《陀螺仪漂移及测试》PPT课件

2021/4/1 1 第六章 陀 螺 仪 的 测 试 与 标 定 2021/4/1 2 6.1 陀螺漂移的基本概念 一 自由陀螺的漂移 由于各种原因，在陀螺上往往作用有人们所不 希望的各种干扰力矩，在这些可能是很小的 干扰力 矩 的作用下，陀螺将产生 进动 ，从而使角动量向量 慢慢偏离原来的方向，我们把这种现象称为陀螺的 漂移。把在干扰力矩作用下陀螺产生的进动角速度 称为陀螺的漂移角速度或角速率。 2021/4/1 3 HM /bd 6.1 陀螺漂移的基本概念 工程实际中的陀螺仪与陀螺仪模型有所差别，这 种差别的表现就是 干扰力矩的存在 ，干扰力矩破 坏了陀螺仪的定轴性，使陀螺仪的角动量向量在 惯性空间中发生了变化，包括其大小和方向。 一 自由陀螺的漂移 2021/4/1 4 6.1 陀螺漂移的基本概念 二 单自由度浮子陀螺的漂移 当沿着陀螺输入轴的角速度等于什么数值时，才能使一个 闭环系统中实际使用的陀螺仪的信号器输出为零。这个角速度 的大小称为单自由度浮子陀螺的漂移角速度。 信号器 力矩器 IA OA SA 放大器 2021/4/1 5 6.1 陀螺漂移的基本概念 对伺服状态的双自由 度陀螺，其内环轴和外 环轴分别既是 IA又是 OA， 都有信号器和力矩器， 且交叉连接，构成两个 闭环回路。可以用两个 力矩器的电流分别表示 沿两根轴的漂移角速度。 假定陀螺在工作过程中 力矩轴是正交的，总漂 移角速度为 ： 三 双自由度浮子陀螺的漂移 加矩电流 加矩电流 内环轴 外环轴 22 dydxd 2021/4/1 6 6.2 影响陀螺漂移的主要因素 陀螺漂移产生的原因是作用在陀螺上的干扰 力矩根据干扰力矩的性质及其变化规律，干扰力 矩可以分为两类： 确定性干扰力矩 有规律、可试验或计算确定，易于 补偿。 随机性干扰力矩 无规律性。引起陀螺的随机漂移， 只能用统计方法来估计其概率统计 特性。 2021/4/1 7 对于确定性干扰力矩，根据其与加速度的分为： 6.2 影响陀螺漂移的主要因素 与加速度无关的干扰力矩，例如弹性力矩、电磁力矩等。 与加速度成比例的干扰力矩，例如由于陀螺质量偏心引起 的干扰力矩。 与加速度平方成比例的干扰力矩，例如由非等弹性引起的 干扰力矩。 2021/4/1 8 干扰力矩的分类及其所产生的陀螺漂移 6.2 影响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. 非等弹性力矩及其引起的漂移 2021/4/1 9 6.3 陀螺测试的伺服跟踪法 前置放大器 力 矩 器 陀螺转子 信 号 器 解调 校正 记录 功放 转台 驱动电机 角度输出 时基 一 伺服跟踪法的基本原理 yd e p 2021/4/1 10 一 伺服跟踪法的基本原理 6.3 陀螺测试的伺服跟踪法 2021/4/1 11 6.3 陀螺测试的伺服跟踪法 一 伺服跟踪法的基本原理 单自由度陀螺的单轴转台测漂 2021/4/1 12 双自由度陀螺的单轴转台测漂 一 伺服跟踪法的基本原理 6.3 陀螺测试的伺服跟踪法 2021/4/1 13 6.3 陀螺测试的伺服跟踪法 二 伺服跟踪法的测速方法 yd e p 精确 定位定向 ，即陀螺输入轴与转台轴平行，并且要使 转台在地理坐标系中精确定向。 精确地测出 转台的转速 。 2021/4/1 14 首先 在一段时间间隔内， 观测转台 相对地球的 转角 ， 然后 根 据 地球 自转角速度沿转台方向的 分量 通过计算求得在 这段时 间 内地球相对惯性空间的转角 Teie y 得到在同一时间间隔内转台相对惯性空间的转角 ip ie p 用时间间隔相除，即得到陀螺的漂移角速度 y/d ip e pT 二 伺服跟踪法的测速方法 6.3 陀螺测试的伺服跟踪法 2021/4/1 15 三 伺服跟踪法的转台轴的取向 6.3 陀螺测试的伺服跟踪法 1. 输入 轴在水平面内沿东西方向 2. 输入轴与地球自转轴平行 3. 输入轴沿当地垂线方向 ped s in ped pd 2021/4/1 16 6.4 陀螺测试的力矩反馈法 一 力矩反馈法法的原理 biBM MHIK yx yx / iBM b d HIKH M 记 录装 置 放大器 加矩电流 力矩器 信号器 IA OA SA 2021/4/1 17 6.4 陀螺测试的力矩反馈法 一 力矩反馈法法的原理 力矩反馈法采用的是力矩平衡的静力学方法。 必须测量系统稳定后各参数的数值，对系统稳定性 的判定有较高要求。 电流记录装置必须具有足够分辨力和精度。 对力矩器刻度因子的稳定性和线性度要求很高。 力矩反馈法得到的是陀螺的瞬时漂移。 2021/4/1 18 双自由度陀螺的力矩反馈法测漂 6.4 陀螺测试的力矩反馈法 一 力矩反馈法法的原理 2021/4/1 19 6.4 陀螺测试的力矩反馈法 二 力矩反馈法法中陀螺相对地理坐标系的取向 陀螺相对地理坐标系的位置需借助转台 1陀螺输入轴沿当地前垂线方向 s ineey s i n/x eBMzbd HIKH m g lM z x y lz o ly mg 2021/4/1 20 6.4 陀螺测试的力矩反馈法 二 力矩反馈法法中陀螺相对地理坐标系的取向 陀螺相对地理坐标系的位置需借助转台 2陀螺输出轴沿当地铅垂线方向 Keey c o sc o s K/HIKHM eBxMbd c o sc o s z x y l z N K ly 2021/4/1 21 6.4 陀螺测试的力矩反馈法 二 力矩反馈法法中陀螺相对地理坐标系的取向 陀螺相对地理坐标系的位置需借助转台 3陀螺自转轴沿当地铅垂线方向 Keey c o sc o s K/HIKH mg lM eBxMybd c o sc o s z x y ly 2021/4/1 22 6.5 陀螺漂移的数学模型 陀螺漂移的数学模型是指描述陀螺漂移变化规 律的 数学表达式 。 在建立数学模型的基础上 ， 漂移 测试和数据处理的目的就转化为确定模型中参数的 大小及其稳定性 ， 分析这些参数与物理因素间的关 系 ， 从而找到改进陀螺性能的方向和途径 ， 并为陀 螺的使用提供依据 。 2021/4/1 23 2 12dn c c ( ) c ( ) aa 漂移角速度包括 三个基本分量 ，即与加速度无关 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 陀螺漂移的数学模型 一般说：漂移角速度包括与比力无关的分量，正比 于比力的分量和正比于比力平方的分量。 2021/4/1 24 zxxzzyyzyxxy zzzyyyxxx zzyyxxd aaDaaDaaD aDaDaD aDaDaDD 222 0 x y z a a a a 6.5 陀螺漂移的数学模型 陀螺漂移的纯数学模型 : 2021/4/1 25 zxxzzyyzyxxy zzzyyy zzyyd aaDaaDaaD aDaD aDaDD 22 0 陀螺漂移的物理模型 6.5 陀螺漂移的数学模型 x y z a a a a 2021/4/1 26 普遍采用的陀螺误差模型 6.5 陀螺漂移的数学模型 x y z a a a a yipzxxzzyyzyxxy zzzyyyzzyyxxd aaDaaDaaD aDaDaDaDaDD )( 22 0 2021/4/1 27 模型只能近似地反映陀螺漂移的特性。随着制造 工艺和试验手段的不断改进，精度的不断提高，误差 模型将不断地发展和完善。不能认为现在采用的任意 一种模型是完全精确的。 使用模型时，要根据实际需要（主要是对精度的 要求）和测试条件的可能性，保留起主要作用的项， 忽略某些次要项，简化测试过程，提高测试效率。 6.5 陀螺漂移的数学模型 2021/4/1 28 yipzxxzzyyzyxxy zzzyyyzzyyxxd aaDaaDaaD aDaDaDaDaDD )( 22 0 6.6 陀螺漂移系数的确定 2021/4/1 29 从陀螺漂移模型出发，利用力矩反馈法来确定陀 螺漂移系数的方法 固定位置法。 6.6 陀螺漂移系数的确定 固定位置法是将安装陀螺的转台固定在某一位置，待 系统稳定后，读取力矩器的电流值。 位置 1 ： 输出轴 x 铅直向上，输入轴 y 向北，自转轴 z 向西 y x z c o s01 exM DDIK 0 zy aa c o seey 1xa 2021/4/1 30 6.6 陀螺漂移系数的确定 固定位置法是将安装陀螺的转台固定在某一位置，待 系统稳定后，读取力矩器的电流值。 位置 2 ： 输出轴 x 铅直向上，输入轴 y 向南，自转轴 z 向东 y x z 1xa 0yzaa c o seey c o s02 exM DDIK 从陀螺漂移模型出发，利用力矩反馈法来确定陀 螺漂移系数的方法 固定位置法。 2021/4/1 31 从陀螺漂移模型出发，利用力矩反馈法来确定陀 螺漂移系数的方法 固定位置法。 6.6 陀螺漂移系数的确定 固定位置法是将安装陀螺的转台固定在某一位置，待 系统稳定后，读取力矩器的电流值。 y x z 位置 3 ： 输出轴 x 向西，输入轴 y 铅直向上，自转轴 z 向北 1ya 0 zx aa s ineey 30 s i nM y y y eK I D D D 2021/4/1 32 从陀螺漂移模型出发，利用力矩反馈法来确定陀 螺漂移系数的方法 固定位置法。 6.6 陀螺漂移系数的确定 固定位置法是将安装陀螺的转台固定在某一位置，待 系统稳定后，读取力矩器的电流值。 位置 4： 输出轴 x 向西，输入轴 y 铅直向下，自转轴 z 向南 1ya 0 zx aa s ineey s in04 eyyyM DDDIK y x z 2021/4/1 33 从陀螺漂移模型出发，利用力矩反馈法来确定陀 螺漂移系数的方法 固定位置法。 6.6 陀螺漂移系数的确定 固定位置法是将安装陀螺的转台固定在某一位置，待 系统稳定后，读取力矩器的电流值。 位置 5： 输出轴 x 向西，输入轴 y 向北，自转轴 z 铅直向下 1za 0 yx aa c o seey 50 c o sM z z z eK I D D D y x z 2021/4/1 34 从陀螺漂移模型出发，利用力矩反馈法来确定陀 螺漂移系数的方法 固定位置法。 6.6 陀螺漂移系数的确定 固定位置法是将安装陀螺的转台固定在某一位置，待 系统稳定后，读取力矩器的电流值。 位置 6 ： 输出轴 x 向西，输入轴 y 向南，自转轴 z 铅直向上 1za 0 yx aa c o seey 60 c o sM z z z eK I D D D y x z 2021/4/1 35 从陀螺漂移模型出发，利用力矩反馈法来确定陀 螺漂移系数的方法 固定位置法。 6.6 陀螺漂移系数的确定 固定位置法是将安装陀螺的转台固定在某一位置，待 系统稳定后，读取力矩器的电流值。 位置 7： 输出轴 x 铅直向下，输入轴 y 向北，自转轴 z 向东 1xa 0yzaa c o seey c o s07 exM DDIK y x z 2021/4/1 36 从陀螺漂移模型出发，利用力矩反馈法来确定陀 螺漂移系数的方法 固定位置法。 6.6 陀螺漂移系数的确定 固定位置法是将安装陀螺的转台固定在某一位置，待 系统稳定后，读取力矩器的电流值。 位置 8： 输出轴 x 铅直向下，输入轴 y 向南，自转轴 z 向西 1xa 0 zy aa c o seey c o s08 exM DDIK y x z 2021/4/1 37 简单分析时，由于 通常很小，因此可 得到 ： xD yyD zzD 输出轴向上时 （第 1、 2两位置）： 输出轴向下时（ 第 7、 8两位置）： c o s01 exM DDIK c o s02 exM DDIK 122 c o s /( )M u p eK I I 0 1 2( ) / 2u p M u pD K I I c o s07 exM DDIK c o s08 exM DDIK 782 c o s / ( )M d o w n eK I I 0 7 8( ) / 2d o w n M d o w nD K I I 6.6 陀螺漂移系数的确定 2021/4/1 38 122 c o s /( )M u p eK I I 782 c o s / ( )M d o w n eK I I 当陀螺的输出轴存在端隙及力矩器设计不当时： 实际使用时必须注意！通常取： ( ) / 2M M u p M d o w nK K K 6.6 陀螺漂移系数的确定 2021/4/1 39 6.6 陀螺漂移系数的确定 由输入轴向上和向下两个位置可以得到 30 s i nM y y y eK I D D D 输入轴向上时 （第 3位置）： 输入轴向下时 （第 4位置）： 43( ) / 2 s iny M eD K I I s in04 eyyyM DDDIK 2021/4/1 40 由自转轴向上和向下两个位置可以得到 56( ) / 2 c o sz M eD K I I 自转轴向下时 （第 5位置）： 自转轴向上时 （第 6位置）： 50 c o sM z z z eK I D D D 60 c o sM z z z eK I D D D 6.6 陀螺漂移系数的确定 2021/4/1 41 如果实际上需要考虑那些较小的系数，则对八位置的数据 进一步分析，得到： 0 1 2 7 8( ) / 4MD K I I I I 由 1、 2、 7、 8位置得到 ： c o s01 exM DDIK c o s02 exM DDIK c o s07 exM DDIK c o s08 exM DDIK 7 8 1 2( ) / 4xMD K I I I I 6.6 陀螺漂移系数的确定 2021/4/1 42 3 4 0( ) / 2y y MD K I I D 由 3、 4位置得到 ： 30 s i nM y y y eK I D D D s in04 eyyyM DDDIK 6.6 陀螺漂移系数的确定 如果实际上需要考虑那些较小的系数，则对八位置的数据 进一步分析，得到： 2021/4/1 43 6.6 陀螺漂移系数的确定 如果实际上需要考虑那些较小的系数，则对八位置的数据 进一步分析，得到： 60 c o sM z z z eK I D D D 由 5、 6位置得到 ： 5 6 0( ) / 2z z MD K I I D 50 c o sM z z z eK I D D D 2021/4/1 44 6.7 陀螺测试与标定的说明 一 测试与标定的目的 考核环境适用性和生产制造质量 评估设计指标，用于设计改进 验证性能、摸索运动规律 评估寿命、存储等基本性能 其它特殊需求 2021/4/1 45 二 测试与标定的过程 粗查 /粗检：检查元件是否满足设计 /制造预期。 静态测试 /标定：采用多位置实验，测试主要性能参数。 动态测试：验证元件角运动或线加速度运动下的性能。 产品开发过程中的其它测试 6.7 陀螺测试与标定的说明 2021/4/1 46 6.7 陀螺测试与标定的说明 三 测试与标定设备要求 专业性强、精度要求高、造价高、环境要求比较严格。 需要定期检验、检验设备要求高 数据记录与处理设备要求较高，通常采用计算机实现 数据的记录与实验设备的控制。 2021/4/1 47 6.7 陀螺测试与标定的说明 四 主要设备 用于陀螺稳定性测 试的多位置稳定平 台，定位精度高， 具有方位控制与测 量的专用仪表。 Graseby 转台 2021/4/1 48 6.7 陀螺测试与标定的说明 高精度速率转台， 用于陀螺测量角速 度传递函数的测试。 四 主要设备 2021/4/1 49 6.7 陀螺测试与标定的说明 四 主要设备 单轴速率转台 的结构 2021/4/1 50 6.7 陀螺测试与标定的说明 四 主要设备 高精度温控箱，用于 陀螺温度特性测试。 2021/4/1 51 6.7 陀螺测试与标定的说明 四 主要设备 摇摆速率 转台 2021/4/1 52 6.7 陀螺测试与标定的说明 四 主要设备 亥姆霍兹线圈 2021/4/1 53 6.7 陀螺测试与标定的说明 四 主要设备 离心测试设备， 用于考核陀螺对大 的连续 /变动加速 度的承受能力和特 性变化。 离心机 2021/4/1 54 6.7 陀螺测试与标定的说明 四 主要设备 冲击与振动测试设 备，用于考核陀螺 在冲击和振动状态 下性能变化，确定 其可靠性指标。通 常是最后使用的测 试设备。 振动 台