機(jī)載電子設(shè)備-第四章_陀螺儀_姿態(tài)和航向測(cè)量2

1、第四章 陀螺儀 姿態(tài)和航向測(cè)量 2012 . 11 2 主要內(nèi)容 o 概論 o 二自由度陀螺儀 o 單自由度陀螺儀 o 陀螺儀在飛機(jī)姿態(tài)測(cè)量中的應(yīng)用陀螺儀在飛機(jī)姿態(tài)測(cè)量中的應(yīng)用 o 陀螺儀在飛機(jī)航向測(cè)量中的應(yīng)用 3 3. 陀螺儀在飛機(jī)姿態(tài)測(cè)量中的應(yīng)用 飛機(jī)姿態(tài)測(cè)量主要指飛機(jī)姿態(tài)角和姿態(tài)角速 度的測(cè)量。 o 航空地平儀 o 轉(zhuǎn)彎(側(cè)滑)儀 o 姿態(tài)系統(tǒng) 4 3.1 航空地平儀(1) o 飛機(jī)的俯仰角和傾斜角，反映了飛機(jī)與地 平面的相對(duì)角位置關(guān)系。而地平面與地垂 線是相互垂直的。 o 地垂線：物體重心與地心的連線，也就是 物體受地心引力作用的方向線，它始終垂 直于地平面。 o 在飛機(jī)上確定了地垂線

2、，即可測(cè)出飛機(jī)相 對(duì)于地平面的俯仰角和傾斜角。 5 根據(jù)地垂線測(cè)量飛機(jī)的俯仰角和傾斜角 6 3.1 航空地平儀(2) o 由于三自由度陀螺自轉(zhuǎn)軸具有很高的方向 穩(wěn)定性，不受飛機(jī)機(jī)體（支架）運(yùn)動(dòng)的影 響。將三自由度陀螺的自轉(zhuǎn)軸調(diào)整到地垂 線方向。當(dāng)飛機(jī)機(jī)動(dòng)飛行時(shí)，自轉(zhuǎn)軸能不 受干擾，精確地指示地垂線。 o 三自由度陀螺的自轉(zhuǎn)軸相對(duì)慣性空間保持 穩(wěn)定，將其自轉(zhuǎn)軸做地垂線基準(zhǔn)存在兩個(gè) 問(wèn)題： n 由于地球自轉(zhuǎn)，地垂線相對(duì)慣性空間的方 向不斷改變； 7 3.1 航空地平儀(3) n 由于飛機(jī)相對(duì)地球運(yùn)動(dòng)，地球上不同地點(diǎn) 的地垂線相對(duì)慣性空間的方向不同。 o 表觀運(yùn)動(dòng)（Apparent Motion）

3、由于陀螺自轉(zhuǎn)軸相對(duì)慣性空間保持不變， 而地球以其自轉(zhuǎn)角速度繞極軸相對(duì)慣性空 間轉(zhuǎn)動(dòng)，若以地球作為參考基準(zhǔn)，觀察者 將觀察到陀螺自轉(zhuǎn)軸相對(duì)地球轉(zhuǎn)動(dòng)，這種 相對(duì)運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為陀螺儀表觀運(yùn)動(dòng)。 8 陀螺自轉(zhuǎn)軸陀螺自轉(zhuǎn)軸 偏離地垂線偏離地垂線 9 3.1 航空地平儀(4) o 重力擺：對(duì)重力方向敏感，其擺線指示即 為地垂線方向。 o 地平儀的基本原理：利用陀螺定軸性建立 穩(wěn)定的人工地垂線，利用重力擺的地垂線 修正陀螺自轉(zhuǎn)軸指向，從而根據(jù)飛機(jī)軸線 和地垂線的關(guān)系測(cè)量飛機(jī)的俯仰角和傾斜 角。 10 3.1 航空地平儀(5) o 通常將三自由度陀螺的外框軸平行于飛機(jī) 縱軸安裝。 o 地平儀的測(cè)量原理 n 飛機(jī)俯仰

4、時(shí)，支架 (即表殼)和外框隨機(jī)體 一起轉(zhuǎn)動(dòng)，而內(nèi)框軸保持穩(wěn)定，外框繞內(nèi) 框軸轉(zhuǎn)過(guò)的角度等于飛機(jī)繞縱軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角 度，即飛機(jī)的俯仰角，因而內(nèi)框軸成為俯 仰角的測(cè)量軸。 11 陀螺地平儀的測(cè)量原理陀螺地平儀的測(cè)量原理 外框外框 表殼表殼 外框軸外框軸 內(nèi)框軸內(nèi)框軸 12 3.1 航空地平儀(6) n 飛機(jī)傾斜時(shí)，表殼跟隨機(jī)體一起轉(zhuǎn)動(dòng)，而 外框繞外框軸保持穩(wěn)定，表殼繞外框軸轉(zhuǎn) 過(guò)的角度等于飛機(jī)繞橫軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，即 飛機(jī)的傾斜角，因而外框軸成為傾斜角的 測(cè)量軸。 13 3.1 航空地平儀(7) o 地平儀的基本組成：三自由度陀螺、地垂 修正器、指示機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)。 地平儀的基本組成地平儀的基本組成 擺式

5、地垂修正器三自由度陀螺 指示部分 控制機(jī)構(gòu) 單擺可以測(cè)出地垂線，但不穩(wěn)定；而三自由度陀螺 具有較好的穩(wěn)定性，它的自轉(zhuǎn)軸不受基座運(yùn)動(dòng)的影響。 但不能自動(dòng)尋找地垂線，如何將兩者有機(jī)結(jié)合成為主要 問(wèn)題。 地平儀的基本原理就是：利用擺來(lái)測(cè)量地垂線，用 三自由度陀螺來(lái)穩(wěn)定擺所測(cè)出的地垂線。 擺式地垂修正器三自由度陀螺 指示部分 控制機(jī)構(gòu) 姿態(tài)角的測(cè)量姿態(tài)角的測(cè)量 地平儀采用了擺和陀螺聯(lián)合工 作的方法，即用擺的位置控制陀螺 的自轉(zhuǎn)軸位置。用陀螺自轉(zhuǎn)軸模擬 出地垂線。 姿態(tài)角的測(cè)量姿態(tài)角的測(cè)量 當(dāng)陀螺的自轉(zhuǎn)軸偏離地垂線位置 時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)與擺的偏差，將使修正 器產(chǎn)生一信號(hào)帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)使陀螺自 轉(zhuǎn)軸進(jìn)動(dòng)，直至陀

6、螺垂線與擺垂線重 合。當(dāng)陀螺自轉(zhuǎn)軸穩(wěn)定在地垂線位置 時(shí)，修正機(jī)構(gòu)不會(huì)產(chǎn)生力矩，陀螺不 會(huì)受外力矩作用，自轉(zhuǎn)軸穩(wěn)定不動(dòng)。 17 3.1 航空地平儀(8) o 地垂修正器 n 修正器的敏感元件是液體擺，裝在陀螺內(nèi) 框上。液體擺由前后擺和左右擺兩個(gè)自由 度。無(wú)論飛機(jī)俯仰或傾斜，擺都能測(cè)出地 垂線方向。 n 當(dāng)陀螺自轉(zhuǎn)軸偏離地垂線位置，液體擺垂 線與陀螺垂線就不重合。這個(gè)偏差通過(guò)轉(zhuǎn) 換器產(chǎn)生一個(gè)電信號(hào)給執(zhí)行元件，轉(zhuǎn)變成 力矩作用于陀螺，使陀螺自轉(zhuǎn)軸進(jìn)動(dòng)，直 到陀螺垂線與擺垂線重合。 18 3.1 航空地平儀(9) n 當(dāng)陀螺自轉(zhuǎn)軸穩(wěn)定在地垂線位置，液體擺 感受的地垂信號(hào)使轉(zhuǎn)換器不產(chǎn)生力矩，陀 螺不受外

7、力矩作用，自轉(zhuǎn)軸穩(wěn)定不動(dòng)。 n 陀螺與擺修正作用密切配合，保證陀螺自 轉(zhuǎn)軸穩(wěn)定在當(dāng)?shù)氐牡卮咕€方向。 地垂修正器工作原理地垂修正器工作原理 通過(guò)水平修正儀控制縱向、橫向修正機(jī)構(gòu)中控制電 路的電流分配比例，產(chǎn)生修正力矩。 有直讀式、遠(yuǎn)讀式地平儀之分。 擺和陀螺通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)直接帶動(dòng)刻度盤(pán)或小飛 機(jī)標(biāo)志的地平儀稱(chēng)直讀式地平儀。遠(yuǎn)讀式通過(guò)裝在 陀螺儀上的傳感元件輸出飛機(jī)姿態(tài)信號(hào)，由遠(yuǎn)距傳 輸系統(tǒng)送到地平指示器進(jìn)行顯示。 殲擊機(jī)如果用直讀式地平儀，在飛機(jī)爬升時(shí)，飛機(jī) 標(biāo)志移到地平線下方，俯沖時(shí)則相反，不符合直觀 感覺(jué)，遠(yuǎn)讀式地平儀則能克服這一缺點(diǎn)。 地垂修正器工作原理地垂修正器工作原理 23 地平儀的

8、指示地平儀的指示 (Attitude /Horizon Indicator) 24 3.2 轉(zhuǎn)彎儀(1) o 用于指示飛機(jī)轉(zhuǎn)彎（或盤(pán)旋）的方向，并 粗略放映飛機(jī)轉(zhuǎn)彎的快慢程度。 o 轉(zhuǎn)彎儀的基本原理：利用二自由度陀螺的 進(jìn)動(dòng)性。 o 轉(zhuǎn)彎儀的基本組成：二自由度陀螺、平衡 彈簧、空氣阻尼器和指示機(jī)構(gòu)。 25 轉(zhuǎn)彎儀的基本組成轉(zhuǎn)彎儀的基本組成 26 3.2 轉(zhuǎn)彎儀(2) o 測(cè)量原理 n 飛機(jī)直線飛行時(shí)，內(nèi)框在平衡彈簧作用下， 穩(wěn)定在初始位置，指針指在刻度盤(pán)中央， 表示飛機(jī)沒(méi)有轉(zhuǎn)彎； n 飛機(jī)以一定角速度向左轉(zhuǎn)彎時(shí)，轉(zhuǎn)彎角速 度矢量向上。由于自轉(zhuǎn)角速度矢量指向左 機(jī)翼，所以?xún)?nèi)框順時(shí)針進(jìn)動(dòng)，直到引起

9、進(jìn) 動(dòng)力矩（陀螺力矩）與平衡彈簧的反作用 力矩相等。內(nèi)框的轉(zhuǎn)角通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳給 指針，指針偏向左，表示飛機(jī)正在左轉(zhuǎn)彎 27 轉(zhuǎn)彎儀的原理轉(zhuǎn)彎儀的原理 自轉(zhuǎn)角速度自轉(zhuǎn)角速度 矢量矢量 轉(zhuǎn)彎角速度轉(zhuǎn)彎角速度 矢量矢量進(jìn)動(dòng)方向進(jìn)動(dòng)方向 28 3.2 轉(zhuǎn)彎儀(3) 轉(zhuǎn)彎停止后，陀螺力矩消失，內(nèi)框在平衡 彈簧作用下回到初始位置。 n 飛機(jī)右轉(zhuǎn)彎時(shí)，內(nèi)框逆時(shí)針進(jìn)動(dòng)，帶動(dòng)指 針偏向右，表示飛機(jī)正在右轉(zhuǎn)彎。 o 反映飛機(jī)轉(zhuǎn)彎的快慢程度 飛機(jī)轉(zhuǎn)彎角速度越大，引起陀螺的進(jìn)動(dòng)力 矩越大，因此內(nèi)框轉(zhuǎn)角和指針的偏轉(zhuǎn)角越 大。 圖圖3-2-2 自轉(zhuǎn)軸橫向安裝轉(zhuǎn)彎儀內(nèi)框轉(zhuǎn)角自轉(zhuǎn)軸橫向安裝轉(zhuǎn)彎儀內(nèi)框轉(zhuǎn)角 30 3.2 轉(zhuǎn)彎儀

10、(4) 實(shí)際上，轉(zhuǎn)彎儀的內(nèi)框轉(zhuǎn)角不僅與飛機(jī)的 轉(zhuǎn)彎角速度有關(guān)，而且和飛機(jī)傾斜角有關(guān)， 因此，轉(zhuǎn)彎儀只能粗略反映飛機(jī)轉(zhuǎn)彎的快 慢程度。 其中， 為內(nèi)框轉(zhuǎn)角，J為轉(zhuǎn)子對(duì)自轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn) 動(dòng)慣量， 自轉(zhuǎn)角速度， 為飛機(jī)轉(zhuǎn)彎角速 度， 為飛機(jī)傾斜角。 )cos( K J 圖圖3-2-3 自轉(zhuǎn)軸縱向安裝轉(zhuǎn)彎儀內(nèi)框轉(zhuǎn)角自轉(zhuǎn)軸縱向安裝轉(zhuǎn)彎儀內(nèi)框轉(zhuǎn)角 32 自轉(zhuǎn)軸縱向安裝： 其中， 為內(nèi)框轉(zhuǎn)角，J為轉(zhuǎn)子對(duì)自轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn) 動(dòng)慣量， 自轉(zhuǎn)角速度， 為飛機(jī)轉(zhuǎn)彎角速 度， 為飛機(jī)傾斜角。 coscos K J 33 3.2 轉(zhuǎn)彎儀(5) o 當(dāng)陀螺旋轉(zhuǎn)且陀螺支架運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于陀螺 角動(dòng)量的有效作用使陀螺運(yùn)動(dòng)或產(chǎn)生進(jìn)動(dòng)。 通過(guò)平衡和測(cè)量這個(gè)進(jìn)動(dòng)力，則可以測(cè)出 陀螺支架的運(yùn)動(dòng)角速率。 1. 飛機(jī)繞橫軸或縱軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn) 彎儀不指示； 2. 轉(zhuǎn)彎儀的內(nèi)框轉(zhuǎn)角公式根據(jù)轉(zhuǎn) 彎儀安裝情況不同有所差別