机载电子设备-第四章_陀螺仪_姿态和航向测量1

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1、第四章 陀螺仪 姿态和航向测量2012 . 102主要内容o 概论o 三自由度陀螺仪o 二自由度陀螺仪o 陀螺仪在飞机姿态测量中的应用o 陀螺仪在飞机航向测量中的应用o 其它类型的陀螺仪31. 概论（1）o 飞机的姿态和航向仪表，大多利用陀螺特性工作。o 陀螺仪（Gyroscope)：测量物体相对惯性空间的转角或角速度的装置。o 陀螺仪的本质特性：高速旋转的物体，能够抵抗外力和干扰的影响，力图保持其自转轴的方向（相对惯性空间）不变。41. 概论（2）o 飞机的姿态角：俯仰角 和倾斜角俯仰角：飞机XY平面内纵轴与地平面的夹角；倾斜角：飞机XZ平面内横轴与地平面的夹角。o 飞机的航向：航向角 飞机

2、XZ平面内纵轴与经线（真经线、磁经线等）的夹角。r5纵轴：飞行方向及飞机推力和阻力作用方向横轴：飞机测滑或横向力作用方向垂直轴：飞机升力和重力作用方向 机体坐标系机体坐标系垂直轴Y纵轴X横轴Z上升下降侧滑向前偏航俯仰横滚6飞机的XY平面俯仰角俯仰角迎角迎角7飞机的XZ平面倾斜倾斜(横滚横滚)角角侧滑角侧滑角8飞机的YZ平面航向角航向角偏流角偏流角91. 概论（3）o 目前飞机上应用最多的陀螺是刚体转子（框架式）陀螺和激光陀螺。n 刚体转子陀螺：能够绕一个支点高速旋转的装置。(轴承摩擦和磨损是降低精度的主要因素)n 激光陀螺：完全的光学装置，只是由于具有陀螺测量角运动的功能，所以仍称为陀螺。10

3、2. 三自由度陀螺（1）与与支架支架连接连接112.三自由度陀螺（2）o 三自由度陀螺的组成：转子、内框、外框和支架（基座）。n 转子：一个对称的飞轮，由电机或压缩空气驱动，绕自转轴高速旋转。旋转角速度称为自转角速度；n 内框：支撑转子轴的框架；绕内框轴相对外框自由转动；n 外框：支撑内框轴的框架；绕外框轴相对陀螺仪支架自由转动；以上这两种转动角速度称为牵连角速度。n 自转轴、内框轴和外框轴的轴线相交于一点，这一点称为陀螺的支点。122.三自由度陀螺仪（3）o 对自转轴而言，具有绕内框轴和外框轴转动的两个自由度，故有的地方称为二自由度陀螺。o 转子具有转动自由度，所以这里统一称之为三自由度陀螺

4、。132.三自由度陀螺仪（4）o 三自由度陀螺具有两个基本特性：n 稳定性 (Stability)：陀螺保持自转轴方向在惯性空间稳定的特性。n 进动性(Precession)：在外力矩作用下，陀螺自转轴转动方向与外力矩作用方向不一致，而力图使转动矢量以最短路径向外力矩矢量靠近。142.1三自由度陀螺的稳定性(1)o 稳定性的两种表现：定轴性和章动。o 定轴性：转子高速旋转后，若不受外力矩作用，无论陀螺仪支架（又或者内框/外框）如何转动，自转轴的指向在惯性空间中保持不变。15旋转中的陀螺保持自转轴方向不变，无论外部框架（内保持自转轴方向不变，无论外部框架（内框框/外框外框/陀螺仪支架）的方向。陀

5、螺仪支架）的方向。图图 3-1-5 三自由度陀螺的定轴试验三自由度陀螺的定轴试验(a)在两极，陀螺自转轴相对地球的运动(b)在赤道，陀螺自转轴相对地球的运动172.1三自由度陀螺的稳定性(2)o 章动：转子高速旋转后，受到瞬时冲击力矩时，自转轴将在原空间方向附近做微小振幅的圆锥振荡运动，这种振荡运动即为章动。o 由于章动的频率很高，振幅很小，因此，自转轴相对惯性空间方向改变很小。而且，章动衰减迅速，可认为陀螺受冲击力矩作用时也是稳定的。18陀螺的章动192.1三自由度陀螺的稳定性(3)o 与稳定性有关的因素：n 转子的自转角速度：越大，稳定性越高n 转子对自转轴的转动惯量：越大，稳定性越高；n

6、 陀螺自转轴与外框轴间的垂直度n 干扰力矩：越小，稳定性越高。202.2三自由度陀螺的进动性(1)o 进动性：三自由度陀螺受外力矩作用，若外力矩矢量沿内框轴方向，陀螺绕外框轴转动；若外力矩矢量沿外框轴方向，陀螺绕内框轴转动，即陀螺并不在外力矩所作用的平面内产生运动，而在与外力矩作用平面相垂直平面内运动。o 陀螺进动方向与转子角动量和外力矩方向有关，并符合右手螺旋定则：角动量（自转角速度）矢量沿最短途径转向外力矩方向。21三自由度陀螺的进动外力矩外力矩(绕内框作用绕内框作用)角动量角动量（绕外框轴进动）（绕外框轴进动）角动量角动量（绕内框轴进动）（绕内框轴进动）外力矩外力矩(绕外框作用绕外框作用

7、)外框轴外框轴内框轴内框轴222.2 二自由度陀螺的进动性(2)上图说明：转子角动量矢量 指向z轴正向，外力矩矢量 指向x轴正向，则角动量矢量将沿逆时针方向转向外力矩矢量方向，即自转轴将绕外框轴沿逆时针方向进动，进动角速度矢量 指向y轴正向；转子角动量矢量 指向z轴正向，外力矩矢量 指向y轴正向，则角动量矢量将沿顺时针方向转向外力矩矢量方向，即自转轴将绕内框轴沿顺时针方向进动，进动角速度矢量 指向x轴负向。HMHM判断题o 判断下列各图中陀螺的进动方向或外力矩方向MMM在北半球放置一个三自由度的陀螺，将其自转轴初始位置与地平面平行。问：24小时地球上的人观察到得陀螺的自转轴始终平行于地面吗？若