1、2021/8/14慣性導(dǎo)航原理慣性導(dǎo)航原理 中國(guó)民航大學(xué)電子信息工程學(xué)院中國(guó)民航大學(xué)電子信息工程學(xué)院崔崔 銘銘電子信息工程學(xué)院2021/8/1427.2 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) 電子信息工程學(xué)院2021/8/143一一 陀螺穩(wěn)定平臺(tái)陀螺穩(wěn)定平臺(tái) 利用陀螺特性，利用陀螺特性，直接直接或或間接間接地使某一物體，相對(duì)地使某一物體，相對(duì)地地球球或或慣性空間慣性空間保持指向不變；或保持指向不變；或按要求

2、按要求改變物體改變物體起始位起始位置置的一種陀螺裝置（如雷達(dá)天線，航空攝影，同步衛(wèi)星的一種陀螺裝置（如雷達(dá)天線，航空攝影，同步衛(wèi)星天線）。有天線）。有穩(wěn)定穩(wěn)定和和跟蹤跟蹤兩種基本功能。又稱陀螺穩(wěn)定兩種基本功能。又稱陀螺穩(wěn)定器、陀螺穩(wěn)定裝置、陀螺穩(wěn)定系統(tǒng)。器、陀螺穩(wěn)定裝置、陀螺穩(wěn)定系統(tǒng)。7.1 7.1 概概 述述電子信息工程學(xué)院2021/8/144二二 分類分類1.1.按穩(wěn)定軸數(shù)目：按穩(wěn)定軸數(shù)目：（1 1）單軸陀螺穩(wěn)定平臺(tái)：能使被穩(wěn)定對(duì)象在空間繞）單軸陀螺穩(wěn)定平臺(tái)：能使被穩(wěn)定對(duì)象在空間繞某某一根軸一根軸保持保持穩(wěn)定穩(wěn)定，阻止被穩(wěn)定對(duì)象繞該軸轉(zhuǎn)動(dòng)；，阻止被穩(wěn)定對(duì)象繞該軸轉(zhuǎn)動(dòng)；（2 2）雙軸陀螺穩(wěn)定

3、平臺(tái)：能使被穩(wěn)定對(duì)象在空間繞）雙軸陀螺穩(wěn)定平臺(tái)：能使被穩(wěn)定對(duì)象在空間繞兩兩根根不平行不平行的軸保持的軸保持穩(wěn)定穩(wěn)定，兩個(gè)不平行的穩(wěn)定軸可形成，兩個(gè)不平行的穩(wěn)定軸可形成一一穩(wěn)定平面穩(wěn)定平面，故稱雙軸陀螺穩(wěn)定平臺(tái)；，故稱雙軸陀螺穩(wěn)定平臺(tái)；（3 3）三軸陀螺穩(wěn)定平臺(tái)：能使被穩(wěn)定對(duì)象在空間繞）三軸陀螺穩(wěn)定平臺(tái)：能使被穩(wěn)定對(duì)象在空間繞三三根根互不平行互不平行的軸保持的軸保持穩(wěn)定穩(wěn)定，故稱三軸陀螺穩(wěn)定平臺(tái)。，故稱三軸陀螺穩(wěn)定平臺(tái)。電子信息工程學(xué)院2021/8/145電子信息工程學(xué)院2021/8/146電子信息工程學(xué)院2021/8/147電子信息工程學(xué)院2021/8/1482.2.按工作原理按工作原理l 直

4、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)電子信息工程學(xué)院2021/8/149三三 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(cè)量軸方僅將陀螺作為敏感元件裝在

5、平臺(tái)上，繞其測(cè)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(cè)量角度。擾力矩，精確輸出測(cè)量角度。電子信息工程學(xué)院2021/8/14107.2 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。 直接陀螺穩(wěn)定器直接陀螺

6、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)量動(dòng)量矩矩很大的陀螺。四、五十年代曾用來穩(wěn)定船舶，陀螺很大的陀螺。四、五十年代曾用來穩(wěn)定船舶，陀螺轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)1 1 子直徑達(dá)子直徑達(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。電子信息工程學(xué)院2021/8/1411 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。 JH2ii

7、hmJcosGMH電子信息工程學(xué)院2021/8/1412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。2.2.長(zhǎng)長(zhǎng)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 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)，陀螺主軸與干擾力時(shí)，陀螺主軸與干擾力 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)定性。，此時(shí)陀螺失去穩(wěn)定性。電子信息工程學(xué)院2021/8/1413二二 動(dòng)力陀螺穩(wěn)定器動(dòng)力陀

8、螺穩(wěn)定器 利用利用陀螺力矩陀螺力矩和穩(wěn)定系統(tǒng)和穩(wěn)定系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的力矩產(chǎn)生的力矩共同共同抵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。現(xiàn)主要介紹二自由度陀螺組成的陀螺穩(wěn)定器。螺組成。現(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)及減速器、平臺(tái)等。速器、平臺(tái)等。電子信息工程學(xué)院2021/8/14142.2.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)

9、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

10、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2021/8/14151)1)陀螺轉(zhuǎn)子陀螺轉(zhuǎn)子動(dòng)量矩動(dòng)量矩足夠足夠大大, ,干擾力矩干擾力矩繞平臺(tái)軸繞平臺(tái)軸作作用在平臺(tái)上，用在平臺(tái)上，不不會(huì)引起會(huì)引起平臺(tái)平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，而是引起陀，而是引起陀螺繞內(nèi)環(huán)進(jìn)動(dòng)，產(chǎn)生陀螺繞內(nèi)環(huán)進(jìn)動(dòng)，產(chǎn)生陀螺力矩抵消干擾力矩。螺力矩抵消干擾力矩。2)2)當(dāng)陀螺繞內(nèi)環(huán)軸進(jìn)動(dòng)當(dāng)陀螺繞內(nèi)環(huán)軸進(jìn)動(dòng)出現(xiàn)出現(xiàn)轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)角時(shí)，傳感器輸時(shí)，傳感器輸出信號(hào)，經(jīng)放大給穩(wěn)定出信號(hào)，經(jīng)放大給穩(wěn)定電機(jī)，產(chǎn)生電機(jī)，產(chǎn)生穩(wěn)定力矩穩(wěn)定力矩，抵消干擾力矩。抵消干擾力矩。電子信息工程學(xué)院2021/8/1416注意注意：1)1)進(jìn)動(dòng)角進(jìn)動(dòng)

11、角小小，穩(wěn)定力矩，穩(wěn)定力矩小小，主要由，主要由陀螺力矩陀螺力矩抵消干擾抵消干擾力矩；力矩；2)2)當(dāng)進(jìn)動(dòng)角當(dāng)進(jìn)動(dòng)角大大，穩(wěn)定力矩增，穩(wěn)定力矩增大大，對(duì)干擾力矩抵消越來，對(duì)干擾力矩抵消越來越多，進(jìn)動(dòng)越多，進(jìn)動(dòng)角速度角速度逐漸逐漸減小減小；3)3)進(jìn)動(dòng)角達(dá)到一定時(shí)，穩(wěn)定力矩進(jìn)動(dòng)角達(dá)到一定時(shí)，穩(wěn)定力矩完全完全抵消干擾力矩，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)；外力矩的作用完全由穩(wěn)定系統(tǒng)承擔(dān)；4)4)干擾力矩消失后，陀螺在穩(wěn)定力矩作用下，逐漸向干擾力矩消失后，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

12、回到初始位置進(jìn)動(dòng)，當(dāng)陀螺回到初始位置時(shí)初始位置時(shí)，穩(wěn)定力矩，穩(wěn)定力矩消失。消失。電子信息工程學(xué)院2021/8/14173.3.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。電子信息工程學(xué)院2021/8/14184.4.三自由度陀螺組成的動(dòng)力陀螺穩(wěn)定器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

13、陀螺穩(wěn)定器電子信息工程學(xué)院2021/8/1419三三 間接陀螺穩(wěn)定器間接陀螺穩(wěn)定器 干擾力矩干擾力矩只只由穩(wěn)定系統(tǒng)來由穩(wěn)定系統(tǒng)來抵消抵消，與動(dòng)力陀螺，與動(dòng)力陀螺穩(wěn)定器組成基本相同，而間接陀螺穩(wěn)定器的陀螺穩(wěn)定器組成基本相同，而間接陀螺穩(wěn)定器的陀螺只起只起感受作用感受作用，不起，不起執(zhí)行作用執(zhí)行作用。電子信息工程學(xué)院2021/8/14201.1.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）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

14、（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2021/8/1421 當(dāng)當(dāng)干擾力矩干擾力矩沿平臺(tái)軸作用到平臺(tái)時(shí)，引起沿平臺(tái)軸作用到平臺(tái)時(shí)，引起平平臺(tái)臺(tái)繞平臺(tái)軸繞平臺(tái)軸轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，偏離原理的空間方位，而三自，偏離原理的空間方位，而三自由度陀螺具有由度陀螺具有穩(wěn)定性穩(wěn)定性，其外環(huán)軸不轉(zhuǎn)動(dòng)，故此，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)了平臺(tái)就相對(duì)陀螺儀出現(xiàn)了偏轉(zhuǎn)角偏轉(zhuǎn)角。此時(shí)信號(hào)器。此時(shí)信號(hào)器輸輸出出信號(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號(hào)大小和極性產(chǎn)生一定大小和方向的穩(wěn)定力矩穩(wěn)定力矩，并通過通過減速器傳

15、到平臺(tái)上，從而并通過通過減速器傳到平臺(tái)上，從而平衡平衡掉干擾掉干擾力矩。力矩。電子信息工程學(xué)院2021/8/1422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)

16、，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，造成漂移誤差漂移誤差。電子信息工程學(xué)院2021/8/14237.3 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

17、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2021/8/1424用途：用途：1 1）可測(cè)飛機(jī)的姿態(tài)角（）可測(cè)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

18、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。可由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2021/8/1425一一 二自由度陀螺組成的三軸陀螺穩(wěn)定平臺(tái)二自由度陀螺組成的三軸陀螺穩(wěn)定平臺(tái)（一）平臺(tái)基本組成（一）平臺(tái)基本組成1.1.平臺(tái)由平臺(tái)由橫滾環(huán)橫滾環(huán)、俯仰環(huán)俯仰環(huán)和和方位環(huán)方位環(huán)組成，可繞三個(gè)軸組成，可繞三個(gè)軸（縱縱向穩(wěn)定軸、向穩(wěn)定軸、橫橫向穩(wěn)定軸和向穩(wěn)定軸和方位方位穩(wěn)定軸）相對(duì)基座穩(wěn)定軸）相對(duì)基座轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)。2.2.方位方位穩(wěn)定軸和穩(wěn)定軸和平臺(tái)固裝平臺(tái)固裝在一起。在一起。3.3.縱向縱向穩(wěn)定軸是穩(wěn)定軸是傾斜角傾斜

19、角的測(cè)量軸；的測(cè)量軸；橫向橫向穩(wěn)定軸是俯仰穩(wěn)定軸是俯仰角的測(cè)量軸；角的測(cè)量軸；方位方位穩(wěn)定軸是穩(wěn)定軸是航向角航向角的測(cè)量軸。的測(cè)量軸。電子信息工程學(xué)院2021/8/14264.4.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。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）

20、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2021/8/1427電子信息工程學(xué)院2021/8/1428（二）系統(tǒng)工作原理二）系統(tǒng)工作原理1.1.方位穩(wěn)定系統(tǒng)：當(dāng)平臺(tái)受到沿方位穩(wěn)定系統(tǒng)：當(dāng)平臺(tái)受到沿方位方位穩(wěn)定軸作用的穩(wěn)定軸作用的干干擾力矩?cái)_力矩時(shí)，陀螺時(shí)，陀螺進(jìn)動(dòng)進(jìn)動(dòng)，它的信號(hào)器輸出信號(hào)，經(jīng)，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)定力矩放大送到方位穩(wěn)定電機(jī)，產(chǎn)生穩(wěn)定力矩平衡平衡干擾力干擾力矩使平臺(tái)保持方位穩(wěn)定。工作原理與矩使平臺(tái)保持方位穩(wěn)定。工作原理

21、與單軸單軸穩(wěn)定系統(tǒng)穩(wěn)定系統(tǒng)完全完全相同相同。電子信息工程學(xué)院2021/8/14292.2.水平穩(wěn)定系統(tǒng)：兩個(gè)單軸穩(wěn)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

22、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2021/8/1430（2 2）9090度航向時(shí)，如度航向時(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

23、，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2021/8/1431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

24、航向任意航向 電子信息工程學(xué)院2021/8/1432 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)。電子信息工程學(xué)院2021/8/1433cos1干KMHsin2干KMH旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子中的合成磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子中的合成磁場(chǎng)為：

25、為：合成磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子繞組合成磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子繞組I I的夾為：的夾為：干干干kMKMKMHHH222221sincos21sin()cosHarctgarctgarctg tgH 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(chǎng)分別為：形成磁場(chǎng)分別為：電子信息工程學(xué)院2021/8/1434 綜上所述綜上所述，干擾力矩作用于平臺(tái)，轉(zhuǎn)子繞組的合成磁場(chǎng)，干擾力矩作用于平臺(tái)，轉(zhuǎn)子繞組的合成磁場(chǎng)

26、大小大小不變不變，方向方向隨飛機(jī)航向隨飛機(jī)航向改變改變相同的角度，合成磁場(chǎng)與定子繞組的相同的角度，合成磁場(chǎng)與定子繞組的相對(duì)位置相對(duì)位置不變。不變。（三）平臺(tái)水平修正系統(tǒng)：（三）平臺(tái)水平修正系統(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(chǎng)場(chǎng)1,2H H合成磁合成磁場(chǎng)場(chǎng)H定子感定子感受磁場(chǎng)受磁場(chǎng)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2021/8/1435二二 三自由度陀螺組成的三軸陀螺穩(wěn)定

27、平臺(tái)三自由度陀螺組成的三軸陀螺穩(wěn)定平臺(tái)1.1.基本組成基本組成 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2021/8/14362.2.工作原理工作原理 三軸

28、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：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2021/8/14377.4 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(guó)物理學(xué)家舒勒（scuhler）于1923年提出，舒勒

29、擺的基本內(nèi)容：假設(shè)有一個(gè)質(zhì)量為m，擺長(zhǎng)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ｋ娮有畔⒐こ虒W(xué)院2021/8/14382cossin cos1 sin, 1abJml amg lJmg, aaRRlRmglmlaJJRJml 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11gallR為： 等號(hào)右端反映了載體加速度對(duì)單擺的影響。ababba 從A點(diǎn)到B點(diǎn)

30、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2021/8/14392g , 0 (0) ( )(0)cossinABBsssslRRtttgR 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(zhǎng)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：62284.4R=6370km=6.37 10,9.81sRTgm g2分鐘其中：米/秒電子信息工程學(xué)院2021/8/1440結(jié)論結(jié)論：當(dāng)單擺的固有振蕩周期為84.4分鐘時(shí)，其運(yùn)

31、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(zhǎng)等于地球半徑的實(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。s284.4RTglR電子信息工程學(xué)院2021/8/1441二二 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矫娴钠脚_(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2021/8/14421.1.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、