩時(shí)，采用旋轉(zhuǎn)軸承，液浮支承或氣浮支平衡力矩

10、時(shí)，采用旋轉(zhuǎn)軸承，液浮支承或氣浮支 承來減小干擾力矩。承來減小干擾力矩。 18 4.三自由度陀螺組成的動(dòng)力陀螺穩(wěn)定器 基本原理同二自由度陀螺組成的動(dòng)力陀螺穩(wěn)定器基本原理同二自由度陀螺組成的動(dòng)力陀螺穩(wěn)定器 電子信息工程學(xué)院 19 三 間接陀螺穩(wěn)定器 干擾力矩只由穩(wěn)定系統(tǒng)來抵消，與動(dòng)力陀螺 穩(wěn)定器組成基本相同，而間接陀螺穩(wěn)定器的陀螺 只起感受作用，不起執(zhí)行作用。 電子信息工程學(xué)院 20 1.1.工作原理工作原理 平臺(tái)可繞平臺(tái)軸平臺(tái)可繞平臺(tái)軸 相對(duì)基座轉(zhuǎn)動(dòng)，具有相對(duì)基座轉(zhuǎn)動(dòng)，具有 一一個(gè)自由度。平臺(tái)上個(gè)自由度。平臺(tái)上 裝有一個(gè)裝有一個(gè)三三自由度陀自由度陀 螺，其螺，其外外環(huán)軸（或內(nèi)環(huán)軸（或內(nèi) 環(huán)軸）

11、與平臺(tái)軸環(huán)軸）與平臺(tái)軸平行平行， 且在且在外外環(huán)軸（或內(nèi)環(huán)環(huán)軸（或內(nèi)環(huán) 軸）上裝有信號(hào)軸）上裝有信號(hào)傳感傳感 器器。 電子信息工程學(xué)院 21 當(dāng)干擾力矩沿平臺(tái)軸作用到平臺(tái)時(shí)，引起平 臺(tái)繞平臺(tái)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，偏離原理的空間方位，而三自 由度陀螺具有穩(wěn)定性，其外環(huán)軸不轉(zhuǎn)動(dòng)，故此， 平臺(tái)就相對(duì)陀螺儀出現(xiàn)了偏轉(zhuǎn)角。此時(shí)信號(hào)器輸 出信號(hào)，經(jīng)放大送個(gè)穩(wěn)定電機(jī)，穩(wěn)定電機(jī)根據(jù)信 號(hào)大小和極性產(chǎn)生一定大小和方向的穩(wěn)定力矩， 并通過通過減速器傳到平臺(tái)上，從而平衡掉干擾 力矩。 電子信息工程學(xué)院 22 隔離隔離基座運(yùn)動(dòng)：當(dāng)基座運(yùn)動(dòng)：當(dāng)基座基座繞平臺(tái)穩(wěn)定軸繞平臺(tái)穩(wěn)定軸轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，也時(shí)，也 會(huì)帶動(dòng)會(huì)帶動(dòng)平臺(tái)平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)而偏離

12、偏離原理方位，此時(shí)信號(hào)器原理方位，此時(shí)信號(hào)器輸輸 出出信號(hào)，通過信號(hào)，通過穩(wěn)定系統(tǒng)穩(wěn)定系統(tǒng)使平臺(tái)繞穩(wěn)定軸使平臺(tái)繞穩(wěn)定軸相對(duì)相對(duì)基座基座 轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)方向與基座轉(zhuǎn)動(dòng)方向，平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)方向與基座轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反相反，因而，因而 平臺(tái)繞穩(wěn)定軸仍保持空間方位平臺(tái)繞穩(wěn)定軸仍保持空間方位不變不變。 2.2.誤差誤差 當(dāng)三自由度陀螺當(dāng)三自由度陀螺內(nèi)環(huán)內(nèi)環(huán)有有干擾力矩干擾力矩時(shí)，陀螺繞時(shí)，陀螺繞 外環(huán)進(jìn)動(dòng)，信號(hào)器輸出信號(hào)，經(jīng)穩(wěn)定系統(tǒng)作用，外環(huán)進(jìn)動(dòng)，信號(hào)器輸出信號(hào)，經(jīng)穩(wěn)定系統(tǒng)作用， 平臺(tái)平臺(tái)隨陀螺外環(huán)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的方向隨陀螺外環(huán)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的方向轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而，從而偏離偏離了了 原來的空間方位，造成原來的空間方位，造成漂移誤

13、差漂移誤差。 電子信息工程學(xué)院 23 7.3 7.3 三軸陀螺穩(wěn)定平臺(tái)三軸陀螺穩(wěn)定平臺(tái) 三軸陀螺穩(wěn)定平臺(tái)：三軸陀螺穩(wěn)定平臺(tái)： l有有三三個(gè)穩(wěn)定個(gè)穩(wěn)定軸軸和和三三套穩(wěn)定系統(tǒng)。套穩(wěn)定系統(tǒng)。 l三套穩(wěn)定系統(tǒng)三套穩(wěn)定系統(tǒng)分別分別承受作用在平臺(tái)三個(gè)穩(wěn)定軸承受作用在平臺(tái)三個(gè)穩(wěn)定軸 上的上的干擾力矩干擾力矩，平臺(tái)能夠在干擾力矩作用下，相，平臺(tái)能夠在干擾力矩作用下，相 對(duì)對(duì)慣性空間慣性空間保持穩(wěn)定。保持穩(wěn)定。 l在平臺(tái)中增加在平臺(tái)中增加水平水平修正系統(tǒng)和修正系統(tǒng)和方位方位修正系統(tǒng)，修正系統(tǒng)， 可使平臺(tái)跟蹤可使平臺(tái)跟蹤地平面地平面和和子午線子午線，相對(duì)，相對(duì)地球地球保持穩(wěn)保持穩(wěn) 定。定。 電子信息工程學(xué)院 24

14、 用途：用途： 1 1）可測飛機(jī)的姿態(tài)角（）可測飛機(jī)的姿態(tài)角（俯仰角俯仰角、傾斜角傾斜角和和航向航向 角角），并輸送到），并輸送到地平地平指示器、指示器、航向航向指示器和指示器和自自 動(dòng)駕駛儀動(dòng)駕駛儀等設(shè)備。等設(shè)備。 2 2）高精度高精度的三軸陀螺穩(wěn)定平臺(tái)可在飛機(jī)上建立的三軸陀螺穩(wěn)定平臺(tái)可在飛機(jī)上建立 精確的精確的導(dǎo)航坐標(biāo)系導(dǎo)航坐標(biāo)系，把加速度計(jì)，把加速度計(jì)穩(wěn)定穩(wěn)定在所需方在所需方 位上工作，是慣導(dǎo)系統(tǒng)的位上工作，是慣導(dǎo)系統(tǒng)的主要主要基礎(chǔ)部件。可由基礎(chǔ)部件?？捎?二二自由度陀螺或自由度陀螺或三三自由度陀螺組成。自由度陀螺組成。 電子信息工程學(xué)院 25 一 二自由度陀螺組成的三軸陀螺穩(wěn)定平臺(tái) （

15、一）平臺(tái)基本組成 1.平臺(tái)由橫滾環(huán)、俯仰環(huán)和方位環(huán)組成，可繞三個(gè)軸 （縱向穩(wěn)定軸、橫向穩(wěn)定軸和方位穩(wěn)定軸）相對(duì)基座 轉(zhuǎn)動(dòng)。 2.方位穩(wěn)定軸和平臺(tái)固裝在一起。 3.縱向穩(wěn)定軸是傾斜角的測量軸；橫向穩(wěn)定軸是俯仰 角的測量軸；方位穩(wěn)定軸是航向角的測量軸。 電子信息工程學(xué)院 26 4.4.平臺(tái)上裝有三個(gè)平臺(tái)上裝有三個(gè)二二自由度陀螺。三個(gè)陀螺分別與信自由度陀螺。三個(gè)陀螺分別與信 號(hào)器、穩(wěn)定信號(hào)分配器、放大器和穩(wěn)定電機(jī)等組成三號(hào)器、穩(wěn)定信號(hào)分配器、放大器和穩(wěn)定電機(jī)等組成三 套穩(wěn)定系統(tǒng)。套穩(wěn)定系統(tǒng)。 1 1）其中）其中、陀螺陀螺內(nèi)內(nèi)框軸均框軸均垂直垂直平臺(tái)平面，自轉(zhuǎn)軸都平臺(tái)平面，自轉(zhuǎn)軸都 平行平行平臺(tái)平面。

16、正常工作狀態(tài)下，平臺(tái)平面。正常工作狀態(tài)下，兩個(gè)兩個(gè)陀螺陀螺自轉(zhuǎn)軸自轉(zhuǎn)軸保保 持相互持相互垂直垂直。 2 2）陀螺）陀螺的內(nèi)環(huán)軸的內(nèi)環(huán)軸平行平行于平臺(tái)平面，即于平臺(tái)平面，即垂直垂直與方位軸與方位軸 安裝。正常狀態(tài)下，其自轉(zhuǎn)軸垂直于方位軸。安裝。正常狀態(tài)下，其自轉(zhuǎn)軸垂直于方位軸。 電子信息工程學(xué)院 27 電子信息工程學(xué)院 28 （二）系統(tǒng)工作原理 1.方位穩(wěn)定系統(tǒng)：當(dāng)平臺(tái)受到沿方位穩(wěn)定軸作用的干 擾力矩時(shí)，陀螺進(jìn)動(dòng)，它的信號(hào)器輸出信號(hào)，經(jīng) 放大送到方位穩(wěn)定電機(jī)，產(chǎn)生穩(wěn)定力矩平衡干擾力 矩使平臺(tái)保持方位穩(wěn)定。工作原理與單軸穩(wěn)定系統(tǒng) 完全相同。 電子信息工程學(xué)院 29 2.2.水平穩(wěn)定系統(tǒng)：兩個(gè)單軸穩(wěn)

17、定系統(tǒng)組成，加裝水平穩(wěn)定系統(tǒng)：兩個(gè)單軸穩(wěn)定系統(tǒng)組成，加裝 穩(wěn)定信號(hào)分配器，協(xié)調(diào)兩單軸穩(wěn)定系統(tǒng)。穩(wěn)定信號(hào)分配器，協(xié)調(diào)兩單軸穩(wěn)定系統(tǒng)。 （1 1）0 0度航向時(shí)，如度航向時(shí)，如a a圖所示，陀螺圖所示，陀螺感受感受縱縱向向 穩(wěn)定軸上干擾力矩，輸出信號(hào)使縱向穩(wěn)定電機(jī)產(chǎn)穩(wěn)定軸上干擾力矩，輸出信號(hào)使縱向穩(wěn)定電機(jī)產(chǎn) 生穩(wěn)定力矩；陀螺生穩(wěn)定力矩；陀螺感受橫向穩(wěn)定感受橫向穩(wěn)定軸軸上干擾力矩，上干擾力矩， 輸出信號(hào)時(shí)橫向穩(wěn)定電機(jī)產(chǎn)生穩(wěn)定力矩。此時(shí)穩(wěn)輸出信號(hào)時(shí)橫向穩(wěn)定電機(jī)產(chǎn)生穩(wěn)定力矩。此時(shí)穩(wěn) 定信號(hào)分配正確，穩(wěn)定系統(tǒng)定信號(hào)分配正確，穩(wěn)定系統(tǒng)工作正常工作正常。 電子信息工程學(xué)院 30 （2 2）9090度航向時(shí)，如

18、度航向時(shí)，如b b圖所示，平臺(tái)被圖所示，平臺(tái)被方位方位穩(wěn)定穩(wěn)定 系統(tǒng)穩(wěn)定，不隨飛機(jī)改變方向，陀螺系統(tǒng)穩(wěn)定，不隨飛機(jī)改變方向，陀螺、的自的自 轉(zhuǎn)軸方向不變，但平臺(tái)縱向、橫向轉(zhuǎn)軸方向不變，但平臺(tái)縱向、橫向穩(wěn)定軸穩(wěn)定軸及其穩(wěn)及其穩(wěn) 定電機(jī)隨飛機(jī)定電機(jī)隨飛機(jī)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)過過9090度。此時(shí)，如陀螺度。此時(shí)，如陀螺、穩(wěn)穩(wěn) 定信號(hào)分配不當(dāng)，水平穩(wěn)定系統(tǒng)仍與定信號(hào)分配不當(dāng)，水平穩(wěn)定系統(tǒng)仍與0 0度航向相度航向相 同，會(huì)同，會(huì)造成造成：陀螺：陀螺不不感受感受縱縱向穩(wěn)定軸上的干擾向穩(wěn)定軸上的干擾 力矩，但仍控制產(chǎn)生力矩，但仍控制產(chǎn)生縱縱向穩(wěn)定力矩；陀螺向穩(wěn)定力矩；陀螺不不感感 受受橫橫向穩(wěn)定軸上的干擾力矩，向穩(wěn)定軸上的

19、干擾力矩，但但仍控制產(chǎn)生仍控制產(chǎn)生橫橫向向 穩(wěn)定力矩。此時(shí)不能保證平臺(tái)水平穩(wěn)定。穩(wěn)定力矩。此時(shí)不能保證平臺(tái)水平穩(wěn)定。措施措施： 增加穩(wěn)定信號(hào)增加穩(wěn)定信號(hào)分配器分配器，使陀螺，使陀螺、輸出的穩(wěn)定輸出的穩(wěn)定 信號(hào)，先進(jìn)入分配器，在進(jìn)入相應(yīng)的穩(wěn)定電機(jī)。信號(hào)，先進(jìn)入分配器，在進(jìn)入相應(yīng)的穩(wěn)定電機(jī)。 電子信息工程學(xué)院 31 沒有信號(hào)分配器時(shí)航向改變對(duì)兩個(gè)水平穩(wěn)定系統(tǒng)的影響沒有信號(hào)分配器時(shí)航向改變對(duì)兩個(gè)水平穩(wěn)定系統(tǒng)的影響 (a)0(a)0度航向，度航向，(b)90(b)90度航向，度航向，(c)(c)任意航向任意航向 電子信息工程學(xué)院 32 穩(wěn)定信號(hào)分配器：穩(wěn)定信號(hào)分配器： 旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器，包括，包括

20、定子定子 繞組和繞組和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子繞組。繞組。定子定子 繞組繞組、相互相互垂直垂直固固 定在平臺(tái)俯仰框上，隨定在平臺(tái)俯仰框上，隨 航向航向變化繞平臺(tái)方位軸變化繞平臺(tái)方位軸 轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，與與縱縱向穩(wěn)定電向穩(wěn)定電 機(jī)相連，機(jī)相連，與與橫橫向穩(wěn)定向穩(wěn)定 電機(jī)相連。轉(zhuǎn)子繞組電機(jī)相連。轉(zhuǎn)子繞組、 相互相互垂直垂直，接收接收陀陀 螺螺輸出信號(hào)，輸出信號(hào)，接收接收 陀螺陀螺輸出信號(hào)。輸出信號(hào)。 33 cos 1 干 KMH sin 2 干 KMH 旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子中的合成磁場旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子中的合成磁場 為：為： 合成磁場和轉(zhuǎn)子繞組合成磁場和轉(zhuǎn)子繞組I I的夾為：的夾為： 干 干干 kM KMKM HHH 22 2

21、2 2 1 sincos 2 1 sin () cos H arctgarctgarctg tg H 當(dāng)當(dāng)0 0度航向時(shí)，縱向干擾力度航向時(shí)，縱向干擾力 矩完全被陀螺矩完全被陀螺感受到，并生感受到，并生 產(chǎn)穩(wěn)定力矩平衡掉。（產(chǎn)穩(wěn)定力矩平衡掉。（p288p288） 當(dāng)航向角不為零，干擾力當(dāng)航向角不為零，干擾力 矩經(jīng)分解，被兩個(gè)陀螺感受到矩經(jīng)分解，被兩個(gè)陀螺感受到, , 形成磁場分別為：形成磁場分別為： 電子信息工程學(xué)院 34 綜上所述，干擾力矩作用于平臺(tái)，轉(zhuǎn)子繞組的合成磁場大小 不變，方向隨飛機(jī)航向改變相同的角度，合成磁場與定子繞組的 相對(duì)位置不變。 （三）平臺(tái)水平修正系統(tǒng)：（三）平臺(tái)水平修正系

22、統(tǒng)：由由液體擺液體擺開關(guān)和修正開關(guān)和修正電機(jī)電機(jī)組成，組成， 工作原理和工作原理和地平儀地平儀修正原理相似。修正原理相似。 航向變化航向變化 （定子，穩(wěn)定電機(jī)）（定子，穩(wěn)定電機(jī)） 干擾力干擾力 矩分解矩分解 陀螺陀螺 進(jìn)動(dòng)角進(jìn)動(dòng)角 轉(zhuǎn)子磁轉(zhuǎn)子磁 場場 1,2 H H 合成磁合成磁 場場H 定子感定子感 受磁場受磁場 穩(wěn)定力穩(wěn)定力 矩產(chǎn)生矩產(chǎn)生 平衡干平衡干 擾力矩?cái)_力矩 電子信息工程學(xué)院 35 二 三自由度陀螺組成的三軸陀螺穩(wěn)定平臺(tái) 1.基本組成 由方位環(huán)（平臺(tái)）、俯仰環(huán)、橫滾環(huán)和兩個(gè)三自由度陀螺等 組成。三個(gè)穩(wěn)定軸分別是方位、橫向、縱向穩(wěn)定軸，三個(gè)穩(wěn)定系 統(tǒng)分別承受作用在三個(gè)穩(wěn)定軸上的干擾力

23、矩。兩陀螺內(nèi)環(huán)軸是平 臺(tái)兩個(gè)水平穩(wěn)定軸的敏感軸，而兩陀螺的外環(huán)軸中的一個(gè)是方位 穩(wěn)定軸的敏感軸。 （1）方位穩(wěn)定系統(tǒng)：陀螺外環(huán)軸上的信號(hào)器、放大器和方位 穩(wěn)定電機(jī)等組成。 （2）縱向穩(wěn)定系統(tǒng)：陀螺內(nèi)環(huán)軸上的信號(hào)器、放大器、信號(hào) 分配器和縱向穩(wěn)定電機(jī)等組成。 （3）橫向穩(wěn)定系統(tǒng)：陀螺內(nèi)環(huán)軸上的信號(hào)器、放大器、信號(hào) 分配器和橫向穩(wěn)定電機(jī)組成。 電子信息工程學(xué)院 36 2.工作原理 三軸平臺(tái)使用兩個(gè)三自由度陀螺作為敏感元件，共有四個(gè)敏 感軸，控制三軸平臺(tái)時(shí)有一個(gè)敏感軸冗余。需控制該軸隨平臺(tái)一 起轉(zhuǎn)動(dòng)，否則，由于陀螺的定軸性，平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)子軸不動(dòng)，使 兩陀螺自轉(zhuǎn)軸及內(nèi)環(huán)軸無法保持垂直，產(chǎn)生漂移。措施：

24、增加方 位鎖定系統(tǒng)，控制該冗余軸，保持兩陀螺自轉(zhuǎn)軸和平臺(tái)相對(duì) 位置不變，保證原來的相互垂直關(guān)系。 電子信息工程學(xué)院 37 7.4 7.4 舒勒原理和積分修正法舒勒原理和積分修正法 在靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，地垂線可用單擺確定， 但當(dāng)運(yùn)載體有加速度時(shí)，單擺跟蹤視在垂線，加速度越 大，單擺偏離地垂線越嚴(yán)重。 一一 舒勒擺原理舒勒擺原理 德國物理學(xué)家舒勒（scuhler）于1923年提出，舒勒 擺的基本內(nèi)容：假設(shè)有一個(gè)質(zhì)量為m，擺長為地球半徑R 的單擺，其擺動(dòng)周期為84.4分鐘，則不管這個(gè)擺的懸掛 點(diǎn)以任何加速度運(yùn)動(dòng)，擺始終停在當(dāng)?shù)氐卮咕€方向上， 或者說擺始終垂直于當(dāng)?shù)厮矫妗?電子信息工程學(xué)院 38

25、 2 cossin cos1 sin, 1 a b Jml amg l J m g , aa R RlR mglml a JJR Jml 根據(jù)動(dòng)量矩定律，物理擺的運(yùn)動(dòng)方程 為： 其中： 為擺繞支點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； 為擺質(zhì)量； 為重力加速度。 當(dāng) 很小時(shí)， 再考慮到飛機(jī)引起的地垂線角加速度 （ 為地球半徑）， 得 ： 因單擺的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量， 故寫 11g a llR 為： 等號(hào)右端反映了載體加速度對(duì)單擺的影響。 ab ab b a 從A點(diǎn)到B點(diǎn)地垂線的角位移為， 物理擺的角位移為； 得： 電子信息工程學(xué)院 39 2 g , 0 (0) ( )(0)cossin AB B ss s s lR R ttt

26、g R 如令 則系統(tǒng)的微分方程為: 那么，此時(shí)擺偏離垂線的偏差角 與飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無關(guān)。 顯然這是一個(gè)二階無阻尼振蕩系統(tǒng)， 方程解為： 其中：系統(tǒng)的固有頻率，稱為舒勒頻率； 說明擺長為地球半徑時(shí)，擺由 點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到 點(diǎn)，不受 加速度影響而穩(wěn)定在 點(diǎn)的地垂線位置，沒有誤差。 擺的周期為： 6 2 284.4 R=6370km=6.37 10,9.81 s R T g m g 2 分鐘 其中：米/秒 電子信息工程學(xué)院 40 結(jié)論：當(dāng)單擺的固有振蕩周期為84.4分鐘時(shí)，其運(yùn)動(dòng)將不受載體 加速度干擾，而始終跟蹤當(dāng)?shù)氐卮咕€。 稱為舒勒頻率， 稱為舒勒周期， 為單擺的舒勒調(diào)諧條件。 要實(shí)現(xiàn)一個(gè)擺長等于地球半徑

27、的實(shí)際單擺是不可能的。但舒 勒擺的思想是正確的，它成功的應(yīng)用在慣導(dǎo)系統(tǒng)中。 s 284.4 R T g lR 電子信息工程學(xué)院 41 二二 積分修正平臺(tái)原理積分修正平臺(tái)原理 慣導(dǎo)系統(tǒng)需一個(gè)平行當(dāng)?shù)厮矫?的平臺(tái)。平臺(tái)由兩個(gè)軸夠成，首先討 論一個(gè)軸保持在水平面的方法，即積 分修正法（舒勒修正法）。 設(shè)一單軸平臺(tái)被飛機(jī)帶動(dòng)沿子午 面向正北方向水平飛行，如圖所示由 A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)，包括兩種運(yùn)動(dòng)：一平 動(dòng)，如圖中虛線所示，由飛機(jī)帶動(dòng)并 由穩(wěn)定系統(tǒng)保持平臺(tái)和初始位置A點(diǎn) 的方位一致；二轉(zhuǎn)動(dòng)，由虛線位置轉(zhuǎn) 到實(shí)線位置，由修正回路來完成。這 兩個(gè)回路組成單軸慣導(dǎo)系統(tǒng)。 電子信息工程學(xué)院 42 1.1.系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成 單軸平臺(tái)由一個(gè)二自由 度積分陀螺儀、信號(hào)器、力 矩器、穩(wěn)定電機(jī)及減速器、 平臺(tái)和穩(wěn)定軸等組成。同時(shí) 在平臺(tái)上垂直平臺(tái)軸放置一 個(gè)線加速度計(jì)、積分器、除 法器等。線加速度計(jì)測