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陀螺仪原理1基本特性分解

4.3陀螺原理
4.3.1陀螺的定义 在航空上,陀螺仪用来测量飞机的姿 态角 ( 俯仰角、横滚角、航向角 ) 和角速 度,成为飞行驾驶的重要仪表。飞行控 制系统如自动驾驶仪和自动稳定器,则 是在测量出这些参数的基础上,实现对 飞机的自动控制或稳定,因而陀螺仪又 是飞行控制系统的重要部件。
陀螺:能够绕一定点做高速旋转的物 体。(一个绕对称轴高速旋转的飞轮转子)
4.3陀螺原理
4.3.1陀螺的定义
例如:“地转子”当它不转动时和普通物体一样;当 它高速旋转起来以后,就有一个明显的特征:地转子能 稳定地直立在地面不会倒下。这说明高速旋转的物体具 有保持其自转轴方向不变的性质。根据这种性质所研制 出的一种能感测旋转的装置,叫陀螺仪。
4.3陀螺原理
因为陀螺仪可以感测物体相对于空间的旋转,所以, 可以利用它来测量角位移或角速度。利用这种原理研 制出了各种陀螺仪表,并在航空中得到了广泛的应用。 陀螺仪:将陀螺安装在框架装置上,使陀螺的自转轴 有一定的转动自由度,这种装置的总体。 陀螺的基本部件(航空仪表中的陀螺) 陀螺转子、内、外框架(支承部件) 附件(电机、力矩器、传感器等) 转子是一个对称的飞轮,可以高速旋转,其旋转轴为 自转轴,旋转角速度为自转角速度。
4.3陀螺原理
4.3.1陀螺的种类 二自由度陀螺:只有转子和内框,且只能绕两个互相 垂直的轴自由、积分
压电、微机械
4.3.3陀螺的基本特性
三自由度陀螺主要由两个基本特性:稳定性、进动性
1 、稳定性:三自由度陀螺保持其自转轴(或动量矩矢 量)在空间的方向不发生变化的特性。称为陀螺的稳定性。
进动角速度大小与外力矩的大小成正比,与转子的动量矩的大小成反比。
进动的“无惯性”
陀螺动力效应:陀螺力矩
外加力矩
M H
陀螺力矩:反作用力矩
M g H H
陀螺力矩的方向判断 陀螺力矩的作用对象
陀螺动力(稳定)效应,对外框架有效
陀螺动力(稳定)效应,对内框架无效
定轴性总结;漂移、章动
陀螺原理
内框可以绕内框轴相对外框自由旋 转。
外框又可以绕外框轴相对于支架自 由转动,这两种角速度都称为牵连角 速度
支点:自转轴、内框轴和外框轴的 轴线交于一点叫陀螺的支点。
整个陀螺可以绕支点做任意的转动。
4.3陀螺原理
4.3.1陀螺的种类 按结构分:有三自由度陀螺和二自由度陀螺 (1)三自由度陀螺:有转子、内框、外框组成,且能 够绕三个互相垂直的轴旋转的陀螺。 三自由度陀螺的内框和外框能保证自转轴在空间指向 任意方向,所以,内框与外框组成的支架又称为万向 支架 在三自由度陀螺中,重心和支点重合,轴承没有摩擦 的陀螺叫自由陀螺。它是一种理想的陀螺。
4.3.3陀螺的基本特性
4.3.3陀螺的基本特性
章动:当陀螺受到瞬时冲击力矩后,自转轴在原位置附近 做微小的圆锥运动,其转子轴的大小方向基本不变。 当章动的圆锥角为零时,就是定轴。章动是陀螺稳定的 一般形式,定轴是陀螺稳定的特殊形式。
进动的规律
2、进动性:陀螺仪受到外力矩时, 转子自转轴的转动方向与外力矩方向 相垂直的现象 进动、进动角速度
4.3.3陀螺的基本特性
4.3.3陀螺的基本特性
4.3.3陀螺的基本特性
4.3.3陀螺的基本特性
进动角速度的方向和大小
进动角速度的方向:最短路径法则 (H 沿着最短路径趋向 M)
进动角速度的大小:根据 M = ω×H,写成标量形式:
M = ω·H·sinθ
因此 ω = M /(H·sinθ)
二自由度陀螺仪的定轴性
二自由度陀螺仪具有抵抗干扰力矩, 力图保持其自转轴相对惯性空间方 位不变的特性(定轴性、或稳定 性)。
定轴性的相对性(一):陀螺漂移 ω d = Md / H
定轴性的相对性(二):章动现象
陀螺受冲击力矩时,自转轴将在 原来的空间方位附近作锥形振荡 运动
H J s
Js为陀螺转子的转动惯量
三自由度陀螺的稳定性有两种表现形式:定轴性和章动。
定轴性:当三自由度陀螺转子高速旋转后,若不受外力 矩作用,不管基座如何转动,支撑在万向支架上的陀螺仪 自转轴指向惯性空间的方位不变,这种特性叫定轴性。 章动:当陀螺受到瞬时冲击力矩后,自转轴在原位置附 近做微小的运动,其转子轴的大小方向基本不变。 当章动的圆锥角为零时,就是定轴。章动是陀螺稳定的 一般形式,定轴是陀螺稳定的特殊形式。
当二自由度陀螺底座绕垂直于X轴与Z轴成 角的轴以角 速度 旋转时.则将有陀螺力矩Mg作用于框架上,陀 螺力矩Mg为:
M g H sin
三自由度陀螺结构原理如图所示。三自 由度陀螺具有以下主要特性:
1)定轴性 2)进动性 3)无惯性
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