陀螺仪漂移及测试课件

第六章陀螺仪的测试与标定11/22/20221§6.1陀螺漂移的基本概念一自由陀螺的漂移由于各种原因，在陀螺上往往作用有人们所不希望的各种干扰力矩，在这些可能是很小的干扰力矩的作用下，陀螺将产生进动，从而使角动量向量慢慢偏离原来的方向，我们把这种现象称为陀螺的漂移。把在干扰力矩作用下陀螺产生的进动角速度称为陀螺的漂移角速度或角速率。

11/22/20222§6.1陀螺漂移的基本概念工程实际中的陀螺仪与陀螺仪模型有所差别，这种差别的表现就是干扰力矩的存在，干扰力矩破坏了陀螺仪的定轴性，使陀螺仪的角动量向量在惯性空间中发生了变化，包括其大小和方向。

一自由陀螺的漂移11/22/20223§6.1陀螺漂移的基本概念二单自由度浮子陀螺的漂移

当沿着陀螺输入轴的角速度等于什么数值时，才能使一个闭环系统中实际使用的陀螺仪的信号器输出为零。这个角速度的大小称为单自由度浮子陀螺的漂移角速度。

信号器力矩器IAOASA放大器11/22/20224§6.1陀螺漂移的基本概念

对伺服状态的双自由度陀螺，其内环轴和外环轴分别既是IA又是OA，都有信号器和力矩器，且交叉连接，构成两个闭环回路。可以用两个力矩器的电流分别表示沿两根轴的漂移角速度。假定陀螺在工作过程中力矩轴是正交的，总漂移角速度为：三双自由度浮子陀螺的漂移加矩电流加矩电流内环轴外环轴11/22/20225§6.2影响陀螺漂移的主要因素陀螺漂移产生的原因是作用在陀螺上的干扰力矩根据干扰力矩的性质及其变化规律，干扰力矩可以分为两类：

确定性干扰力矩有规律、可试验或计算确定，易于补偿。随机性干扰力矩

无规律性。引起陀螺的随机漂移，只能用统计方法来估计其概率统计特性。

11/22/20226对于确定性干扰力矩，根据其与加速度的分为：§6.2影响陀螺漂移的主要因素与加速度无关的干扰力矩，例如弹性力矩、电磁力矩等。

与加速度成比例的干扰力矩，例如由于陀螺质量偏心引起的干扰力矩。

与加速度平方成比例的干扰力矩，例如由非等弹性引起的干扰力矩。11/22/20227干扰力矩的分类及其所产生的陀螺漂移§6.2影响陀螺漂移的主要因素1.摩擦力矩及其引起的漂移2.不平衡力矩及其引起的漂移3.非等弹性力矩及其引起的漂移11/22/20228§6.3陀螺测试的伺服跟踪法前置放大器力矩器陀螺转子信号器解调校正记录功放转台驱动电机角度输出时基一伺服跟踪法的基本原理11/22/20229一伺服跟踪法的基本原理§6.3陀螺测试的伺服跟踪法11/22/202210§6.3陀螺测试的伺服跟踪法一伺服跟踪法的基本原理单自由度陀螺的单轴转台测漂11/22/202211双自由度陀螺的单轴转台测漂一伺服跟踪法的基本原理§6.3陀螺测试的伺服跟踪法11/22/202212§6.3陀螺测试的伺服跟踪法二伺服跟踪法的测速方法

精确定位定向，即陀螺输入轴与转台轴平行，并且要使转台在地理坐标系中精确定向。

精确地测出转台的转速。

11/22/202213首先在一段时间间隔内，观测转台相对地球的转角，然后根据地球自转角速度沿转台方向的分量通过计算求得在这段时间内地球相对惯性空间的转角

得到在同一时间间隔内转台相对惯性空间的转角

用时间间隔相除，即得到陀螺的漂移角速度二伺服跟踪法的测速方法§6.3陀螺测试的伺服跟踪法11/22/202214三伺服跟踪法的转台轴的取向§6.3陀螺测试的伺服跟踪法1.输入轴在水平面内沿东西方向2.输入轴与地球自转轴平行3.输入轴沿当地垂线方向11/22/202215§6.4陀螺测试的力矩反馈法

一力矩反馈法法的原理记录装置放大器加矩电流力矩器信号器IAOASA11/22/202216§6.4陀螺测试的力矩反馈法

一力矩反馈法法的原理

力矩反馈法采用的是力矩平衡的静力学方法。必须测量系统稳定后各参数的数值，对系统稳定性的判定有较高要求。电流记录装置必须具有足够分辨力和精度。对力矩器刻度因子的稳定性和线性度要求很高。力矩反馈法得到的是陀螺的瞬时漂移。11/22/202217双自由度陀螺的力矩反馈法测漂§6.4陀螺测试的力矩反馈法

一力矩反馈法法的原理11/22/202218§6.4陀螺测试的力矩反馈法

二力矩反馈法法中陀螺相对地理坐标系的取向

陀螺相对地理坐标系的位置需借助转台

1．陀螺输入轴沿当地前垂线方向zxylzolymg11/22/202219§6.4陀螺测试的力矩反馈法

二力矩反馈法法中陀螺相对地理坐标系的取向

陀螺相对地理坐标系的位置需借助转台

2．陀螺输出轴沿当地铅垂线方向zxylzoNKly11/22/202220§6.4陀螺测试的力矩反馈法

二力矩反馈法法中陀螺相对地理坐标系的取向

陀螺相对地理坐标系的位置需借助转台

3．陀螺自转轴沿当地铅垂线方向

zxylyoNK11/22/202221§6.5陀螺漂移的数学模型

陀螺漂移的数学模型是指描述陀螺漂移变化规律的数学表达式。在建立数学模型的基础上，漂移测试和数据处理的目的就转化为确定模型中参数的大小及其稳定性，分析这些参数与物理因素间的关系，从而找到改进陀螺性能的方向和途径，并为陀螺的使用提供依据。11/22/202222漂移角速度包括三个基本分量，即与加速度无关的分量、正比于加速度的分量和正比于加速度平方的分量:§6.5陀螺漂移的数学模型

一般说：漂移角速度包括与比力无关的分量，正比于比力的分量和正比于比力平方的分量。11/22/202223§6.5陀螺漂移的数学模型

陀螺漂移的纯数学模型:

11/22/202224陀螺漂移的物理模型

§6.5陀螺漂移的数学模型

11/22/202225普遍采用的陀螺误差模型§6.5陀螺漂移的数学模型

11/22/202226模型只能近似地反映陀螺漂移的特性。随着制造工艺和试验手段的不断改进，精度的不断提高，误差模型将不断地发展和完善。不能认为现在采用的任意一种模型是完全精确的。使用模型时，要根据实际需要（主要是对精度的要求）和测试条件的可能性，保留起主要作用的项，忽略某些次要项，简化测试过程，提高测试效率。§6.5陀螺漂移的数学模型

11/22/202227§6.6陀螺漂移系数的确定

11/22/202228从陀螺漂移模型出发，利用力矩反馈法来确定陀螺漂移系数的方法——固定位置法。§6.6陀螺漂移系数的确定

固定位置法是将安装陀螺的转台固定在某一位置，待系统稳定后，读取力矩器的电流值。

位置1：输出轴x铅直向上，输入轴y向北，自转轴z向西yxz11/22/202229§6.6陀螺漂移系数的确定

固定位置法是将安装陀螺的转台固定在某一位置，待系统稳定后，读取力矩器的电流值。位置2：输出轴x铅直向上，输入轴y向南，自转轴z向东yxz从陀螺漂移模型出发，利用力矩反馈法来确定陀螺漂移系数的方法——固定位置法。11/22/202230从陀螺漂移模型出发，利用力矩反馈法来确定陀螺漂移系数的方法——固定位置法。§6.6陀螺漂移系数的确定

固定位置法是将安装陀螺的转台固定在某一位置，待系统稳定后，读取力矩器的电流值。yxz位置3：

输出轴x向西，输入轴y铅直向上，自转轴z向北11/22/202231从陀螺漂移模型出发，利用力矩反馈法来确定陀螺漂移系数的方法——固定位置法。§6.6陀螺漂移系数的确定

固定位置法是将安装陀螺的转台固定在某一位置，待系统稳定后，读取力矩器的电流值。位置4：输出轴x向西，输入轴y铅直向下，自转轴z向南yxz11/22/202232从陀螺漂移模型出发，利用力矩反馈法来确定陀螺漂移系数的方法——固定位置法。§6.6陀螺漂移系数的确定

固定位置法是将安装陀螺的转台固定在某一位置，待系统稳定后，读取力矩器的电流值。位置5：

输出轴x向西，输入轴y向北，自转轴z铅直向下yxz11/22/202233从陀螺漂移模型出发，利用力矩反馈法来确定陀螺漂移系数的方法——固定位置法。§6.6陀螺漂移系数的确定

固定位置法是将安装陀螺的转台固定在某一位置，待系统稳定后，读取力矩器的电流值。位置6：输出轴x向西，输入轴y向南，自转轴z铅直向上yxz11/22/202234从陀螺漂移模型出发，利用力矩反馈法来确定陀螺漂移系数的方法——固定位置法。§6.6陀螺漂移系数的确定

固定位置法是将安装陀螺的转台固定在某一位置，待系统稳定后，读取力矩器的电流值。位置7：输出轴x铅直向下，输入轴y向北，自转轴z向东yxz11/22/202235从陀螺漂移模型出发，利用力矩反馈法来确定陀螺漂移系数的方法——固定位置法。§6.6陀螺漂移系数的确定

固定位置法是将安装陀螺的转台固定在某一位置，待系统稳定后，读取力矩器的电流值。位置8：输出轴x铅直向下，输入轴y向南，自转轴z向西yxz11/22/202236简单分析时，由于通常很小，因此可得到：输出轴向上时（第1、2两位置）：输出轴向下时（第7、8两位置）：§6.6陀螺漂移系数的确定

11/22/202237当陀螺的输出轴存在端隙及力矩器设计不当时：实际使用时必须注意！通常取：§6.6陀螺漂移系数的确定

11/22/202238§6.6陀螺漂移系数的确定

由输入轴向上和向下两个位置可以得到输入轴向上时（第3位置）：输入轴向下时（第4位置）：11/22/202239由自转轴向上和向下两个位置可以得到自转轴向下时（第5位置）：自转轴向上时（第6位置）：§6.6陀螺漂移系数的确定

11/22/202240如果实际上需要考虑那些较小的系数，则对八位置的数据进一步分析，得到：由1、2、7、8位置得到：§6.6陀螺漂移系数的确定

11/22/202241由3、4位置得到：§6.6陀螺漂移系数的确定

如果实际上需要考虑那些较小的系数，则对八位置的数据进一步分析，得到：11/22/202242§6.6陀螺漂移系数的确定

如果实际上需要考虑那些较小的系数，则对八位置的数据进一步分析，得到：由5、6位置得到：11/22/202243§6.7陀螺测试与标定的说明一测试与标定的目的考核环境适用性和生产制造质量

评估设计指标，用于设计改进

验证性能、摸索运动规律

评估寿命、存储等基本性能

其它特殊需求11/22/202244二测试与标定的过程

粗查/粗检：检查元件是否满足设计/制造预期。静态测试/标定：采用多位置实验，测试主要性能参数。

动态测试：验证元件角运动或线加速度运动下的性能。

产品开发过程中的其它测试§6.7陀螺测试与标定的说明11/22/202245§6.7陀螺测试与标定的说明三测试与标定设备要求

专业性强、精度要求高、造价高、环境要求比较严格。需要定期检验、检验设备要求高

数据记录与处理设备要求较高，通常采用计算机实现数据的记录与实验设备的控制。11/22/202246§6.7陀螺测试与标定的说明四主要设备用于陀螺稳定性测试的多位置稳定平台，定位精度高，具有方位控制与测量的专用仪表。Graseby转台11/22/202247§6.7陀螺测试与标定的说明

高精度速率转台，用于陀螺测量角速度传递函数的测试。四主要设备11/22/202248§6.7陀螺测试与标定的说明四主要设备

单轴速率转台的结构11/22/202249§6.7陀螺测试与标定的说明四主要设备

高精度温控箱，用于陀螺温