D坐标系及陀螺应用26297市公开课特等奖市赛课微课一等奖课件

坐标系：惯性坐标系坐标系引入：定量描述运动需要坐标系选取：依据研究对象及运动特点日心惯性坐标系IX0Y0Z0

地球惯性坐标系EX0Y0Z0

第1页坐标系：地球、地理、载体、陀螺地球坐标系Eξηζ地理坐标系AENZ’载体坐标系Bxbybzb姿态角（偏航、俯仰、横滚）陀螺坐标系oxyz（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

第2页自由陀螺仪：概述自由陀螺仪：沿着内外框架无任何外力矩二自由度陀螺仪

功效：模拟惯性空间方向基准应用：宇宙飞行

近、中程导弹

射击平面坐标系X0Y0Z0’

忽略地球自转引发惯性坐标系以及模拟惯性坐标系陀螺坐标系与射击平面坐标系之间相对转动（表观运动）

第3页自由陀螺仪：应用俯仰通道横滚、偏航第4页地平仪：需求背景飞机飞行时，需要获知飞机相对水平面偏角早期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）第5页地平仪：重力摆方案重力摆含有敏感地垂线（水平）基准特征重力机械摆重力液体摆缺点：重力摆轻易受运动干扰第6页地平仪：陀螺方案二自由度陀螺优点：能够稳定地指示惯性空间中固定方向，不受运动干扰缺点：不能敏感（跟踪）地垂线方向第7页地平仪：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

优势：能稳定指示固定方向不易受运动干扰劣势：不能敏感地垂线二者优势互补=>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误差角2产生修正力矩，使转子进动，消除误差角第8页地平仪：工程实现工程实现：二自由度陀螺仪+液体摆+检测电路+力矩电机第9页地平仪：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第10页地平仪：加速度影响及对策加速度影响：当载体存在加速度，液体摆气泡也将会偏离中心位置液体摆给出虚假陀螺转子轴偏角信号虚假偏角信号输送给力矩电机，使转子轴产生无须要（也不该有）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，控制反馈回路开闭第11页航向仪：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：载体纵轴在水平面投影和当地地理北向间夹角关键：北向基准建立北向基准建立路径：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：对方向含有记忆性缺点：不能自主寻北第12页航向仪：结构及工作状态结构组成

二自由度陀螺仪磁罗盘修正系统两种工作状态1、地磁校正工作状态（非强磁、低纬度地域且等速飞行）2、陀螺半罗盘工作状态状态切换飞行中依据飞行区域以及飞行情况，切换航向仪不一样工作状态方位修正与水平修正第13页陀螺罗经：基本原理陀螺罗经：自动找出地理北向，无需借助其它仪表校正应用：舰船、武器、勘采等基本工作原理利用地球自转和重力场综合效应，使二自由度陀螺自转轴自动地准确寻找真北方向基本工作原理分析地球自转时1、地理坐标系～地轴方向地理坐标系绕着地轴旋转从地理坐标系中观察，地轴方向为北极星指示固定方向第14页陀螺罗经：坐标转动分析2、陀螺转子轴～地轴～地理坐标系系陀螺自转轴和地轴相对固定从惯性坐标系观察，陀螺自转轴和地轴之间夹角和方向都不变从地理坐标系观察，陀螺自转轴和地轴之间夹角仍不变，但方向改变从地理坐标系观察结果是，陀螺转子轴在绕着地轴（北极星）做圆周运动3、上述圆周中心即地轴方向地轴在水平面投影即当地北向4、缺点：测量周期长，精度难确保5、处理方法：设法缩短周期第15页陀螺罗经：引入重力摆引入重力摆位于内框架轴正下方效果：轴子轴运动被加速轨迹由圆变为椭圆周期和尺寸都缩短第16页陀螺罗经：表观效应～重力效应引入重力摆后，陀螺转子轴运动能够看成是地球自转引发表观运动和重力摆引发进动合成。（红色表示进