现代导航技术第三章(惯性器件的基本特性)

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第三章惯性传感器基本理论§3.1陀螺仪的基本特性及分类§3.2加速度计的基本特性及分类§3.3惯性器件的精度指标及其对惯导系统的影响§3.4惯性器件的基本误差模型3§3.1陀螺仪的基本特性及分类第三章惯性传感器基本理论4玩具陀螺仪：第三章惯性传感器基本理论5陀螺仪（Gyroscope）敏感角运动的一种精密传感器，是惯性导航系统的中最重要、技术含量最高的仪器，是惯导系统中的核心器件。陀螺仪的精度是惯导系统精度的主要决定因素；通常，把陀螺仪定义为利用动量矩(自转转子产生)敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或两个轴的角运动的装置。§3.1陀螺仪的基本特性及分类6§3.1陀螺仪的基本特性及分类随着科学技术的发展，许多新型陀螺仪的大量随着科学技术的发展，许多新型陀螺仪的大量出现，它们之中已经没有高速旋转的转子，但出现，它们之中已经没有高速旋转的转子，但是它们仍然可以用来感测物体相对惯性空间的是它们仍然可以用来感测物体相对惯性空间的角运动，因此人们也把陀螺仪这一名称扩展到角运动，因此人们也把陀螺仪这一名称扩展到没有刚体转子而功能与经典陀螺仪等同的敏感没有刚体转子而功能与经典陀螺仪等同的敏感器。器。本节仍以框架式刚体转子陀螺仪为研究对象来本节仍以框架式刚体转子陀螺仪为研究对象来阐述陀螺仪的基本特性。阐述陀螺仪的基本特性。7传统转子陀螺原理图§3.1陀螺仪的基本特性及分类8框架式刚体转子陀螺仪的结构：§3.1陀螺仪的基本特性及分类9一、陀螺仪两个主要的特性：进动性：进动性：在陀螺上施加外力矩时，会引起陀在陀螺上施加外力矩时，会引起陀螺动量矩矢量相对惯性空间转动的特性。螺动量矩矢量相对惯性空间转动的特性。稳定性稳定性：陀螺转子绕自转轴高速旋转即具有：陀螺转子绕自转轴高速旋转即具有动量矩动量矩HH时，如果不受外力矩作用，自转轴时，如果不受外力矩作用，自转轴将相对惯性空间保持方向不变的特性。将相对惯性空间保持方向不变的特性。§3.1陀螺仪的基本特性及分类101、陀螺仪的进动性：外力作用下的陀螺仪的进动及方向外力作用下的陀螺仪的进动及方向ωMH进动角速度外力矩陀螺动量矩ωMH进动角速度外力矩陀螺动量矩ωMH进动角速度外力矩陀螺动量矩§3.1陀螺仪的基本特性及分类进动角速度的大小和方向，完全取决于动量矩和外力矩的大小和方向外力矩作用于内框外力矩作用于外框111、陀螺仪的进动性：陀螺仪的进动角速率的大小：ωMH进动角速度外力矩陀螺动量矩ωMH进动角速度外力矩陀螺动量矩ωMH进动角速度外力矩陀螺动量矩ωzMMωHJΩ动量矩外力矩转动惯量角速率§3.1陀螺仪的基本特性及分类进动的内因：转子的高速自转即动量矩的存在；进动的内因：转子的高速自转即动量矩的存在；进动的外因：外力矩改变动量矩方向的作用。进动的外因：外力矩改变动量矩方向的作用。可以看出，外力矩不变的情况下，动量矩越大，进动角速度越小。122、陀螺仪的稳定性：没有任何外力矩作用在陀螺仪上时，陀螺仪的自转轴将相对惯性空间保持方向不变。也称为陀螺仪的定轴性。陀螺的动量矩越大，陀螺仪的定轴性越强。§3.1陀螺仪的基本特性及分类132、陀螺仪的稳定性：实际的陀螺仪中，由于结构和工艺的不完备，总是不可避免的存在着干扰力矩。从而破坏了稳定性，产生了章动（瞬时冲击力矩）和进动（一定持续时间的力矩）。在干扰力矩的作用下陀螺仪产生的进动，使得自转轴在惯性空间逐渐偏离原来的方位，这种现象称之为漂移。§3.1陀螺仪的基本特性及分类ddMωH干扰力矩漂移角速度143、陀螺相对地球的视运动(表观运动)§3.1陀螺仪的基本特性及分类由于陀螺仪的转动相对惯性空间保持方向不变，而地球以其自转角速度绕极轴相对于惯性空间转动，因此观察者以地球为参考基准，会看到陀螺自转轴相对于地球在运动，这种现象叫做陀螺仪的表观运动。153、陀螺相对地球的视运动(表观运动)：§3.1陀螺仪的基本特性及分类北极处观察的表观运动北极处观察的表观运动赤道处观察的表观运动赤道处观察的表观运动163、陀螺相对地球的视运动(表观运动)：§3.1陀螺仪的基本特性及分类因此，如果想利用陀螺仪在载体上建立当地垂线和子午线作为姿态的测量基准，就必须对陀螺施加一定的控制力矩或修正力矩，使其自转轴始终跟踪当地垂线和子午线在惯性空间中的方位变化17§3.1陀螺仪的基本特性及分类二、陀螺仪的分类按照工作原理，陀螺仪可以分为三大类：1、机械转子类陀螺仪；（液浮、气浮、磁浮、动调、静电、超导）2、振动陀螺仪；（音叉振动、半球谐振、压电振动、硅微）3、光学陀螺仪；（激光、光纤）18§3.1陀螺仪的基本特性及分类二、陀螺仪的分类•按照自转轴相对于壳体具有的转动自由度，可以分为单自由度/双自由度陀螺。•按照陀螺仪的转子支撑方式，可以分为框架/液浮/气浮/动调/静电陀螺仪等。•按照陀螺仪的输出形式，可以分为角速率/角速率积分陀螺仪。•按照陀螺仪的精度，可以分为惯性级（随机漂移小于0.01°/h）/次惯性级/常规级陀螺仪19§3.1陀螺仪的基本特性及分类20中精度光纤陀螺§3.1陀螺仪的基本特性及分类21硅微陀螺§3.1陀螺仪的基本特性及分类22陀螺仪的发展和应用领域§3.1陀螺仪的基本特性及分类23第三章惯性器件的基本特性§3.2加速度计的基本特性及分类24§3.2加速度的基本特性及分类•惯性导航的基础是对加速度的测量，提取后通过积分获得速度和位置。（测量速度和位置需要外部参考系，而加速度的测量则不需要。）•加速度本身难以直接测量，因此通过测量敏感质量块上形成的惯性力，间接测量载体受到的加速度。mgmfmaFf是重力场以外的力产生的加速度25§3.2加速度的基本特性及分类•在惯性空间，加速度计无法区分惯性力和万有引力。因此加速度计的输出反映的是单位检测质量所受的惯性空间的合力，即惯性力与万有引力的矢量和。•也就是说，加速度计提供的测量值，是载体相对于惯性空间的绝对加速度和导航系统所在地的万有引力加速度的和值，称为“比力”。一、加速度计和比力26§3.2加速度的基本特性及分类22idRFFFFmGmmRdt引外外22iFdRfGRGmdt外比力比力────SpecificForceSpecificForce惯性技术中一个重要的概念！惯性技术中一个重要的概念！因此，比力也被称为“非引力加速度”，要想使加速度计的测量值与惯性加速度联系起来，就必须对重力场有所了解。一、加速度计和比力2711、按测量的运动方式分类：、按测量的运动方式分类：1.1.线加速度计线加速度计2.2.摆式加速度计摆式加速度计((如：液浮、挠性等如：液浮、挠性等))22、按支承输出轴的方式分类：、按支承输出轴的方式分类：1.1.宝石宝石2.2.液浮液浮3.3.挠性挠性§3.2加速度的基本特性及分类二、加速度计的分类2833、按测量加速度计的原理和工作分类：、按测量加速度计的原理和工作分类：①①宝石轴承摆式宝石轴承摆式②②液浮摆式液浮摆式③③挠性摆式挠性摆式④④陀螺摆式陀螺摆式⑤⑤压阻式压阻式⑥⑥压电式压电式⑦⑦石英振梁式石英振梁式⑧⑧激光和光纤式等激光和光纤式等§3.2加速度的基本特性及分类二、加速度计的分类2944、按检测方式是否需将测量的加速度由、按检测方式是否需将测量的加速度由输出端反馈到输入端分类：输出端反馈到输入端分类：①①开环加速度计（结构简单、易维护）开环加速度计（结构简单、易维护）②②闭环加速度计闭环加速度计((力反馈式加速度计力反馈式加速度计))55、按照精度高低来分类：、按照精度高低来分类：①①高精度（高精度（1010--44gg））②②中等精度（中等精度（1010--44g~10g~10--33gg））③③低精度（低精度（1010--33g~10g~10--22gg））§3.2加速度的基本特性及分类二、加速度计的分类30一般摆式加速度计§3.2加速度的基本特性及分类二、加速度计的分类31石英挠性加速度计§3.2加速度的基本特性及分类二、加速度计的分类32压阻式加速度计§3.2加速度的基本特性及分类二、加速度计的分类33§3.2加速度的基本特性及分类二、加速度计的分类34加速度计的发展和应用领域§3.2加速度的基本特性及分类35第三章惯性器件的基本特性§3.3惯性器件的精度指标及其对惯导系统的影响36§3.3惯性器件的精度指标及其对惯导系统的影响一、陀螺仪的漂移率•由于结构和工艺的不完善，实际的陀螺仪不可避免的存在着干扰力矩。当陀螺仪受到干扰力矩作用时，陀螺仪具有抵抗干扰而力图保持其自转轴在惯性空间的方向稳定的特性，因而陀螺自转轴改变的方位要比一般刚体小的多。•干扰作用毕竟改变了自转轴在惯性空间中的方位，称之为“漂移”。因此陀螺仪提供的方位基准精度主要取决于漂移角速度的大小。37§3.3惯性器件的精度指标及其对惯导系统的影响一、陀螺仪的漂移率•对于二自由度陀螺仪而言，漂移角速度实际为干扰力矩产生的进动角速度。漂移角速度的量值通常称为漂移率。漂移率越小，陀螺提供的方位基准精度越高。因此漂移率是衡量陀螺精度的主要指标。•漂移率的计算公式如下，单位一般为ddMωH干扰力矩漂移角速度/h38§3.3惯性器件的精度指标及其对惯导系统的影响一、陀螺仪的漂移率实际的陀螺仪漂移率中一般都包含了系统性漂移率和随机漂移两个部分。系统性漂移是指与规定的工作条件有关的漂移率分量，其数值大小和变化规律可以通过试验或分析的方法求得；随机漂移是由非确定干扰力矩引起，不能用简单方法加以补偿。因而成为衡量陀螺仪精度的最重要指标。39§3.3惯性器件的精度指标及其对惯导系统的影响一、陀螺仪的漂移率随机漂移的两种常见表现形式：漂移的短期稳定性：是指在规定的工作条件下漂移率随时间变化的分量，用漂移角速率的标准偏差来表示。漂移的长期稳定性：也称为漂移不定性或逐次漂移率。反映了逐次启动时系统性漂移率随机变化值。将影响到惯导系统对陀螺漂移的补偿精度。40§3.3惯性器件的精度指标及其对惯导系统的影响一、陀螺仪的漂移率41§3.3惯性器件的精度指标及其对惯导系统的影响二、陀螺仪漂移对惯导系统的影响平台式惯性导航系统主要由陀螺稳定平台、加速度计、计算机等部件构成。加速度计被放置在平台上，要求加速度计的测量方向不变。如果陀螺稳定平台（加速度计的基座）的方位相对所要求的方向发生了变化，加速度计的测量方向也就出现偏差，测量结果就不准确。平台的精度是靠陀螺仪的精度来保证，陀螺仪是惯性导航系统的“心脏”。42§3.3惯性器件的精度指标及其对惯导系统的影响三、惯导系统对陀螺仪性能的要求最基本的要求：漂移率低惯导系统运行时间越长，由陀螺漂移所引起的惯导系统运行时间越长，由陀螺漂移所引起的定位误差在整个系统误差中所占的比例越大。定位误差在整个系统误差中所占的比例越大。一个典型的精度指标：惯导系统的一个典型的精度指标：惯导系统的精度为精度为1nmile/h1nmile/h，相应要求陀螺随机漂，相应要求陀螺随机漂移率达到移率达到0.01deg0.01deg°°/h/h43§3.3惯性器件的精度指标及其对惯导系统的影响三、惯导系统对陀螺仪性能的要求一般而言，随着载体执行任务不同和航行时间不同，对陀螺一般而言，随着载体执行任务不同和航行时间不同，对陀螺随机漂移率提出不同的要求。随机漂移率提出不同的要求。44§3.3惯性器件的精度指标及其对惯