现代导航技术第五章(动力调谐陀螺)

1现代导航测试技术MeasuringandTestingTechniqueforModernNavigationSystem主讲：赖际舟副教授南京航空航天大学导航研究中心办公电话：办公电话：025025--8489230484892304--807807手机：手机：1385147542913851475429导航研究中心网页：导航研究中心网页：：：[e-mail]@nuaa.edu.cn2•对于刚体转子陀螺仪而言，减小支承上的摩擦力矩，是提高陀螺仪精度的关键所在。•悬浮技术：50年代的液浮陀螺，精度高但结构复杂、制造困难、成本很高。•随着惯导系统的推广，尤其是在飞机上的广泛应用，寻求一种中高级精度、但结构简单成本较低的陀螺，成为当时迫切需要解决的问题。•60年代初，出现了一种新颖支承原理的动力调谐陀螺（DynamicallyTunedGyro-DTG）第五章动力调谐陀螺3第五章动力调谐陀螺§§5.25.2动力调谐陀螺的调谐机理及其漂移误差动力调谐陀螺的调谐机理及其漂移误差§§5.15.1动力调谐陀螺的结构及特点动力调谐陀螺的结构及特点§§5.35.3动力调谐速率陀螺仪的构成与分析动力调谐速率陀螺仪的构成与分析4§§5.15.1动力调谐陀螺的结构及特点动力调谐陀螺的结构及特点动力调谐陀螺实物5§§5.15.1动力调谐陀螺的结构及特点动力调谐陀螺的结构及特点动力调谐陀螺仪的支承原理一、动力调谐陀螺仪的支承转子借助于2对互相正交的挠性轴（常称为扭杆）和1个平衡环（又称为框架）组成的挠性接头来支承；一对共轴线的内挠性轴，连接了驱动轴和平衡环；一对共轴线的外挠性轴，连接了平衡环和转子；内、外挠性轴相互垂直。理想情况下，与驱动轴相交于一点，称为挠性支承中心。6§§5.15.1动力调谐陀螺的结构及特点动力调谐陀螺的结构及特点动力调谐陀螺仪的支承原理二、动力调谐陀螺仪的工作过程描述1、驱动电机带动驱动轴旋转；2、驱动轴通过内挠性轴带动平衡环旋转；3、平衡环通过外挠性轴带动转子旋转；7§§5.15.1动力调谐陀螺的结构及特点动力调谐陀螺的结构及特点动力调谐陀螺仪的支承原理二、动力调谐陀螺仪的工作过程描述转动自由度1：当转子绕内挠性轴偏转时，会带动平衡环一起偏转；此时内挠性轴产生扭转弹性变形；转动自由度2：当转子绕外挠性轴偏转，平衡环不会随之偏转，此时外挠性轴产生扭转弹性变形；转动的特点：允许的转角很小关于两个转动自由度的描述8§§5.15.1动力调谐陀螺的结构及特点动力调谐陀螺的结构及特点动力调谐陀螺仪的支承原理二、动力调谐陀螺仪的工作过程描述支承转子和传递驱动力矩；给自转轴提供了绕与其正交的两个轴转动的自由度。因此要求挠性轴具有足够大的抗弯刚度和尽可能小的抗扭刚度。内、外挠性轴和平衡环的作用9§§5.15.1动力调谐陀螺的结构及特点动力调谐陀螺的结构及特点三、动力调谐陀螺仪的结构组成驱动轴驱动轴转子转子内、外挠性轴内、外挠性轴平衡环平衡环限动器（限制转子工作限动器（限制转子工作转角不能过大从而导致转角不能过大从而导致挠性接头损坏）挠性接头损坏）传感器（检测自转轴相传感器（检测自转轴相对壳体的偏角）对壳体的偏角）力矩器（对转子施加控力矩器（对转子施加控制力矩）制力矩）10§§5.15.1动力调谐陀螺的结构及特点动力调谐陀螺的结构及特点三、动力调谐陀螺仪的结构组成挠性接头的材料特性：挠性接头的材料特性：••需要低抗扭刚度，高抗弯刚度；需要低抗扭刚度，高抗弯刚度；••要支承质量较大的转子，还要承受冲击、振动和过载等，因要支承质量较大的转子，还要承受冲击、振动和过载等，因此要求挠性接头材料要有高弹性模量和高抗拉强度；此要求挠性接头材料要有高弹性模量和高抗拉强度；••由于要反复扭转，要求挠性接头材料具有高的疲劳极限；由于要反复扭转，要求挠性接头材料具有高的疲劳极限；••此外还要弱磁性、耐腐蚀、线膨胀系数小，易加工；此外还要弱磁性、耐腐蚀、线膨胀系数小，易加工；••通常采用铁镍恒弹性材料、铌基恒弹性材料等；通常采用铁镍恒弹性材料、铌基恒弹性材料等；11§§5.15.1动力调谐陀螺的结构及特点动力调谐陀螺的结构及特点四、动力调谐陀螺仪的特点••结构简单、成本较低：不需要液浮陀螺超净的环境，适合批结构简单、成本较低：不需要液浮陀螺超净的环境，适合批量生产，制造成本为液浮陀螺的量生产，制造成本为液浮陀螺的1/41/4；；••体积小、重量轻体积小、重量轻••可靠性高、使用寿命长：与液浮陀螺相比，不存在浮子的密可靠性高、使用寿命长：与液浮陀螺相比，不存在浮子的密封性问题，以及输电软导线容易损坏的问题；封性问题，以及输电软导线容易损坏的问题；••启动时间短、功率小：一般启动时间小于启动时间短、功率小：一般启动时间小于2min2min；；••和液浮陀螺仪相比，精度稍逊；和液浮陀螺仪相比，精度稍逊；••DTGDTG目前应用范围广泛，从平台式到捷联式，从飞机、导弹目前应用范围广泛，从平台式到捷联式，从飞机、导弹到舰船、航天飞行器。到舰船、航天飞行器。12第五章动力调谐陀螺§§5.25.2动力调谐陀螺的调谐机理及其漂移误差动力调谐陀螺的调谐机理及其漂移误差13一、平衡环的振荡运动当自转轴与驱动轴之当自转轴与驱动轴之间存在相对偏角时，自转间存在相对偏角时，自转轴仍然要稳定在惯性空间轴仍然要稳定在惯性空间内，此时驱动轴通过挠性内，此时驱动轴通过挠性接头带动转子旋转的过程接头带动转子旋转的过程中，由于挠性轴只能产生中，由于挠性轴只能产生扭转变形而无法产生弯曲扭转变形而无法产生弯曲变形，从而使得平衡环会变形，从而使得平衡环会出现振荡现象。出现振荡现象。平衡环振荡运动的形成§§5.25.2动力调谐陀螺的调谐机理及其漂移误差动力调谐陀螺的调谐机理及其漂移误差14一、平衡环的振荡运动平衡环振荡运动的形成§§5.25.2动力调谐陀螺的调谐机理及其漂移误差动力调谐陀螺的调谐机理及其漂移误差15一、平衡环的振荡运动可以看出，当驱动轴的角动量与转子的角动量不一致可以看出，当驱动轴的角动量与转子的角动量不一致的时候，就会发生这种现象，即平衡环的角动量在驱的时候，就会发生这种现象，即平衡环的角动量在驱动轴和转子的角动量之间动轴和转子的角动量之间““跳来跳去跳来跳去””（扭摆运动）。（扭摆运动）。这种振荡的幅值为自转轴相对驱动轴的偏角，振荡的这种振荡的幅值为自转轴相对驱动轴的偏角，振荡的频率为转子的自转频率。频率为转子的自转频率。由于挠性接头本身的固有弹簧刚度给转子一个约束作由于挠性接头本身的固有弹簧刚度给转子一个约束作用，使其无法真正的用，使其无法真正的““自由自由””。而正是平衡环的这种振。而正是平衡环的这种振荡运动，给动力调谐陀螺提供了一个可调的负的弹簧荡运动，给动力调谐陀螺提供了一个可调的负的弹簧刚度。刚度。§§5.25.2动力调谐陀螺的调谐机理及其漂移误差动力调谐陀螺的调谐机理及其漂移误差16二、动力调谐陀螺的动力调谐机理••所谓所谓““动力调谐动力调谐””，是指挠性接头固有的弹簧刚度恰好精确地，是指挠性接头固有的弹簧刚度恰好精确地被动力引进的弹簧刚度所抵消，从而消除了挠性支承对转子被动力引进的弹簧刚度所抵消，从而消除了挠性支承对转子的弹性约束。的弹性约束。••通过调节挠性轴弹簧刚度通过调节挠性轴弹簧刚度KK、平衡环转动惯量、平衡环转动惯量IeIe((横向转动惯横向转动惯量量))和和IzIz（极转动惯量），或者调节转子自转角速度，可满足（极转动惯量），或者调节转子自转角速度，可满足动力调谐条件：动力调谐条件：••因此，通过上述方法可以使转子支撑在一个特定的转速上，因此，通过上述方法可以使转子支撑在一个特定的转速上，并且具有净的零弹簧刚度，并且具有净的零弹簧刚度，在这种条件下，转子与陀螺内、在这种条件下，转子与陀螺内、外挠性轴的运动解耦，因而成为外挠性轴的运动解耦，因而成为自由的自由的。满足调谐条件的。满足调谐条件的转子速度称为调谐速度。转子速度称为调谐速度。§§5.25.2动力调谐陀螺的调谐机理及其漂移误差动力调谐陀螺的调谐机理及其漂移误差17三、动力调谐陀螺仪的漂移误差1.1.剩余刚度和阻尼效应引起的漂移误差剩余刚度和阻尼效应引起的漂移误差2.2.质量不平衡引起的漂移误差质量不平衡引起的漂移误差3.3.结构非等弹性引起的漂移误差结构非等弹性引起的漂移误差4.4.驱动轴二倍旋转频率的角振动引起的漂移误差驱动轴二倍旋转频率的角振动引起的漂移误差§§5.25.2动力调谐陀螺的调谐机理及其漂移误差动力调谐陀螺的调谐机理及其漂移误差理想情况下，仪表壳体相对惯性空间转动时，陀螺自转轴仍保持原来的方向稳定，此时壳体相对于自转轴的转角能够精确地反映出壳体相对惯性空间的转角。但实际过程中存在以下漂移误差：18三、动力调谐陀螺仪的漂移误差从导致原因上来分类：从导致原因上来分类：1.1.剩余刚度和阻尼效应引起的漂移误差剩余刚度和阻尼效应引起的漂移误差由于无法精确调谐和完全消除阻尼效应所致由于无法精确调谐和完全消除阻尼效应所致（挠性轴材（挠性轴材料的弹性迟滞引起阻尼力矩，方向与转子偏转角速度的料的弹性迟滞引起阻尼力矩，方向与转子偏转角速度的方向相反，大小与偏转角速度的大小成正比）；方向相反，大小与偏转角速度的大小成正比）；2.2.质量不平衡引起的漂移误差质量不平衡引起的漂移误差由于加工和装配误差，转子质心和平衡环质心无法精确由于加工和装配误差，转子质心和平衡环质心无法精确位于挠性支承中心。从而引起质心轴向偏离和径向偏离位于挠性支承中心。从而引起质心轴向偏离和径向偏离形成的质量不平衡力矩。形成的质量不平衡力矩。§§5.25.2动力调谐陀螺的调谐机理及其漂移误差动力调谐陀螺的调谐机理及其漂移误差19三、动力调谐陀螺仪的漂移误差3.3.结构非等弹性引起的漂移误差结构非等弹性引起的漂移误差挠性支承结构沿驱动轴的轴向和径向的弹性不等，则转子在挠性支承结构沿驱动轴的轴向和径向的弹性不等，则转子在重力和惯性力的作用下，由于质心偏离支承中心，导致力的重力和惯性力的作用下，由于质心偏离支承中心，导致力的作用线不通过支承中心，从而造成非等弹性力矩。作用线不通过支承中心，从而造成非等弹性力矩。4.4.驱动轴二倍旋转频率的角振动引起的漂移误差驱动轴二倍旋转频率的角振动引起的漂移误差驱动轴可能在工作过程中出现绕与其正交的轴的角振动（章驱动轴可能在工作过程中出现绕与其正交的轴的角振动（章动），会引起平衡环的振荡，从而带来有害力矩。动），会引起平衡环的振荡，从而带来有害力矩。§§5.25.2动力调谐陀螺的调谐机理及其漂移误差动力调谐陀螺的调谐机理及其漂移误差20三、动力调谐陀螺仪的漂移误差从表现形式来说，漂移误差可以分为以下几类：从表现形式来说，漂移误差可以分为以下几类：11、对、对gg不敏感的零偏：不敏感的零偏：22、对、对gg敏感的零偏；敏感的零偏；33、零均值随机零偏；、零均值随机零偏；44、标度因数误差；、标度因数误差；该类陀螺仪对于线加速度、角加速度、振动、磁场、温度该类陀螺仪对于线加速度、角加速度、振动、磁场、温度场的变化敏感，会导致测量误差。场的变化敏感，会导致测量误差。§§5.25.2动力调谐陀螺的调谐机理及其漂移误差动力调谐陀螺的调谐机理及其漂移误差21三、动力调谐陀螺仪的漂移误差综上，动力调谐陀螺仪的角速率测量值可以用以下公式表示：综上，动力调谐陀螺仪的角速率测量值可以用以下公式表示：§§5.25.2动力调谐陀螺的调谐机理及其漂移误差动力调谐陀螺的调谐机理及其漂移误差其中，ωx和ωy为陀螺绕其输入轴的旋转速率;ax和ay为沿输入轴的加速度;az为沿自转轴的加速度;•Bfx、Bfy为对加速度不敏感的零偏系数;•Bgx、Bgy为对加速度敏感的零偏系数;•Baxz、Bayz为非等弹性零偏系数;•nx、ny表示零均值随机零偏;•Sx，Sy为标度因数误差