第章陀螺仪原理惯性导航
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2.传感器:输出与被测量参数成一定关系的电信号 。如陀螺航向传感器,角速度传感器。
3.本身作为一个元部件,与其它自动控制元部件 组成各种陀螺装置。如陀螺稳定平台,惯性导 航系统等。
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2.1 三自由度陀螺及基本特性
一、两个主要特性:
稳定性:陀螺转子绕自转轴高速旋转即具 有动量矩时,如果不受外力矩作用,自转轴将 相对惯性空间保持方向不变的特性。
J mihi2
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3.进动性
进动性:当三自由度陀螺受到外力矩作用时, 陀螺仪并不在外力矩所作用的平面内产生运动, 而是在与外力矩作用平面相垂直的平面内运动。
进动方向:将外力矩矢量沿转子自转方向转90 度。
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19
外力矩作用 在内框轴上
外力矩作用 在外框轴上
矩性空绕当间M 内 转转框子动轴绕;作自若用转外在轴力陀高矩螺速仪绕旋上外转M ,框即则轴具动作有量用动矩在量绕陀矩螺外H时仪框,上轴若,相外则对力动惯
α为转子轴从与外框轴垂直的位置向上或向
下偏离的角度;M为外加力矩,J为转动惯量, Ω为自转角速度。可见,转子自转角速度越大
,进动角速度越小;转子对自转轴的转动惯量 越大,进动角速度越小;外力矩越大,进动角 速度越大
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特点 1)运动不是发生在力矩作用的方向,而是发 生 在和它垂直的方向;
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陀螺力矩
根据牛顿第三定律,当外界对陀螺仪施加力 矩使它进动时,陀螺仪必然存在反作用力矩,其 大小与外力矩相等,方向则相反,并且作用在给 陀螺仪施加力矩的那个物体上。陀螺仪进动时的 反与外作力用矩力矩M 通 之常间称的为关“系陀显螺然力为矩”。陀螺力矩MG
M G M H
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在平台式惯导系统中,
原点 在飞O机重心, 轴X在pY轴地PZ 总P垂是方在向水,平指面天内或,地。
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41
三、坐标系转换关系
为了测量飞机姿 态,需将惯性系或 地理系移到飞机上, 方法之一:在飞机 上利用三自由度自 由陀螺或定位陀螺 来模拟惯性系或地 理系。
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第二章 陀螺仪原理
2.1 三自由度陀螺及基本特性 2.2 陀螺力矩 2.3 坐标系关系 2.4 二自由度陀螺及其应用
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1
复合运动
绝对运动:动点相对于定参考系的运动。 相对运动:动点相对于动参考系的运动。 牵连运动:动参考系相对于定参考系的运动。 例:人在运动的车厢内行走。
复合运动:可以是有由两个直线运动组成,也可以由 两个圆周运动组成,还可以由一个直线运动和一个圆 周运动组成。
2)进动角速度 M,/H 在角动量一定时,对
应于一个力矩只有一个进动角速度; 3)外力矩停止作用时,进动运动停止。
进动的内因:转子的高速自转即动量矩的存在; 进动的外因:外力矩改变动量矩方向的作用。
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在干扰力矩的作用下陀螺仪产生的进动,使 得自转轴在惯性空间逐渐偏离原来的方位,这种 现象称之为漂移。
高速旋转?
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6
陀螺仪(Gyroscope)
陀螺仪:将陀螺安装在框架装置上,使陀螺的自 转轴有一定的转动自由度。
通常,把陀螺仪定义为利用动量矩(自转转子产 生) 敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或 两个轴的角运动的装置。
敏感角运动的一种精密传感器,是惯性导航系统 的中最重要、技术含量最高的仪器,是惯导系统中的 核心器件。陀螺仪的精度是惯导系统精度的主要决定 因素。
(4)正常化二阶带球系数
C 2 .0 4.1 86 4 1 6 6 0 8 1 .35 1 0 9 。 0
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二、惯性系统中常用的坐标系
在地球上进行导航,所定义的坐标系要将惯导系统 的测量值与地球的主要方向联系起来。因此涉及到了 各种不同的坐标系,主要有以下几类:
陀螺坐标系 地理坐标系 惯性坐标系 地球坐标系 载体坐标系
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2
例:当复合运动由一个直线运动和一个圆周 运动组成。(P6)
y Ve
牵连切线速度使相
Vr
对速度发生变化而产生
的加速度 : a1 Vr
ω
滑块
相对速度使牵连速度
直杆
发生变化而产生的加速
度:
x
a2 Vr
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3
附加加速度(哥氏加速度):ak a1a2
附加惯性力: Fkmka2mr V
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1.陀螺坐标系oxyz
x轴:与陀螺内环轴一致,固连于内环上; z轴:与陀螺转子轴一致,固连于内环上;但不随转子转动; y轴:与oxy平面平行,大方向与外环一致,但一般不与外环轴一致
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2.地理坐标系OENZ(或oxt yt z)t Geodetic Navigation
ZT
N
Z
Frame
以地球作为参照系时,规定:
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原点O—飞行器重心在地球表面的投 影点; E 轴 —指东,即坐标原点纬线向东
O G
的切线;
N 轴 —指北,即坐标原点经线向北
的切线; Z 轴 —沿地垂线方向,指向天空。
XT
YT
地球坐标系的OEN平面是当地水平面,ONZ平面是
当地子午面,这两个平面是地平仪和航向陀螺仪的基准
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44
上述变换,坐标系2是坐标系1绕 Z轴旋转后得 到的,称仅绕一根轴的旋转为基本旋转。两个坐 标系间任何复杂的角位置关系都可看作是有限次 基本旋转的复合,变换矩阵等于基本旋转的变换 矩阵的连乘,顺序依旋转的先后由右向左排列。 例如运载体的空间姿态可看作依次绕航向轴、俯 仰轴、横滚轴作基本旋转后的结果。
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7
随着科学技术的发展,许多新型陀螺仪的大量 出现,它们之中已经没有高速旋转的转子,但 是 它们仍然可以用来感测物体相对惯性空间的角运 动,因此人们也把陀螺仪这一名称扩展到没有刚 体转子而功能与经典陀螺仪等同的敏感器。
本节仍以框架式刚体转子陀螺仪为研究对象来 阐述陀螺仪的基本特性。
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国际通用参考椭球体
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WGS-84坐标系基本参数
(1)椭球长半径 (a)6378123m7;
(2)地球(含大气层)引力常数 (G ) M 39 8 18 m 6 0 3 /s 2 0 0 .0 6 1 5 8 m 0 3 /s 2 ;
(3)地球自转角速度
() 72 1 9 1 r 0 1 2 / a s 1 0 . d 1 1 5 1 5 1 0 r 0 1/ a s 0 ;
哥氏加速度是由于质点不仅做圆周运动, 而且也做径向或周向运动所产生的。
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4
陀螺简介
陀螺是什么? 我们小时候都玩过它。它是一种
圆锥形玩具,下端有尖针,绕上细 绳,猛甩出去就能在地上旋转。 陀螺定义:绕自身对称轴高速旋转的 刚体。(刚体—不变形的固体)
为什么用鞭子抽 打后,先轻微摆 动,后绕自转轴
进动性:在陀螺上施加外力矩时,会引起 陀螺动量矩矢量相对惯性空间转动的特性。
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1.稳定性
三自由度陀螺保持其自转轴(或动量矩矢
量—教材P8)在空间的方向不发生变化的特性 。
有两种表现形式即定轴性和章动。
定轴性:当三自由度陀螺转子高速旋转后,
若不受外力矩的作用,不管基座如何转动,支承
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4.地球坐标系oxe ye(ze Terrestrial Frame )
地球坐标系 oxe y,ez原e 点取在地心, 为x赤e 道平 面与本初子午线的交线,
与地球z e 自转轴重合, 与
组成的y e 平面xe 垂ze 直。显然地 球坐标系与地球固连,并 与地球一起转动。
导航定位中常用经、纬度表示载体相对于地球表面的位置。
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陀螺力矩方向
从动量矩沿最短路径握向进动角速度的右手 旋进方向,即为陀螺力矩的方向。
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27
陀螺力矩大小 MG Jcos MG Hcos
式中为自转角速度矢量与牵连角速度矢量 的垂直位置之夹角。
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2.3 坐标系关系
一、地球的形状及其参数
通过测量,地球 北极凸出,南极凹 陷,类似一个梨形 旋转椭球体,并且 表面有不同的地形 地貌。由于这种不 规则的球体无法用 数学模型表达,在 导航中不用它来描 述地球形状。
在万向支架上的陀螺仪的自转轴指向惯性空间方
位不变。陀螺的动量矩越大,陀螺仪的定轴性越
强。
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实际的陀螺仪中,由于结构和工艺的不完备, 总是不可避免的存在着干扰力矩。从而破坏了 稳定性,产生了章动(瞬时冲击力矩)和进动 (一定持续时间的力矩) 。
章动:陀螺受 到瞬时冲击力矩作 用后,自转轴在原 位附近做微小的圆 锥运动,其转子轴 的大方向基本不变。
动量矩H(角动量)来表示转动惯量J与角速度Ω的 乘积,即 H,J方向用右手螺旋定则判断。
上式说明,转动惯量和自转角速度越大,动量矩越大, 定轴性越好,稳定性越高。此外,陀螺稳定性还与陀螺 三轴是否垂直有关。
注:物体在转动时所具有的保持其转动状态不变的
惯性,被称之为转动惯量。它与物体的质量形状及转动
轴的位置有关,即:
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2、陀螺相对地球的视在运动
由于陀螺仪的转动相对惯性空间保持方向不 变,而地球以自转角速度绕极轴相对于惯性空 间转动,因此观察者以地球为参考基准,会看 到陀螺自转轴相对于地球在运动,这种现象叫 做陀螺仪的视在运动。
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15
北极处观察的表观运动 赤道处观察的表观运动
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29
设想地球被海 洋全部包围,则 各处海平面形成 的地球形状称为 大地水准体。与 地球自然表面非 常接近(71%的 海水)
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30
将大地水准体用 一个有确定参数的 旋转椭球体来逼近 代替(如椭球面与 真实大地水准面之 间的高度差的偏差 平方和最小),这 种旋转椭球体称为 参考椭球体,简称 参考椭球。
量矩绕内框轴相对惯性空间转动。在陀螺仪上施加外力
矩,会引起陀螺动量矩矢量相对惯性空间转动的特性,
称为陀螺仪的进动性。
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进动方向
进动角速度ω的方向,取决于动量矩H和外力矩M的方向。
陀螺受外力矩作用 时,动量矩(自转角速 度矢量)沿最短的路线 向外力矩矢量运动
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21
进动角速度大小: M Jcos
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5.机体坐标系 OXBY(BMZBobile Frame,Body Frame )
机体坐标系与飞机固连,
用表示OXBYB,Z坐B 标原点 机O纵与轴飞一机致重,心重O与合Z飞,B 机O竖X与B轴飞
一致, O与Y飞B 机横轴一致。
ZB YB
XB
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6.平台坐标系OXpYpZ(pPlatform frame )
16
三自由度陀螺定轴性
因此,如果想利用陀螺仪在载体上建立当地垂线和子
午线作为姿态的测量基准,就必须对陀螺施加一定的控
制力矩或修正力矩,使其自转轴始终跟踪当地垂线和子
午线在惯性空间中的方位变化。
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决定稳定性好坏的因素
陀螺转子因为具有转动惯量,所以能够保持转 动轴方向不变。陀螺稳定性除与转子的转动惯量有 关外,还与它的转动角速度有关。在力学中,常用
面。
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3.惯性坐标系 (Space-fixed or Inertial Frame) 在研究惯性系统时,通常将相对恒星所确定的参考系称
为惯性空间,空间中静止或匀速直线运动的参考坐标系称 为惯性参考坐标系。 日心惯性坐标系 : I X0Y0Z0 地球惯性坐标系 : E X0Y0Z0
8
三自由度陀螺(二自由度) 二自由度陀螺(单自由度)
陀螺的应用:指示仪表,传感器,把陀螺本身作为 一个元部件,与其他自动控制元部件组成各种陀螺装置。
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9
基本部件:陀螺转子,内、外框架(支承部 件),附件(电机、力矩器等)
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陀螺应用
1.指示仪表:指示飞机俯仰角和倾斜角的航空地 平仪,指示航向角的罗盘,指示转弯方向和速 度的转弯仪。
d Md /H
漂移 角速度
干扰 力矩
稳定性与进动性的关系 稳定性越好的陀螺,进动就越不明显; 进动越明显的陀螺,稳定性就越差。
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2.2 陀 螺 力 矩 陀螺力矩实验 陀螺力矩实验
▪ 物体同时绕两个互不平行的轴旋转时,会产生陀螺力矩 ▪ 陀螺力矩的矢量垂直于两个转轴所组成的平面
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3.本身作为一个元部件,与其它自动控制元部件 组成各种陀螺装置。如陀螺稳定平台,惯性导 航系统等。
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2.1 三自由度陀螺及基本特性
一、两个主要特性:
稳定性:陀螺转子绕自转轴高速旋转即具 有动量矩时,如果不受外力矩作用,自转轴将 相对惯性空间保持方向不变的特性。
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3.进动性
进动性:当三自由度陀螺受到外力矩作用时, 陀螺仪并不在外力矩所作用的平面内产生运动, 而是在与外力矩作用平面相垂直的平面内运动。
进动方向:将外力矩矢量沿转子自转方向转90 度。
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外力矩作用 在内框轴上
外力矩作用 在外框轴上
矩性空绕当间M 内 转转框子动轴绕;作自若用转外在轴力陀高矩螺速仪绕旋上外转M ,框即则轴具动作有量用动矩在量绕陀矩螺外H时仪框,上轴若,相外则对力动惯
α为转子轴从与外框轴垂直的位置向上或向
下偏离的角度;M为外加力矩,J为转动惯量, Ω为自转角速度。可见,转子自转角速度越大
,进动角速度越小;转子对自转轴的转动惯量 越大,进动角速度越小;外力矩越大,进动角 速度越大
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特点 1)运动不是发生在力矩作用的方向,而是发 生 在和它垂直的方向;
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陀螺力矩
根据牛顿第三定律,当外界对陀螺仪施加力 矩使它进动时,陀螺仪必然存在反作用力矩,其 大小与外力矩相等,方向则相反,并且作用在给 陀螺仪施加力矩的那个物体上。陀螺仪进动时的 反与外作力用矩力矩M 通 之常间称的为关“系陀显螺然力为矩”。陀螺力矩MG
M G M H
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在平台式惯导系统中,
原点 在飞O机重心, 轴X在pY轴地PZ 总P垂是方在向水,平指面天内或,地。
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三、坐标系转换关系
为了测量飞机姿 态,需将惯性系或 地理系移到飞机上, 方法之一:在飞机 上利用三自由度自 由陀螺或定位陀螺 来模拟惯性系或地 理系。
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第二章 陀螺仪原理
2.1 三自由度陀螺及基本特性 2.2 陀螺力矩 2.3 坐标系关系 2.4 二自由度陀螺及其应用
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1
复合运动
绝对运动:动点相对于定参考系的运动。 相对运动:动点相对于动参考系的运动。 牵连运动:动参考系相对于定参考系的运动。 例:人在运动的车厢内行走。
复合运动:可以是有由两个直线运动组成,也可以由 两个圆周运动组成,还可以由一个直线运动和一个圆 周运动组成。
2)进动角速度 M,/H 在角动量一定时,对
应于一个力矩只有一个进动角速度; 3)外力矩停止作用时,进动运动停止。
进动的内因:转子的高速自转即动量矩的存在; 进动的外因:外力矩改变动量矩方向的作用。
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在干扰力矩的作用下陀螺仪产生的进动,使 得自转轴在惯性空间逐渐偏离原来的方位,这种 现象称之为漂移。
高速旋转?
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陀螺仪(Gyroscope)
陀螺仪:将陀螺安装在框架装置上,使陀螺的自 转轴有一定的转动自由度。
通常,把陀螺仪定义为利用动量矩(自转转子产 生) 敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或 两个轴的角运动的装置。
敏感角运动的一种精密传感器,是惯性导航系统 的中最重要、技术含量最高的仪器,是惯导系统中的 核心器件。陀螺仪的精度是惯导系统精度的主要决定 因素。
(4)正常化二阶带球系数
C 2 .0 4.1 86 4 1 6 6 0 8 1 .35 1 0 9 。 0
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二、惯性系统中常用的坐标系
在地球上进行导航,所定义的坐标系要将惯导系统 的测量值与地球的主要方向联系起来。因此涉及到了 各种不同的坐标系,主要有以下几类:
陀螺坐标系 地理坐标系 惯性坐标系 地球坐标系 载体坐标系
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例:当复合运动由一个直线运动和一个圆周 运动组成。(P6)
y Ve
牵连切线速度使相
Vr
对速度发生变化而产生
的加速度 : a1 Vr
ω
滑块
相对速度使牵连速度
直杆
发生变化而产生的加速
度:
x
a2 Vr
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附加加速度(哥氏加速度):ak a1a2
附加惯性力: Fkmka2mr V
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1.陀螺坐标系oxyz
x轴:与陀螺内环轴一致,固连于内环上; z轴:与陀螺转子轴一致,固连于内环上;但不随转子转动; y轴:与oxy平面平行,大方向与外环一致,但一般不与外环轴一致
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2.地理坐标系OENZ(或oxt yt z)t Geodetic Navigation
ZT
N
Z
Frame
以地球作为参照系时,规定:
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原点O—飞行器重心在地球表面的投 影点; E 轴 —指东,即坐标原点纬线向东
O G
的切线;
N 轴 —指北,即坐标原点经线向北
的切线; Z 轴 —沿地垂线方向,指向天空。
XT
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地球坐标系的OEN平面是当地水平面,ONZ平面是
当地子午面,这两个平面是地平仪和航向陀螺仪的基准
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上述变换,坐标系2是坐标系1绕 Z轴旋转后得 到的,称仅绕一根轴的旋转为基本旋转。两个坐 标系间任何复杂的角位置关系都可看作是有限次 基本旋转的复合,变换矩阵等于基本旋转的变换 矩阵的连乘,顺序依旋转的先后由右向左排列。 例如运载体的空间姿态可看作依次绕航向轴、俯 仰轴、横滚轴作基本旋转后的结果。
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随着科学技术的发展,许多新型陀螺仪的大量 出现,它们之中已经没有高速旋转的转子,但 是 它们仍然可以用来感测物体相对惯性空间的角运 动,因此人们也把陀螺仪这一名称扩展到没有刚 体转子而功能与经典陀螺仪等同的敏感器。
本节仍以框架式刚体转子陀螺仪为研究对象来 阐述陀螺仪的基本特性。
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WGS-84坐标系基本参数
(1)椭球长半径 (a)6378123m7;
(2)地球(含大气层)引力常数 (G ) M 39 8 18 m 6 0 3 /s 2 0 0 .0 6 1 5 8 m 0 3 /s 2 ;
(3)地球自转角速度
() 72 1 9 1 r 0 1 2 / a s 1 0 . d 1 1 5 1 5 1 0 r 0 1/ a s 0 ;
哥氏加速度是由于质点不仅做圆周运动, 而且也做径向或周向运动所产生的。
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陀螺简介
陀螺是什么? 我们小时候都玩过它。它是一种
圆锥形玩具,下端有尖针,绕上细 绳,猛甩出去就能在地上旋转。 陀螺定义:绕自身对称轴高速旋转的 刚体。(刚体—不变形的固体)
为什么用鞭子抽 打后,先轻微摆 动,后绕自转轴
进动性:在陀螺上施加外力矩时,会引起 陀螺动量矩矢量相对惯性空间转动的特性。
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1.稳定性
三自由度陀螺保持其自转轴(或动量矩矢
量—教材P8)在空间的方向不发生变化的特性 。
有两种表现形式即定轴性和章动。
定轴性:当三自由度陀螺转子高速旋转后,
若不受外力矩的作用,不管基座如何转动,支承
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4.地球坐标系oxe ye(ze Terrestrial Frame )
地球坐标系 oxe y,ez原e 点取在地心, 为x赤e 道平 面与本初子午线的交线,
与地球z e 自转轴重合, 与
组成的y e 平面xe 垂ze 直。显然地 球坐标系与地球固连,并 与地球一起转动。
导航定位中常用经、纬度表示载体相对于地球表面的位置。
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陀螺力矩方向
从动量矩沿最短路径握向进动角速度的右手 旋进方向,即为陀螺力矩的方向。
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陀螺力矩大小 MG Jcos MG Hcos
式中为自转角速度矢量与牵连角速度矢量 的垂直位置之夹角。
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2.3 坐标系关系
一、地球的形状及其参数
通过测量,地球 北极凸出,南极凹 陷,类似一个梨形 旋转椭球体,并且 表面有不同的地形 地貌。由于这种不 规则的球体无法用 数学模型表达,在 导航中不用它来描 述地球形状。
在万向支架上的陀螺仪的自转轴指向惯性空间方
位不变。陀螺的动量矩越大,陀螺仪的定轴性越
强。
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实际的陀螺仪中,由于结构和工艺的不完备, 总是不可避免的存在着干扰力矩。从而破坏了 稳定性,产生了章动(瞬时冲击力矩)和进动 (一定持续时间的力矩) 。
章动:陀螺受 到瞬时冲击力矩作 用后,自转轴在原 位附近做微小的圆 锥运动,其转子轴 的大方向基本不变。
动量矩H(角动量)来表示转动惯量J与角速度Ω的 乘积,即 H,J方向用右手螺旋定则判断。
上式说明,转动惯量和自转角速度越大,动量矩越大, 定轴性越好,稳定性越高。此外,陀螺稳定性还与陀螺 三轴是否垂直有关。
注:物体在转动时所具有的保持其转动状态不变的
惯性,被称之为转动惯量。它与物体的质量形状及转动
轴的位置有关,即:
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2、陀螺相对地球的视在运动
由于陀螺仪的转动相对惯性空间保持方向不 变,而地球以自转角速度绕极轴相对于惯性空 间转动,因此观察者以地球为参考基准,会看 到陀螺自转轴相对于地球在运动,这种现象叫 做陀螺仪的视在运动。
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将大地水准体用 一个有确定参数的 旋转椭球体来逼近 代替(如椭球面与 真实大地水准面之 间的高度差的偏差 平方和最小),这 种旋转椭球体称为 参考椭球体,简称 参考椭球。
量矩绕内框轴相对惯性空间转动。在陀螺仪上施加外力
矩,会引起陀螺动量矩矢量相对惯性空间转动的特性,
称为陀螺仪的进动性。
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进动方向
进动角速度ω的方向,取决于动量矩H和外力矩M的方向。
陀螺受外力矩作用 时,动量矩(自转角速 度矢量)沿最短的路线 向外力矩矢量运动
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21
进动角速度大小: M Jcos
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5.机体坐标系 OXBY(BMZBobile Frame,Body Frame )
机体坐标系与飞机固连,
用表示OXBYB,Z坐B 标原点 机O纵与轴飞一机致重,心重O与合Z飞,B 机O竖X与B轴飞
一致, O与Y飞B 机横轴一致。
ZB YB
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6.平台坐标系OXpYpZ(pPlatform frame )
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三自由度陀螺定轴性
因此,如果想利用陀螺仪在载体上建立当地垂线和子
午线作为姿态的测量基准,就必须对陀螺施加一定的控
制力矩或修正力矩,使其自转轴始终跟踪当地垂线和子
午线在惯性空间中的方位变化。
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决定稳定性好坏的因素
陀螺转子因为具有转动惯量,所以能够保持转 动轴方向不变。陀螺稳定性除与转子的转动惯量有 关外,还与它的转动角速度有关。在力学中,常用
面。
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3.惯性坐标系 (Space-fixed or Inertial Frame) 在研究惯性系统时,通常将相对恒星所确定的参考系称
为惯性空间,空间中静止或匀速直线运动的参考坐标系称 为惯性参考坐标系。 日心惯性坐标系 : I X0Y0Z0 地球惯性坐标系 : E X0Y0Z0
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三自由度陀螺(二自由度) 二自由度陀螺(单自由度)
陀螺的应用:指示仪表,传感器,把陀螺本身作为 一个元部件,与其他自动控制元部件组成各种陀螺装置。
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基本部件:陀螺转子,内、外框架(支承部 件),附件(电机、力矩器等)
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陀螺应用
1.指示仪表:指示飞机俯仰角和倾斜角的航空地 平仪,指示航向角的罗盘,指示转弯方向和速 度的转弯仪。
d Md /H
漂移 角速度
干扰 力矩
稳定性与进动性的关系 稳定性越好的陀螺,进动就越不明显; 进动越明显的陀螺,稳定性就越差。
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2.2 陀 螺 力 矩 陀螺力矩实验 陀螺力矩实验
▪ 物体同时绕两个互不平行的轴旋转时,会产生陀螺力矩 ▪ 陀螺力矩的矢量垂直于两个转轴所组成的平面
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