機載電子設(shè)備課件-4第四章2new

第四章陀螺儀姿態(tài)和航向測量2010.10.252主要內(nèi)容概論二自由度陀螺儀單自由度陀螺儀陀螺儀在飛機姿態(tài)測量中的應(yīng)用陀螺儀在飛機航向測量中的應(yīng)用其它類型的陀螺儀33.陀螺儀在飛機姿態(tài)測量中的應(yīng)用

飛機姿態(tài)測量主要指飛機姿態(tài)角和姿態(tài)角速度的測量。航空地平儀轉(zhuǎn)彎(側(cè)滑)儀43.1航空地平儀(1)飛機的俯仰角和傾斜角，反映了飛機與地平面的相對角位置關(guān)系。而地平面與地垂線是相互垂直的。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。在飛機上確定了地垂線，即可測出飛機相對于地平面的俯仰角和傾斜角。5根據(jù)地垂線測量飛機的俯仰角和傾斜角63.1航空地平儀(2)由于二自由度陀螺自轉(zhuǎn)軸具有很高的方向穩(wěn)定性，不受飛機機體（支架）運動的影響。將二自由度陀螺的自轉(zhuǎn)軸調(diào)整到地垂線方向。當飛機機動飛行時，自轉(zhuǎn)軸能不受干擾，精確地指示地垂線。二自由度陀螺的自轉(zhuǎn)軸相對慣性空間保持穩(wěn)定，將其自轉(zhuǎn)軸做地垂線基準存在兩個問題：由于地球自轉(zhuǎn)，地垂線相對慣性空間的方向不斷改變；73.1航空地平儀(3)由于飛機相對地球運動，地球上不同地點的地垂線相對慣性空間的方向不同。表觀運動（ApparentMotion）由于陀螺自轉(zhuǎn)軸相對慣性空間保持不變，而地球以其自轉(zhuǎn)角速度繞極軸相對慣性空間轉(zhuǎn)動，若以地球作為參考基準，觀察者將觀察到陀螺自轉(zhuǎn)軸相對地球轉(zhuǎn)動，這種相對運動稱為陀螺儀表觀運動。8陀螺自轉(zhuǎn)軸偏離地垂線93.1航空地平儀(4)重力擺：對重力方向敏感，其擺線指示即為地垂線方向。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)飛機軸線和地垂線的關(guān)系測量飛機的俯仰角和傾斜角。103.1航空地平儀(5)通常將二自由度陀螺的外框軸平行于飛機縱軸安裝。地平儀的測量原理飛機俯仰時，支架(即表殼)和外框隨機體一起轉(zhuǎn)動，而內(nèi)框軸保持穩(wěn)定，外框繞內(nèi)框軸轉(zhuǎn)過的角度等于飛機繞縱軸轉(zhuǎn)動的角度，即飛機的俯仰角，因而內(nèi)框軸成為俯仰角的測量軸。

11陀螺地平儀的測量原理外框表殼外框軸內(nèi)框軸123.1航空地平儀(6)飛機傾斜時，表殼跟隨機體一起轉(zhuǎn)動，而外框繞外框軸保持穩(wěn)定，表殼繞外框軸轉(zhuǎn)過的角度等于飛機繞橫軸轉(zhuǎn)動的角度，即飛機的傾斜角，因而外框軸成為傾斜角的測量軸。133.1航空地平儀(7)地平儀的基本組成：兩自由度陀螺、地垂修正器、指示機構(gòu)和控制機構(gòu)。

地平儀的基本組成143.1航空地平儀(8)地垂修正器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自由度。無論飛機俯仰或傾斜，擺都能測出地垂線方向。當陀螺自轉(zhuǎn)軸偏離地垂線位置，液體擺垂線與陀螺垂線就不重合。這個偏差通過轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生一個電信號給執(zhí)行元件，轉(zhuǎn)變成力矩作用于陀螺，使陀螺自轉(zhuǎn)軸進動，直到陀螺垂線與擺垂線重合。153.1航空地平儀(9)當陀螺自轉(zhuǎn)軸穩(wěn)定在地垂線位置，液體擺感受的地垂信號使轉(zhuǎn)換器不產(chǎn)生力矩，陀螺不受外力矩作用，自轉(zhuǎn)軸穩(wěn)定不動。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?shù)氐牡卮咕€方向。16地平儀的指示(Attitude/HorizonIndicator)

173.2轉(zhuǎn)彎儀(1)用于指示飛機轉(zhuǎn)彎（或盤旋）的方向，并粗略放映飛機轉(zhuǎn)彎的快慢程度。轉(zhuǎn)彎儀的基本原理：利用單自由度陀螺的進動性。轉(zhuǎn)彎儀的基本組成：單自由度陀螺、平衡彈簧、空氣阻尼器和指示機構(gòu)。18轉(zhuǎn)彎儀的基本組成193.2轉(zhuǎn)彎儀(2)測量原理飛機直線飛行時，內(nèi)框在平衡彈簧作用下，穩(wěn)定在初始位置，指針指在刻度盤中央，表示飛機沒有轉(zhuǎn)彎；飛機以一定角速度向左轉(zhuǎn)彎時，轉(zhuǎn)彎角速度矢量向上。由于自轉(zhuǎn)角速度矢量指向左機翼，所以內(nèi)框順時針進動，直到引起進動力矩（陀螺力矩）與平衡彈簧的反作用力矩相等。內(nèi)框的轉(zhuǎn)角通過傳動機構(gòu)傳給指針，指針偏向左，表示飛機正在左轉(zhuǎn)彎20轉(zhuǎn)彎儀的原理自轉(zhuǎn)角速度矢量轉(zhuǎn)彎角速度矢量進動方向213.2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。飛機右轉(zhuǎn)彎時，內(nèi)框逆時針進動，帶動指針偏向右，表示飛機正在右轉(zhuǎn)彎。反映飛機轉(zhuǎn)彎的快慢程度飛機轉(zhuǎn)彎角速度越大，引起陀螺的進動力矩越大，因此內(nèi)框轉(zhuǎn)角和指針的偏轉(zhuǎn)角越大。223.2轉(zhuǎn)彎儀(4)

實際上，轉(zhuǎn)彎儀的內(nèi)框轉(zhuǎn)角不僅與飛機的轉(zhuǎn)彎角速度有關(guān)，而且和飛機傾斜角有關(guān)，因此，轉(zhuǎn)彎儀只能粗略反映飛機轉(zhuǎn)彎的快慢程度。其中，為內(nèi)框轉(zhuǎn)角，J為轉(zhuǎn)子對自轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量，自轉(zhuǎn)角速度，為飛機轉(zhuǎn)彎角速度，為飛機傾斜角。233.2轉(zhuǎn)彎儀(5)當陀螺旋轉(zhuǎn)且陀螺支架運動時，由于陀螺角動量的有效作用使陀螺運動或產(chǎn)生進動。通過平衡和測量這個進動力，則可以測出陀螺支架的運動角速率。24轉(zhuǎn)彎儀的指示（含側(cè)滑指示）TurnCoordinator254.陀螺儀在飛機航向測量中的應(yīng)用

測量航向（飛機縱軸與經(jīng)線的夾角）的儀表稱為航空羅盤(Compass)，羅盤是飛機上重要的領(lǐng)航儀表。陀螺半羅盤陀螺磁羅盤264.1陀螺半羅盤(1)陀螺半羅盤，又稱陀螺方位儀(DirectionalGyro)，是利用二自由度陀螺定軸性工作的儀表。它能測量出飛機沿縱軸轉(zhuǎn)過的角度，經(jīng)過校正，可以指示飛機的航向。由于這種儀表不能獨立測量航向（陀螺自轉(zhuǎn)軸不能自動跟蹤經(jīng)線），所以稱為半羅盤。274.1陀螺半羅盤(2)陀螺半羅盤的基本組成二自由度陀螺、刻度盤、航向指標、水平修正器和方位修正器。陀螺外框軸與飛機立軸平行；刻度盤固定在外框上，航向指標固定在表殼上，代表飛機縱軸；水平修正器的修正力矩作用在外框軸，使自轉(zhuǎn)軸保持水平；方位修正器的修正力矩作用于內(nèi)框軸，使自轉(zhuǎn)軸跟蹤選定的方位基準線。28陀螺方位儀的基本原理航向基準線294.1陀螺半羅盤(3)飛機縱軸轉(zhuǎn)角的測量原理飛機改變航向時，自轉(zhuǎn)軸方位不變，刻度盤被陀螺穩(wěn)定不動，而航向指標隨飛機轉(zhuǎn)動，表殼繞外框軸轉(zhuǎn)過的角度即表示縱軸轉(zhuǎn)角。飛機航向的測量原理由于陀螺自轉(zhuǎn)軸不能自動跟蹤經(jīng)線，因此測量航向需要對自轉(zhuǎn)軸進行校正，并使其穩(wěn)定在經(jīng)線方向上，則航向指標指示的角度即為航向角。30陀螺方位儀的指示HeadingIndicator314.2陀螺磁羅盤(1)磁羅盤是在指南針的基礎(chǔ)上形成的，能夠獨立測量飛機航向，但穩(wěn)定性差。將陀螺半羅盤穩(wěn)定性好，但不能獨立測量飛機航向。將磁羅盤與陀螺半羅盤結(jié)合，形成陀螺磁羅盤(GyroMagneticCompass)——即能獨立測量航向，又具有良好的穩(wěn)定性和較高靈敏度的航向儀表。它能測量飛機的磁航向。324.2陀螺磁羅盤(2)陀螺磁羅盤的基本組成：磁傳感