D坐標系及陀螺應用26297市公開課特等獎市賽課微課一等獎課件

坐標系：慣性坐標系坐標系引入：定量描述運動需要坐標系選取：依據(jù)研究對象及運動特點日心慣性坐標系IX0Y0Z0

地球慣性坐標系EX0Y0Z0

第1頁坐標系：地球、地理、載體、陀螺地球坐標系Eξηζ地理坐標系AENZ’載體坐標系Bxbybzb姿態(tài)角（偏航、俯仰、橫滾）陀螺坐標系oxyz（內(nèi)框架）動參考坐標系oξηζ（對應慣性或地理坐標系）動參考坐標系vs陀螺坐標系

第2頁自由陀螺儀：概述自由陀螺儀：沿著內(nèi)外框架無任何外力矩二自由度陀螺儀

功效：模擬慣性空間方向基準應用：宇宙飛行

近、中程導彈

射擊平面坐標系X0Y0Z0’

忽略地球自轉(zhuǎn)引發(fā)慣性坐標系以及模擬慣性坐標系陀螺坐標系與射擊平面坐標系之間相對轉(zhuǎn)動（表觀運動）

第3頁自由陀螺儀：應用俯仰通道橫滾、偏航第4頁地平儀：需求背景飛機飛行時，需要獲知飛機相對水平面偏角早期飛行員只能依靠目測或本體感覺，有很大局限。需要借助某種儀器，在飛機上建立人工水平面（水平或地垂線基準）第5頁地平儀：重力擺方案重力擺含有敏感地垂線（水平）基準特征重力機械擺重力液體擺缺點：重力擺輕易受運動干擾第6頁地平儀：陀螺方案二自由度陀螺優(yōu)點：能夠穩(wěn)定地指示慣性空間中固定方向，不受運動干擾缺點：不能敏感（跟蹤）地垂線方向第7頁地平儀：互補方案重力擺

優(yōu)勢：能敏感地垂線劣勢：易受運動干擾不能穩(wěn)定指示地垂線方向陀螺儀

優(yōu)勢：能穩(wěn)定指示固定方向不易受運動干擾劣勢：不能敏感地垂線二者優(yōu)勢互補=>陀螺地平儀修正裝置及其任務：1隨時測量出轉(zhuǎn)子軸偏離地垂線誤差角2產(chǎn)生修正力矩，使轉(zhuǎn)子進動，消除誤差角第8頁地平儀：工程實現(xiàn)工程實現(xiàn)：二自由度陀螺儀+液體擺+檢測電路+力矩電機第9頁地平儀：修正原理力矩電機：定子中有兩個匝數(shù)相同但繞向相反控制繞組轉(zhuǎn)子軸偏離重力垂線液體擺輸出電流差電機產(chǎn)生修正力矩轉(zhuǎn)子軸產(chǎn)生進動進動使偏角減小第10頁地平儀：加速度影響及對策加速度影響：當載體存在加速度，液體擺氣泡也將會偏離中心位置液體擺給出虛假陀螺轉(zhuǎn)子軸偏角信號虛假偏角信號輸送給力矩電機，使轉(zhuǎn)子軸產(chǎn)生無須要（也不該有）進動最終使轉(zhuǎn)子軸反而偏離地垂線方向。對策：引入加速度敏感元件，控制反饋回路開閉第11頁航向儀：背景及方案飛行器貼近地球表面運動時，需要獲知其航向航向角：載體縱軸在水平面投影和當?shù)氐乩肀毕蜷g夾角關鍵：北向基準建立北向基準建立路徑：1、指南針

地磁場與磁力線、磁偏角、航海地圖與磁偏角修正局限：易受干擾，磁極附近失靈2、陀螺儀優(yōu)點：對方向含有記憶性缺點：不能自主尋北第12頁航向儀：結構及工作狀態(tài)結構組成

二自由度陀螺儀磁羅盤修正系統(tǒng)兩種工作狀態(tài)1、地磁校正工作狀態(tài)（非強磁、低緯度地域且等速飛行）2、陀螺半羅盤工作狀態(tài)狀態(tài)切換飛行中依據(jù)飛行區(qū)域以及飛行情況，切換航向儀不一樣工作狀態(tài)方位修正與水平修正第13頁陀螺羅經(jīng)：基本原理陀螺羅經(jīng)：自動找出地理北向，無需借助其它儀表校正應用：艦船、武器、勘采等基本工作原理利用地球自轉(zhuǎn)和重力場綜合效應，使二自由度陀螺自轉(zhuǎn)軸自動地準確尋找真北方向基本工作原理分析地球自轉(zhuǎn)時1、地理坐標系～地軸方向地理坐標系繞著地軸旋轉(zhuǎn)從地理坐標系中觀察，地軸方向為北極星指示固定方向第14頁陀螺羅經(jīng)：坐標轉(zhuǎn)動分析2、陀螺轉(zhuǎn)子軸～地軸～地理坐標系系陀螺自轉(zhuǎn)軸和地軸相對固定從慣性坐標系觀察，陀螺自轉(zhuǎn)軸和地軸之間夾角和方向都不變從地理坐標系觀察，陀螺自轉(zhuǎn)軸和地軸之間夾角仍不變，但方向改變從地理坐標系觀察結果是，陀螺轉(zhuǎn)子軸在繞著地軸（北極星）做圓周運動3、上述圓周中心即地軸方向地軸在水平面投影即當?shù)乇毕?、缺點：測量周期長，精度難確保5、處理方法：設法縮短周期第15頁陀螺羅經(jīng)：引入重力擺引入重力擺位于內(nèi)框架軸正下方效果：軸子軸運動被加速軌跡由圓變?yōu)闄E圓周期和尺寸都縮短第16頁陀螺羅經(jīng)：表觀效應～重力效應引入重力擺后，陀螺轉(zhuǎn)子軸運動能夠看成是地球自轉(zhuǎn)引發(fā)表觀運動和重力擺引發(fā)進動合成。（紅色表示進