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坐标系及陀螺应用
坐标系:惯性坐标系
坐标系的引入:定量描述运动的需要
坐标系的选取:根据研究对象及运动特点
日心惯性坐标系I X Y Z
0 0 0
地球惯性坐标系 E X Y Z
0 0 0
坐标系:地球、地理、载体、陀螺
地球坐标系Eξηζ
地理坐标系A E N Z’
载体坐标系Bxb yb zb
姿态角 (偏航、俯仰、横滚)
陀螺坐标系o x y z (内框架)
动参考坐标系oξηζ
(对应惯性或地理坐标系)
动参考坐标系vs 陀螺坐标系
自由陀螺仪:概述
自由陀螺仪:沿着内外框架无任
何外力矩的二自由度陀螺仪
功能:模拟惯性空间的方向基准
应用:宇宙飞行
近、中程导弹
射击平面坐标系X Y Z ’
0 0 0
忽略地球自转引起的惯性坐标系
以及模拟惯性坐标系的陀螺坐标系
与射击平面坐标系之间的相对转动
(表观运动)
自由陀螺仪:应用
俯仰通道
横滚、偏航
地平仪:需求背景
飞机飞行时,需要获知飞机相对水平面的偏角
早期的飞行员只能依靠目测或本体感觉,有很大局限。
需要借助某种仪器,在飞机上建立人工水平面(水平或地垂线基准)
地平仪:重力摆方案
重力摆具有敏感地垂线(水平)基准的特性
重力机械摆
重力液体摆
缺点:重力摆容易受运动干扰
地平仪:陀螺方案
二自由度陀螺
优点:可以稳定地指示惯性空间中的固定方向,不受运动干扰
缺点:不能敏感(跟踪)地垂线的方向
地平仪:互补方案
重力摆 优势:能敏感地垂线 劣势:易受运动干扰
不能稳定指示地垂线方向
陀螺仪 劣势:不能敏感地垂线 优势:能稳定指示固定方向
不易受运动干扰
二者优势互补 = 陀螺地平仪
修正装置及其任务:
1 随时测量出转子轴偏离地垂线的误差角
2 产生修正力矩,使转子进动,消除误差角
地平仪:工程实现
工程实现:二自由度陀螺仪 + 液体摆
+ 检测电路 + 力矩电机
地平仪:修正原理
力矩电机:定子中有两个匝数相同但绕向相反的控制绕组
转子轴偏离重力垂线 液体摆输出电流差 电机产生修正力矩
转子轴产生进动 进动使偏角减小
地平仪:加速度影响及对策
加速度的影响:
当载体存在加速度,液体摆的气泡也将会偏离中心位置
液体摆给出虚假的陀螺转子轴偏角信号
虚假的偏角信号输送给力矩电机,
使转子轴产生不必要 (也不该有)的进动
最终使转子轴反而偏离地垂线方向。
对策:
引入加速度敏感元件,控制反馈回路的开闭
航向仪:背景及方案
飞行器贴近地球表面运动时,
需要获知其航向
航向角:载体纵轴在水平面的
投影和当地地理北向间的夹角
关键:北向基准的建立
北向基准的建立途径:
1、指南针
地磁场与磁力线、磁偏角、航海
地图与磁偏角修正
局限:易受干扰,磁极附近失灵
2、陀螺仪
优点:对方向具有记忆性
缺点:不能自主寻
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