机载电子设备课件-4第四章2new

第四章陀螺仪姿态和航向测量2010.10.252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其它类型的陀螺仪33.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43.1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63.1航空地平仪(2)由于二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。将二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。二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；73.1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93.1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。103.1航空地平仪(5)通常将二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123.1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。133.1航空地平仪(7)地平仪的基本组成：两自由度陀螺、地垂修正器、指示机构和控制机构。

地平仪的基本组成143.1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。153.1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。16地平仪的指示(Attitude/HorizonIndicator)

173.2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：利用单自由度陀螺的进动性。转弯仪的基本组成：单自由度陀螺、平衡弹簧、空气阻尼器和指示机构。18转弯仪的基本组成193.2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20转弯仪的原理自转角速度矢量转弯角速度矢量进动方向213.2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。223.2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。233.2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。24转弯仪的指示（含侧滑指示）TurnCoordinator254.陀螺仪在飞机航向测量中的应用

测量航向（飞机纵轴与经线的夹角）的仪表称为航空罗盘(Compass)，罗盘是飞机上重要的领航仪表。陀螺半罗盘陀螺磁罗盘264.1陀螺半罗盘(1)陀螺半罗盘，又称陀螺方位仪(DirectionalGyro)，是利用二自由度陀螺定轴性工作的仪表。它能测量出飞机沿纵轴转过的角度，经过校正，可以指示飞机的航向。由于这种仪表不能独立测量航向（陀螺自转轴不能自动跟踪经线），所以称为半罗盘。274.1陀螺半罗盘(2)陀螺半罗盘的基本组成二自由度陀螺、刻度盘、航向指标、水平修正器和方位修正器。陀螺外框轴与飞机立轴平行；刻度盘固定在外框上，航向指标固定在表壳上，代表飞机纵轴；水平修正器的修正力矩作用在外框轴，使自转轴保持水平；方位修正器的修正力矩作用于内框轴，使自转轴跟踪选定的方位基准线。28陀螺方位仪的基本原理航向基准线294.1陀螺半罗盘(3)飞机纵轴转角的测量原理飞机改变航向时，自转轴方位不变，刻度盘被陀螺稳定不动，而航向指标随飞机转动，表壳绕外框轴转过的角度即表示纵轴转角。飞机航向的测量原理由于陀螺自转轴不能自动跟踪经线，因此测量航向需要对自转轴进行校正，并使其稳定在经线方向上，则航向指标指示的角度即为航向角。30陀螺方位仪的指示HeadingIndicator314.2陀螺磁罗盘(1)磁罗盘是在指南针的基础上形成的，能够独立测量飞机航向，但稳定性差。将陀螺半罗盘稳定性好，但不能独立测量飞机航向。将磁罗盘与陀螺半罗盘结合，形成陀螺磁罗盘(GyroMagneticCompass)——即能独立测量航向，又具有良好的稳定性和较高灵敏度的航向仪表。它能测量飞机的磁航向。324.2陀螺磁罗盘(2)陀螺磁罗盘的基本组成：磁传感