加速度计

加速度计加速度计的功能：对比力的测量测量机制：力或力平衡电路输出形式：模拟量或数字量工作原理：牛顿第二定律敏感质量按直线形式运动maF敏感质量按摆动形式运动PaTF或T被电子线路所产生的力或力矩平衡，电流或电压的大小就代表了a加速度计分类1、摆式(pendulous)加速度计浮子摆式加速度计挠性支承摆式加速度计摆式陀螺积分加速度计2、非摆式加速度计压电加速度计压阻加速度计振弦加速度计静电加速度计加速度计摆式把加速度计看作力矩平衡装置，列写方程FtKtCtJtPa)()()()(P=mr，m：质量，r：臂长设F=0KCSJSPSaS2)()(1/2SKCSKJKP如a=常值，稳态时aKPe角θ大小即可代表加速度加速度计力反馈与传函实际中，用力反馈回路取代机械弹簧来实现K设Kd=1，传递函数gtgKAKCSJSPAKSaSI2)()(1/2SKAKCSKAKJKPgdgtt加速度计摆角与加速度1当a为常值，稳态时aKPIte电流I的大小就代表输入加速度的大小摆轴转角θ和线加速度a之间的传递函数tgKAKCSJSPSaS2)()(1/2SKAKCSKAKJKAKPtgtgtg加速度计摆角与加速度2稳态时aKAKPtg对比aKPIe可以看出，改变放大系数A只能影响摆轴转角θ，而不能影响加速度输出电流I的大小对系数A进行调节，可使加速度计在一定加速度范围内使转角保持在小角度，保证输出线性度加速度计主要参数加速度计的主要参数标度系数：力矩器的电流和被测量的加速度之比（mA/g）灵敏度：引起力矩器电流发生变化的最小输入加速度（g）零位不稳定性：输出零位的变化范围（g）线性范围：保证一定线性度的情况下，可测量加速度的范围时间常数：取J/C作为摆平衡环的时间常数回路刚度：摆轴的转角和输入加速度的比值（如0.5毫弧/g）零位误差：没有加速度计输入的情况下，加速度计的输出（可补偿部分称为零位偏置，随机偏差部分称为零位不稳定性）加速度计原理误差:交叉耦合工艺误差：标度系数误差、灵敏度、零位不稳定性、测量范围的非线性原理性误差：测量原理本身的缺陷带来的误差交叉耦合误差：输入轴：垂直于初始时刻摆轴的垂线方向输入轴固定后，摆一旦转动→交叉耦合误差给定载体的加速度A的方向摆仅应该敏感A的分量ax产生摆角θ以后，摆敏感的加速度就成为sincos'yxaaA加速度计原理误差:振动sincos'yxaaA高增益力反馈回路使得θ角很小，上式可以进一步简化为yxaaA'第二项即交叉耦合项，一般可忽略。如果必要可用计算机补偿振动误差：设振动：tAAVsin方向固定沿着输入轴和垂直于输入轴均有分量振动的正半周时AVX将引起摆向左偏移AVY引起一个绕逆时针方向的力矩加速度计原理误差:振动2振动负半周时AVX将使摆向右偏离AVY产生的力矩仍然是逆时针因此，在振动的加速度输入下，会产生绕输出轴的一个同方向的摆式干扰力矩摆式力矩是两个正弦分量之积的函数)2cos1(2)(tVfTV加速度计原理误差:振动3)2cos1(2)(tVfTVf(V)是摆的质量、偏心距离及A的函数力矩TV在振动加速度的方向和输入轴夹角成45度时达到最大值振动频率在加速度计力反馈回路的通频带内，才会产生振动误差平台作用和结构平台功能：提供比力和姿态两种方案：捷联式、平台式捷联式：加速度计、陀螺直接安装在载体上平台式：加速度计安装在台体上，通过万向支架和载体的转动相隔离。加速度计敏感轴方向沿着导航坐标系方向放置平台模拟导航坐标系是由稳定回路和修正回路来共同实现用陀螺仪实现回路的姿态反馈陀螺仪的配置稳定回路：利用陀螺信号来稳定台体陀螺仪只用于敏感干扰力矩，不再用于力矩补偿修正回路为了得到其它导航坐标系，须给陀螺仪施加修正电流平台漂移、平衡环平台的漂移原因陀螺漂移角速度陀螺、加速度计安装误差计算机和平台的衔接其它：电磁、振动、温度平衡环系统(gimbalsystem)一般三环式平台可满足导航三环组成：台体、内、外环三环系统局限：非全姿态实例分析：外环轴//俯仰载体绕方位和俯仰轴旋转无角度限制载体绕滚动轴旋转角度不能超过±90度平台平衡环闭锁当滚动角为90度，平衡环系统就不能隔离和平衡环面垂直的载体的转动——称为平衡环的闭锁(locking)须根据载体运动规律选择三环式平台的安装方式四平衡环式系统一般当载体绕滚动轴超过70度时采用平台四平衡环四平衡环系统特点：三环转角限定在±20度四环保证二环和三环始终垂直四平衡环系统工作原理：A:载体直线水平飞行二环、三环垂直四环、三环共面载体可绕三轴任意旋转B:载体绕滚动轴滚动四环带动三环随载体转动陀螺稳定回路驱使二环运动,保持平台水平平台四平衡环机理二环、三环不处于垂直状态其间的电位计有信号输出C:电机根据电位计信号，带动四环、三环转动直至电位计输出为零保持二环和三环的垂直避免平衡环闭锁实际仍是变相的三环系统平台四平衡环应用例子四平衡环系统的应用例子垂直发射：二环、三环之间如不垂直四环的任何转动都不能使它们垂直反而带动三环、二环一起相对平台飞转。解决方案：规定发射时第四环锁定，断开随动系统，成为三环式系统平台四平衡环运动三轴陀螺稳定平台作为系统的惯性测量基准三环式的三轴陀螺稳定平台只能进行小角度范围稳定增加第四平衡环→全姿态平台增加第四环，通过其运动来补偿内环与中环的不正交性平台四平衡环运动分解1台体坐标系：OXYZ（i、j、k）内环坐标系OX1Y1Z1绕Z轴转β用四元数q1来描述转动2sin2cos1kq中环坐标系OX2Y2Z2相对内环转α1角2sin2cos112iq平台四平衡环运动分解2外环坐标系OX3Y3Z3相对中环转γ角2sin2cos3jq基座坐标系OX4Y4Z4相对外环转α角2sin2cos4iq平台四平衡环运动问题q1、q2、q3、q4分别对应从平台到载体绕各轴的转角基座与平台的几何关系，可用四元数q来描述：4321qqqqq问题：当某种原因产生α1以后，能否通过转动β、γ、α来消除这个α1