P06振动陀螺 导航原理 教学课件[精].ppt

振动陀螺仪概述
机械陀螺:基于牛顿力学原理
转子陀螺:三浮、静电,
制造工艺复杂、成本高
振动陀螺:
原理:利用高频振动的质量在被基座带动旋转时产生的苛氏加速度
特点:结构简单、体积小、重量轻、可靠性高、承载能力大、性能稳定、成本低
发展:
1940s-50s,美国研制音叉陀螺
1960s 美国压电振动陀螺(通用)
1970s后,美国研制壳体谐振陀螺
1980s初,大规模集成电路工艺,研制微型振动陀螺(Sperry,Draper)
精度:
音叉、压电、微机械:精度较低(战术导弹、车辆、坦克、雷达)
壳体谐振陀螺:精度较高,可达惯性级,是光学陀螺仪的竞争者。
音叉振动陀螺基本原理、结构
基本原理:利用音叉(Sonic Prong)端部的振动质量被基座带动旋转时产生的苛氏效应来敏感角速度
基本结构:
音叉的双臂为弹性臂,
受激振时,音叉双臂作对称弯曲振荡
端部质量作对称直线振动
等幅振荡,相位相反,频率几百至几千赫,振幅百分之几毫米。
音叉下部通过挠性轴与基座相连。
音叉振动陀螺质点苛氏分析
音叉两端质量各 m / 2
设某瞬间二者的相向速度为 v
距离中心轴线瞬时距离为 s
基座绕中心轴以ω旋转
苛氏加速度(大小和方向)
苛氏惯性力(大小和方向)
音叉振动陀螺简化音叉模型
苛氏惯性力矩(大小和方向)
如果两端做相背运动,则相对速度v、苛氏加速度ac、惯性力Fc、力矩T都变为反向
整个音叉可等效成上述简化模型:质量集中于两端(m/2),初始距离s0
质量的振动位移:
振动速度
苛氏惯性力
音叉振动陀螺动力方程
苛氏惯性力矩
假设音叉对中心轴的转动惯量为 J,阻力系数为 c,扭转刚度为 k,音叉绕中心轴的角位移为θ,可导出动力学方程
选取ωn = ω0(固有频率)有稳态响应:
角位移由传感器检测,输出电压的幅值:
K 输出标度因数
输入、输出为线性关系
壳体谐振陀螺
Hemispherical Resonant Gyro (HRG) 工作部件是很薄的圆口壳体,基本原理是振型偏转
缘于布里安 1890 年的发现和分析
半球形的玻璃杯绕中心线旋转时,杯口振动的四波腹图案发生偏转
经分析,该现象源于苛氏效应
该发现长期未引起注意,直到1980年前后才被利用研制壳体谐振陀螺仪。
核心部分:谐振子(Resonator,一端约束一端开口的薄壁壳体),半球形或圆柱形
壳体谐振陀螺分解\振型\分布图
陀螺分解图
谐振子振型图
力发生器和传感器分布图
谐振子:材料、尺寸、连接、槽口、表面;激振、四波腹振型
力发生器:环形、离散;环形提供谐振所需能量;离散形成振型。16个离散电极,激振力分布及随动。
传感器:电容式、检测波形偏转,8个电极,振型对电极输出的影响。
封装:抽真空,大时间常数
壳体谐振陀螺振型偏转描述
谐振子分解:弹性质量环
激振、弹性变形:
圆椭圆圆椭圆
长短轴反复交替
四波腹振型
基座转动后,振型相对基座有偏转
振型(Resonance Pattern)相对惯性空间的旋转,比基座滞后了一个角度,造成振型偏转(Shift)
或
K 标度因数。对于 4 波节振型,K≈
壳体谐振陀螺振型运动分析
波腹位置:径向振动
波节位置:切向振动
其它位置:两种振动合成
振动过程: