第6章陀螺儀漂移及測試課件

§6.1陀螺漂移的基本概念一自由陀螺的漂移由于各種原因，在陀螺上往往作用有人們所不希望的各種干擾力矩，在這些可能是很小的干擾力矩的作用下，陀螺將產(chǎn)生進(jìn)動(dòng)，從而使角動(dòng)量向量慢慢偏離原來的方向，我們把這種現(xiàn)象稱為陀螺的漂移。把在干擾力矩作用下陀螺產(chǎn)生的進(jìn)動(dòng)角速度稱為陀螺的漂移角速度或角速率。

9/2/20231§6.1陀螺漂移的基本概念一自由陀螺的漂移由于§6.1陀螺漂移的基本概念

自由陀螺存在漂移實(shí)際上是說明工程實(shí)際中的陀螺儀與陀螺儀模型之間的差別，這種差別的表現(xiàn)就是干擾力矩的存在，干擾力矩破壞了陀螺儀的定軸性，使陀螺儀的角動(dòng)量向量在慣性空間中發(fā)生了變化，包括其大小和方向。

一自由陀螺的漂移9/2/20232§6.1陀螺漂移的基本概念自由陀螺存在漂移實(shí)際上是§6.1陀螺漂移的基本概念二單自由度浮子陀螺的漂移

當(dāng)沿著陀螺輸入軸的角速度等于什么數(shù)值時(shí)，才能使一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)中實(shí)際使用的陀螺儀的信號(hào)傳感器輸出信號(hào)為零。這個(gè)角速度的大小稱為單自由度浮子陀螺的漂移角速度。

信號(hào)器力矩器IAOASA放大器9/2/20233§6.1陀螺漂移的基本概念二單自由度浮子陀螺的漂移§6.1陀螺漂移的基本概念

對(duì)伺服狀態(tài)的雙自由度陀螺而言，其內(nèi)環(huán)軸和外環(huán)軸分別既是IA又是OA，都有信號(hào)器和力矩器，且交叉連接，構(gòu)成兩個(gè)閉環(huán)回路。這樣，就可以用兩個(gè)力矩器的電流分別表示沿兩根軸的漂移角速度。假定陀螺在工作過程中力矩軸是正交的，總漂移角速度為：三雙自由度浮子陀螺的漂移加矩電流加矩電流內(nèi)環(huán)軸外環(huán)軸9/2/20234§6.1陀螺漂移的基本概念對(duì)伺服狀態(tài)的雙自由§6.2影響陀螺漂移的主要因素陀螺漂移產(chǎn)生的原因是作用在陀螺上的干擾力矩根據(jù)干擾力矩的性質(zhì)及其變化規(guī)律，干擾力矩可以分為兩類：

確定性干擾力矩有規(guī)律、可試驗(yàn)或計(jì)算確定，易于補(bǔ)償。隨機(jī)性干擾力矩

無規(guī)律性。引起陀螺的隨機(jī)漂移，只能用統(tǒng)計(jì)方法來估計(jì)其概率統(tǒng)計(jì)特性。

9/2/20235§6.2影響陀螺漂移的主要因素陀螺漂移產(chǎn)生的對(duì)于確定性干擾力矩，根據(jù)其與加速度的分為：§6.2影響陀螺漂移的主要因素與加速度無關(guān)的干擾力矩，例如彈性力矩、電磁力矩等。

與加速度成比例的干擾力矩，例如由于陀螺質(zhì)量偏心引起的干擾力矩。

與加速度平方成比例的干擾力矩，例如由非等彈性引起的干擾力矩。9/2/20236對(duì)于確定性干擾力矩，根據(jù)其與加速度的分為：§6.2影響陀干擾力矩的分類及其所產(chǎn)生的陀螺漂移§6.2影響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.非等彈性力矩及其引起的漂移9/2/20237干擾力矩的分類及其所產(chǎn)生的陀螺漂移§6.2影響陀螺漂移的主§6.3陀螺測試的伺服跟蹤法前置放大器力矩器陀螺轉(zhuǎn)子信號(hào)器解調(diào)校正記錄功放轉(zhuǎn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)角度輸出時(shí)基一伺服跟蹤法的基本原理9/2/20238§6.3陀螺測試的伺服跟蹤法前置放大器力信號(hào)解調(diào)校正記錄功一伺服跟蹤法的基本原理§6.3陀螺測試的伺服跟蹤法9/2/20239一伺服跟蹤法的基本原理§6.3陀螺測試的伺服跟蹤法8/§6.3陀螺測試的伺服跟蹤法一伺服跟蹤法的基本原理單自由度陀螺的單軸轉(zhuǎn)臺(tái)測漂9/2/202310§6.3陀螺測試的伺服跟蹤法一伺服跟蹤法的基本原理單自雙自由度陀螺的單軸轉(zhuǎn)臺(tái)測漂一伺服跟蹤法的基本原理§6.3陀螺測試的伺服跟蹤法9/2/202311雙自由度陀螺的單軸轉(zhuǎn)臺(tái)測漂一伺服跟蹤法的基本原理§6.3§6.3陀螺測試的伺服跟蹤法二伺服跟蹤法的測速方法

精確定位定向，即陀螺輸入軸與轉(zhuǎn)臺(tái)軸平行，并且要使轉(zhuǎn)臺(tái)在地理坐標(biāo)系中精確定向。

精確地測出轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)速。

9/2/202312§6.3陀螺測試的伺服跟蹤法二伺服跟蹤法的測速方法首先在一段時(shí)間間隔內(nèi)，觀測轉(zhuǎn)臺(tái)相對(duì)地球的轉(zhuǎn)角，然后根據(jù)地球自轉(zhuǎn)角速度沿轉(zhuǎn)臺(tái)方向的分量通過計(jì)算求得在這段時(shí)間內(nèi)地球相對(duì)慣性空間的轉(zhuǎn)角

得到在同一時(shí)間間隔內(nèi)轉(zhuǎn)臺(tái)相對(duì)慣性空間的轉(zhuǎn)角

用時(shí)間間隔相除，即得到陀螺的漂移角速度二伺服跟蹤法的測速方法§6.3陀螺測試的伺服跟蹤法9/2/202313首先在一段時(shí)間間隔內(nèi)，觀測轉(zhuǎn)臺(tái)相對(duì)地球的轉(zhuǎn)角，然后根據(jù)地球自三伺服跟蹤法的轉(zhuǎn)臺(tái)軸的取向§6.3陀螺測試的伺服跟蹤法1.輸入軸在水平面內(nèi)沿東西方向2.輸入軸與地球自轉(zhuǎn)軸平行3.輸入軸沿當(dāng)?shù)卮咕€方向9/2/202314三伺服跟蹤法的轉(zhuǎn)臺(tái)軸的取向§6.3陀螺測試的伺服跟蹤法§6.4陀螺測試的力矩反饋法

一力矩反饋法法的原理9/2/202315§6.4陀螺測試的力矩反饋法一力矩反饋法法的原理8/§6.4陀螺測試的力矩反饋法

一力矩反饋法法的原理力矩反饋法采用的是力矩平衡的靜力學(xué)方法，因此必須測量系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)各個(gè)參數(shù)的數(shù)值，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性如何判定有較高的要求。力矩反饋法測定漂移速度只須備有足夠分辨力和精度電流記錄裝置就能測出陀螺的瞬時(shí)漂移。當(dāng)然對(duì)力矩器刻度因子的穩(wěn)定性和線性度有很高的要求。

9/2/202316§6.4陀螺測試的力矩反饋法一力矩反饋法法的原理單自由度陀螺的力矩反饋法測漂一力矩反饋法法的原理§6.4陀螺測試的力矩反饋法

記錄裝置放大器加矩電流力矩器信號(hào)器IAOASA9/2/202317單自由度陀螺的力矩反饋法測漂一力矩反饋法法的原理§6.4雙自由度陀螺的力矩反饋法測漂§6.4陀螺測試的力矩反饋法

一力矩反饋法法的原理9/2/202318雙自由度陀螺的力矩反饋法測漂§6.4陀螺測試的力矩反饋法§6.4陀螺測試的力矩反饋法

二力矩反饋法法中陀螺相對(duì)地理坐標(biāo)系的取向

陀螺相對(duì)地理坐標(biāo)系的位置需借助轉(zhuǎn)臺(tái)

1．陀螺輸入軸沿當(dāng)?shù)厍按咕€方向zxylzoly9/2/202319§6.4陀螺測試的力矩反饋法二力矩反饋法法中陀螺相對(duì)§6.4陀螺測試的力矩反饋法

二力矩反饋法法中陀螺相對(duì)地理坐標(biāo)系的取向

陀螺相對(duì)地理坐標(biāo)系的位置需借助轉(zhuǎn)臺(tái)

2．陀螺輸出軸沿當(dāng)?shù)劂U垂線方向zxylzoNKly9/2/202320§6.4陀螺測試的力矩反饋法二力矩反饋法法中陀螺相對(duì)§6.4陀螺測試的力矩反饋法

二力矩反饋法法中陀螺相對(duì)地理坐標(biāo)系的取向

陀螺相對(duì)地理坐標(biāo)系的位置需借助轉(zhuǎn)臺(tái)

3．陀螺自轉(zhuǎn)軸沿當(dāng)?shù)劂U垂線方向

zxylyoNK9/2/202321§6.4陀螺測試的力矩反饋法二力矩反饋法法中陀螺相對(duì)§6.5陀螺漂移的數(shù)學(xué)模型

所謂陀螺漂移的數(shù)學(xué)模型，就是指描述陀螺漂移變化規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式。在建立正確的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，陀螺漂移測試和數(shù)據(jù)處理的目的就在于確定數(shù)學(xué)模型中的各個(gè)參數(shù)的大小及其穩(wěn)定性，分析這些參數(shù)與物理因素之間的關(guān)系，從而找到改進(jìn)陀螺性能的方向和途徑，并為陀螺的使用提供誤差補(bǔ)償數(shù)據(jù)。9/2/202322§6.5陀螺漂移的數(shù)學(xué)模型所謂陀漂移角速度包括三個(gè)基本分量，即與加速度無關(guān)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陀螺漂移的數(shù)學(xué)模型

一般說：漂移角速度包括與比力無關(guān)的分量，正比于比力的分量和正比于比力平方的分量。9/2/202323漂移角速度包括三個(gè)基本分量，即與加速度無關(guān)的分量、正§6.5陀螺漂移的數(shù)學(xué)模型

陀螺漂移的純數(shù)學(xué)模型:

9/2/202324§6.5陀螺漂移的數(shù)學(xué)模型陀螺漂移的純數(shù)學(xué)模型:8陀螺漂移的物理模型

§6.5陀螺漂移的數(shù)學(xué)模型

9/2/202325陀螺漂移的物理模型§6.5陀螺漂移的數(shù)學(xué)模型8/普遍采用的陀螺誤差模型§6.5陀螺漂移的數(shù)學(xué)模型

9/2/202326普遍采用的陀螺誤差模型§6.5陀螺漂移的數(shù)學(xué)模型8/無論采用哪一種模型，都只能是近似地反映陀螺漂移的特性。隨著陀螺制造工藝和試驗(yàn)手段的不斷改進(jìn)，陀螺精度的不斷提高，其誤差模型也在不斷地發(fā)展和完善，因此，不能認(rèn)為現(xiàn)在采用的任意一種模型是完全精確的。另外，在使用模型時(shí)，還要根據(jù)實(shí)際需要（主要是對(duì)陀螺的精度要求）和測試條件的可能性，而保留一些起主要作用的項(xiàng)，忽略某些次要項(xiàng)，從而簡化測試過程，提高測試效率。例如，現(xiàn)在多數(shù)制造和使用者往往只取前四項(xiàng)，即與加速度無關(guān)項(xiàng)和與加速度成比例的項(xiàng)，來估計(jì)陀螺的主要漂移系數(shù)?！?.5陀螺漂移的數(shù)學(xué)模型

9/2/202327無論采用哪一種模型，都只能是近似地反映陀螺漂移的特性從陀螺漂移模型出發(fā)，介紹用力矩反饋法來確定陀螺漂移系數(shù)的方法——固定位置法。§6.5陀螺漂移系數(shù)的確定

所謂固定位置法是將安裝陀螺的轉(zhuǎn)臺(tái)固定在某一位置，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，讀取力矩器的電流值。

位置1：輸出軸x鉛直向上，輸入軸y向北，自轉(zhuǎn)軸z向西yxz9/2/202328從陀螺漂移模型出發(fā)，介紹用力矩反饋法來確定陀螺漂移系數(shù)的方法從陀螺漂移模型出發(fā)，介紹用力矩反饋法來確定陀螺漂移系數(shù)的方法——固定位置法?！?.5陀螺漂移系數(shù)的確定

所謂固定位置法是將安裝陀螺的轉(zhuǎn)臺(tái)固定在某一位置，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，讀取力矩器的電流值。

位置2：輸出軸x鉛直向上，輸入軸y向南，自轉(zhuǎn)軸z向東yxz9/2/202329從陀螺漂移模型出發(fā)，介紹用力矩反饋法來確定陀螺漂移系數(shù)的方法從陀螺漂移模型出發(fā)，介紹用力矩反饋法來確定陀螺漂移系數(shù)的方法——固定位置法?！?.5陀螺漂移系數(shù)的確定

所謂固定位置法是將安裝陀螺的轉(zhuǎn)臺(tái)固定在某一位置，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，讀取力矩器的電流值。

yxz位置3：

輸出軸x向西，輸入軸y鉛直向上，自轉(zhuǎn)軸z向北9/2/202330從陀螺漂移模型出發(fā)，介紹用力矩反饋法來確定陀螺漂移系數(shù)的方法從陀螺漂移模型出發(fā)，介紹用力矩反饋法來確定陀螺漂移系數(shù)的方法——固定位置法。§6.5陀螺漂移系數(shù)的確定

所謂固定位置法是將安裝陀螺的轉(zhuǎn)臺(tái)固定在某一位置，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，讀取力矩器的電流值。

位置4：輸出軸x向西，輸入軸y鉛直向下，自轉(zhuǎn)軸z向南yxz9/2/202331從陀螺漂移模型出發(fā)，介紹用力矩反饋法來確定陀螺漂移系數(shù)的方法從陀螺漂移模型出發(fā)，介紹用力矩反饋法來確定陀螺漂移系數(shù)的方法——固定位置法?！?.5陀螺漂移系數(shù)的確定

所謂固定位置法是將安裝陀螺的轉(zhuǎn)臺(tái)固定在某一位置，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，讀取力矩器的電流值。

位置5：

輸出軸x向西，輸入軸y向北，自轉(zhuǎn)軸z鉛直向下yxz9/2/202332從陀螺漂移模型出發(fā)，介紹用力矩反饋法來確定陀螺漂移系數(shù)的方法從陀螺漂移模型出發(fā)，介紹用力矩反饋法來確定陀螺漂移系數(shù)的方法——固定位置法?！?.5陀螺漂移系數(shù)的確定

所謂固定位置法是將安裝陀螺的轉(zhuǎn)臺(tái)固定在某一位置，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，讀取力矩器的電流值。

位置6：輸出軸x向西，輸入軸y向南，自轉(zhuǎn)軸z鉛直向上yxz9/2/202333從陀螺漂移模型出發(fā)，介紹用力矩反饋法來確定陀螺漂移系數(shù)的方法從陀螺漂移模型出發(fā)，介紹用力矩反饋法來確定陀螺漂移系數(shù)的方法——固定位置法?！?.5陀螺漂移系數(shù)的確定

所謂固定位置法是將安裝陀螺的轉(zhuǎn)臺(tái)固定在某一位置，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，讀取力矩器的電流值。

位置7：輸出軸x鉛直向下，輸入軸y向北，自轉(zhuǎn)軸z向東yxz9/2/202334從陀螺漂移模型出發(fā)，介紹用力矩反饋法來確定陀螺漂移系數(shù)的方法從陀螺漂移模型出發(fā)，介紹用力矩反饋法來確定陀螺漂移系數(shù)的方法——固定位置法。§6.5陀螺漂移系數(shù)的確定

所謂固定位置法是將安裝陀螺的轉(zhuǎn)臺(tái)固定在某一位置，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，讀取力矩器的電流值。

位置8：輸出軸x鉛直向下，輸入軸y向南，自轉(zhuǎn)軸z向西yxz9/2/202335從陀螺漂移模型出發(fā)，介紹用力矩反饋法來確定陀螺漂移系數(shù)的方法簡單分析時(shí)，由于通常很小，因此可得到：輸出軸向上時(shí)（第1、2兩位置）：輸出軸向下時(shí)（第7、8兩位置）：§6.5陀螺漂移系數(shù)的確定

9/2/202336簡單分析時(shí)，由于通常很小，因此可得到：輸出當(dāng)陀螺的輸出軸存在端隙及力矩器設(shè)計(jì)不當(dāng)時(shí)：實(shí)際使用時(shí)必須注意！通常?。骸?.5陀螺漂移系數(shù)的確定

9/2/202337當(dāng)陀螺的輸出軸存在端隙及力矩器設(shè)計(jì)不當(dāng)時(shí)：實(shí)際使用時(shí)必須注意§6.5陀螺漂移系數(shù)的確定

由輸入軸向上和向下兩個(gè)位置可以得到輸入軸向上時(shí)（第3位置）：輸入軸向下時(shí)（第4位置）：9/2/202338§6.5陀螺漂移系數(shù)的確定由輸入軸向上和向下兩個(gè)位置可以由自轉(zhuǎn)軸向上和向下兩個(gè)位置可以得到自轉(zhuǎn)軸向下時(shí)（第5位置）：自轉(zhuǎn)軸向上時(shí)（第6位置）：§6.5陀螺漂移系數(shù)的確定

9/2/202339由自轉(zhuǎn)軸向上和向下兩個(gè)位置可以得到自轉(zhuǎn)軸向下時(shí)（第5位置）：如果實(shí)際上需要考慮那些較小的系數(shù)，則對(duì)八位置的數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析，得到：由1、2、7、8位置得到：§6.5陀螺漂移系數(shù)的確定

9/2/202340如果實(shí)際上需要考慮那些較小的系數(shù)，則對(duì)八位置的數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析由3、4位置得到：§6.5陀螺漂移系數(shù)的確定

如果實(shí)際上需要考慮那些較小的系數(shù)，則對(duì)八位置的數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析，得到：9/2/202341由3、4位置得到：§6.5陀螺漂移系數(shù)的確定如果實(shí)際上§6.5陀螺漂移系數(shù)的確定

如果實(shí)際上需要考慮那些較小的系數(shù)，則對(duì)八位置的數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析，得到：由5、6位置得到：9/2/202342§6.5陀螺漂移系數(shù)的確定如果實(shí)際上需要考慮那些較小的系§6.6陀螺測試與標(biāo)定的說明一測試與標(biāo)定的目的考核環(huán)境適用性和生產(chǎn)制造質(zhì)量

評(píng)估設(shè)計(jì)指標(biāo)，用于設(shè)計(jì)改進(jìn)

驗(yàn)證性能、摸索運(yùn)動(dòng)規(guī)律

評(píng)估壽命、存儲(chǔ)等基本性能

其它特殊需求9/2/202343§6.6陀螺測試與標(biāo)定的說明一測試與標(biāo)定的目的考核環(huán)二測試與標(biāo)定的過程

粗查/粗檢：檢查元件是否滿足設(shè)計(jì)/制造預(yù)期。靜態(tài)測試/標(biāo)定：采用多位置實(shí)驗(yàn)，測試主要性能參數(shù)。

動(dòng)態(tài)測試：驗(yàn)證元件角運(yùn)動(dòng)或線加速度運(yùn)動(dòng)下的性能。

產(chǎn)品開發(fā)過程中的其它測試§6.6陀螺測試與標(biāo)定的說明9/2/202344二測試與標(biāo)定的過程粗查/粗檢：檢查元件是否滿足設(shè)計(jì)/制§6.6陀螺測試與標(biāo)定的說明三測試與標(biāo)定設(shè)備要求

專業(yè)性強(qiáng)、精度要求高、造價(jià)高、環(huán)境要求比較嚴(yán)格。需要定期檢驗(yàn)、檢驗(yàn)設(shè)備要求高

數(shù)據(jù)記錄與處理設(shè)備要求較高，通常采用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的記錄與實(shí)驗(yàn)設(shè)備的控制。9/2/202345§6.6陀螺測試與標(biāo)定的說明三測試與標(biāo)定設(shè)備要求專業(yè)§6.6陀螺測試與標(biāo)定的說明四主要設(shè)備用于陀螺穩(wěn)定性測試的多位置穩(wěn)定平臺(tái)，定位精度高，具有方位控制與測量的專用儀表。Graseby轉(zhuǎn)臺(tái)9/2/202346§6