机载电子设备-第四章_陀螺仪_姿态和航向测量2

第四章陀螺仪姿态和航向测量 2012 11 2 主要内容 概论二自由度陀螺仪单自由度陀螺仪陀螺仪在飞机姿态测量中的应用陀螺仪在飞机航向测量中的应用 3 3 陀螺仪在飞机姿态测量中的应用 飞机姿态测量主要指飞机姿态角和姿态角速度的测量 航空地平仪转弯 侧滑 仪姿态系统 4 3 1航空地平仪 1 飞机的俯仰角和倾斜角 反映了飞机与地平面的相对角位置关系 而地平面与地垂线是相互垂直的 地垂线 物体重心与地心的连线 也就是物体受地心引力作用的方向线 它始终垂直于地平面 在飞机上确定了地垂线 即可测出飞机相对于地平面的俯仰角和倾斜角 5 根据地垂线测量飞机的俯仰角和倾斜角 6 3 1航空地平仪 2 由于三自由度陀螺自转轴具有很高的方向稳定性 不受飞机机体 支架 运动的影响 将三自由度陀螺的自转轴调整到地垂线方向 当飞机机动飞行时 自转轴能不受干扰 精确地指示地垂线 三自由度陀螺的自转轴相对惯性空间保持稳定 将其自转轴做地垂线基准存在两个问题 由于地球自转 地垂线相对惯性空间的方向不断改变 7 3 1航空地平仪 3 由于飞机相对地球运动 地球上不同地点的地垂线相对惯性空间的方向不同 表观运动 ApparentMotion 由于陀螺自转轴相对惯性空间保持不变 而地球以其自转角速度绕极轴相对惯性空间转动 若以地球作为参考基准 观察者将观察到陀螺自转轴相对地球转动 这种相对运动称为陀螺仪表观运动 8 陀螺自转轴偏离地垂线 9 3 1航空地平仪 4 重力摆 对重力方向敏感 其摆线指示即为地垂线方向 地平仪的基本原理 利用陀螺定轴性建立稳定的人工地垂线 利用重力摆的地垂线修正陀螺自转轴指向 从而根据飞机轴线和地垂线的关系测量飞机的俯仰角和倾斜角 10 3 1航空地平仪 5 通常将三自由度陀螺的外框轴平行于飞机纵轴安装 地平仪的测量原理飞机俯仰时 支架 即表壳 和外框随机体一起转动 而内框轴保持稳定 外框绕内框轴转过的角度等于飞机绕纵轴转动的角度 即飞机的俯仰角 因而内框轴成为俯仰角的测量轴 11 陀螺地平仪的测量原理 外框 表壳 外框轴 内框轴 12 3 1航空地平仪 6 飞机倾斜时 表壳跟随机体一起转动 而外框绕外框轴保持稳定 表壳绕外框轴转过的角度等于飞机绕横轴转动的角度 即飞机的倾斜角 因而外框轴成为倾斜角的测量轴 13 3 1航空地平仪 7 地平仪的基本组成 三自由度陀螺 地垂修正器 指示机构和控制机构 地平仪的基本组成 单摆可以测出地垂线 但不稳定 而三自由度陀螺具有较好的稳定性 它的自转轴不受基座运动的影响 但不能自动寻找地垂线 如何将两者有机结合成为主要问题 地平仪的基本原理就是 利用摆来测量地垂线 用三自由度陀螺来稳定摆所测出的地垂线 姿态角的测量 地平仪采用了摆和陀螺联合工作的方法 即用摆的位置控制陀螺的自转轴位置 用陀螺自转轴模拟出地垂线 姿态角的测量 当陀螺的自转轴偏离地垂线位置时 产生一个与摆的偏差 将使修正器产生一信号带动执行机构使陀螺自转轴进动 直至陀螺垂线与摆垂线重合 当陀螺自转轴稳定在地垂线位置时 修正机构不会产生力矩 陀螺不会受外力矩作用 自转轴稳定不动 17 3 1航空地平仪 8 地垂修正器修正器的敏感元件是液体摆 装在陀螺内框上 液体摆由前后摆和左右摆两个自由度 无论飞机俯仰或倾斜 摆都能测出地垂线方向 当陀螺自转轴偏离地垂线位置 液体摆垂线与陀螺垂线就不重合 这个偏差通过转换器产生一个电信号给执行元件 转变成力矩作用于陀螺 使陀螺自转轴进动 直到陀螺垂线与摆垂线重合 18 3 1航空地平仪 9 当陀螺自转轴稳定在地垂线位置 液体摆感受的地垂信号使转换器不产生力矩 陀螺不受外力矩作用 自转轴稳定不动 陀螺与摆修正作用密切配合 保证陀螺自转轴稳定在当地的地垂线方向 地垂修正器工作原理 通过水平修正仪控制纵向 横向修正机构中控制电路的电流分配比例 产生修正力矩 有直读式 远读式地平仪之分 摆和陀螺通过机械传动机构直接带动刻度盘或小飞机标志的地平仪称直读式地平仪 远读式通过装在陀螺仪上的传感元件输出飞机姿态信号 由远距传输系统送到地平指示器进行显示 歼击机如果用直读式地平仪 在飞机爬升时 飞机标志移到地平线下方 俯冲时则相反 不符合直观感觉 远读式地平仪则能克服这一缺点 地垂修正器工作原理 23 地平仪的指示 Attitude HorizonIndicator 24 3 2转弯仪 1 用于指示飞机转弯 或盘旋 的方向 并粗略放映飞机转弯的快慢程度 转弯仪的基本原理 利用二自由度陀螺的进动性 转弯仪的基本组成 二自由度陀螺 平衡弹簧 空气阻尼器和指示机构 25 转弯仪的基本组成 26 3 2转弯仪 2 测量原理飞机直线飞行时 内框在平衡弹簧作用下 稳定在初始位置 指针指在刻度盘中央 表示飞机没有转弯 飞机以一定角速度向左转弯时 转弯角速度矢量向上 由于自转角速度矢量指向左机翼 所以内框顺时针进动 直到引起进动力矩 陀螺力矩 与平衡弹簧的反作用力矩相等 内框的转角通过传动机构传给指针 指针偏向左 表示飞机正在左转弯 27 转弯仪的原理 自转角速度矢量 转弯角速度矢量 进动方向 28 3 2转弯仪 3 转弯停止后 陀螺力矩消失 内框在平衡弹簧作用下回到初始位置 飞机右转弯时 内框逆时针进动 带动指针偏向右 表示飞机正在右转弯 反映飞机转弯的快慢程度飞机转弯角速度越大 引起陀螺的进动力矩越大 因此内框转角和指针的偏转角越大 图3 2 2自转轴横向安装转弯仪内框转角 30 3 2转弯仪 4 实际上 转弯仪的内框转角不仅与飞机的转弯角速度有关 而且和飞机倾斜角有关 因此 转弯仪只能粗略反映飞机转弯的快慢程度 其中 为内框转角 J为转子对自转轴的转动惯量 自转角速度 为飞机转弯角速度 为飞机倾斜角 图3 2 3自转轴纵向安装转弯仪内框转角 32 自转轴纵向安装 其中 为内框转角 J为转子对自转轴的转动惯量 自转角速度 为飞机转弯角速度 为飞机倾斜角 33 3 2转弯仪 5 当陀螺旋转且陀螺支架运动时 由于陀螺角动量的有效作用使陀螺运动或产生进动 通过平衡和测量这个进动力 则可以测出陀螺支架的运动角速率 飞机绕横轴或纵轴转动时 转弯仪不指示 转弯仪的内框转角公式根据转弯仪安装情况不同有所差别 通常转弯仪陀螺自转轴是