惯性元件(飞行器控制与制导)
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1、第2章 惯性元件 2.1 陀螺仪概述 2.2 陀螺仪的基本特性 2.3 三自由度陀螺仪应用 2.4 二自由度陀螺仪应用 2.5 新型陀螺仪 2.6 加速度计 2.7 小结2.0 本章概述-1 依靠什么来确定飞行器(或者船只)自身的(角)加速度、 (角)速度和(角)位置？ 如果没有外部参照物和外部信息输入？ 以惯性元件为基础的惯性导航系统，既不需要任何外来信息，也不向外辐射任何信息。 惯性元件：工作原理建立在适用于惯性空间的牛顿定律的基础上，包括各种类型的陀螺仪表和加速度计。2.0 本章概述-2 陀螺仪可以测量三个角自由度参数；加速度计可以测量三个线自由度参数；陀螺平台可以实现参考坐标系作为基准
2、方位。 惯性元件是各种飞行器必不可缺的重要测量元件。 只介绍基本概念、原理和应用。2.1 陀螺仪概述-12.1 陀螺仪概述-2三自由度陀螺仪2.1 陀螺仪概述-3 绕自身对称轴高速旋转的物体，就称为陀螺； 陀螺具有一系列特殊的运动规律和现象，称为陀螺效应，比如定轴性，进动性等； 将高速旋转的转子，用框架和其他辅助装置支撑起来，使转子能够绕空间中一个固定的点转动，这种装置的总体，就称为陀螺仪，可以测量飞行器的角运动。2.1 陀螺仪概述-41) 转子轴摩擦，造成减速，电机驱动；2) 框架轴摩擦，改进支撑方式；3) 转子质心与框架中心不完全重合。 漂移：受干扰的影响，陀螺转子轴相对惯性空间的转动；
3、漂移率：陀螺转子轴漂移的角速率，单位通常为度/小时；(0.01度/小时) 陀螺的发展史就是消除有害干扰，降低漂移率的历史。2.1 陀螺仪概述-5 早期航海，用磁罗盘(指南针)； 19世纪后期，钢质轮船取代木质轮船，磁罗盘精度受影响，而且极地失灵； 德国人安休茨(Anschutz)在1908年，美国人斯佩里(Sperry)在1909年分别独立研制成陀螺罗经陀螺仪实用技术形成和发展的开端。2.1 陀螺仪概述-6 20世纪20年代，陀螺仪开始应用于航空领域，测量飞机的姿态角； 地平仪，建立水平基准； 航向仪，建立方 位基准；2.1 陀螺仪概述-7 1944 年，德国开始向英国发射V-1和V-2导弹，
4、这两种导弹上首次成功应用了陀螺仪；2.1 陀螺仪概述-8 1950s，以陀螺仪为核心的惯性导航技术趋于成熟，其标志是1958年，美国“鹦鹉螺”号核潜艇经 珍珠港- 白令海峡-北极- 波特兰，历时 21天，航程 15000 Km。2.2 陀螺仪的基本特性-1三自由度陀螺仪示意图和简化示意图2.2 陀螺仪的基本特性-2 陀螺仪的两个基本特性： 1) 定轴性：陀螺在不受任何外力和外力矩作用时，陀螺自转轴在惯性空间的指向保持恒定； 2) 进动性：陀螺在受到垂直于自转轴的力矩作用时，将绕与力矩轴垂直的轴做旋转运动，也称为受迫进动，进动角速度与所受力矩大小成正比。 2.2 陀螺仪的基本特性-3陀螺仪进动以
5、及进动方向的确定2.2 陀螺仪的基本特性-4 陀螺转子的动量矩H(角动量)：陀螺转子绕自转轴的转动惯量J和自转角速度的乘积 陀螺进动方程： 根据动量矩定理，作用在刚体上的冲量矩等于刚体动量矩的增量。HJ MH2.2 陀螺仪的基本特性-5dHdtMzx 动量矩为H的陀螺仪受到外力矩Mx的作用，则在dt时间内，冲量矩Mxdt，而动量矩的增量Hz= Hztan d Hz d，则有：zxHM2.2 陀螺仪的基本特性-6 1) 进动角速度与外力矩成正比，与一般牛顿定律的概念不同； 2) 进动无惯性； 3) 在陀螺仪中，干扰力矩将引起陀螺转子轴不希望的进动，引起漂移。为了减小漂移，应加大J和。所以，陀螺转
6、子应有很大的转动惯量和极高的转速。 2.2 陀螺仪的基本特性-7 4) 外力矩为零时，进动角速度为零，保持H恒定，这就是定轴性； 5) 章动：陀螺转子轴受冲击后在原来位置附近振荡的现象，陀螺转子达到额定转速之后才投入工作，以抑制章动； 6) 陀螺力矩，是陀螺仪加给外界施力的反力矩，与外力矩大小相等，方向相反。 7) 技术方程和运动分析参见参考书。2.3 三自由度陀螺仪应用-1 三自由度支撑能使陀螺仪保持惯性主轴在空间中的方向不变，三自由度陀螺仪应用于导弹上的基本功能是敏感角位移； 根据其在弹体上安装方式的不同，可分为垂直陀螺仪和方向陀螺仪。 首先我们介绍三个姿态角的概念：2.3 三自由度陀螺仪
7、应用-2 弹体坐标系：坐标系原点O定义在飞行器的质心，OX1与弹体几何纵轴重合，指向弹头方向为正；OY1轴在弹体纵向对称平面内，与OX1轴垂直， 向上为正； OZ1轴按右手定 则确定。2.3 三自由度陀螺仪应用-3 俯仰角：弹体纵轴与水平面之间的夹角，弹体纵轴在水平面之上为正，反之为负； 偏航角：弹体纵轴在水平面上的投影与惯性坐标系Ox轴之间的夹角，投影线在轴的逆时针方向时为正，反之为负； 滚转角： OY1轴与包含弹体纵轴的垂直平面之间的夹角，弹体向右滚转时为正，反之为负。 2.3 三自由度陀螺仪应用-4 垂直陀螺仪的功能是测量飞行器的俯仰角和滚转角。垂直陀螺仪原理图2.3 三自由度陀螺仪应用
