陀螺仪工作原理与应用

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陀螺仪工作原理与应用
来源：译自日本《测量》06年8月号 作者：日本测量仪器工业会

    为了求得测量的基准方位和日照时间的方位，必须使用磁针罗盘仪进行天体观测。然而，磁针罗盘仪的精度有限，在天体观测中还要受到确保通视、天气、场所和时间等观测条件的影响。为了解决这些问题，可采用利用了力学原理求得真北的陀螺经纬仪。陀螺经纬仪在隧道测量以及由于不能和已知点通视而无法确定方位、方向角的情况下都能发挥很大的作用。
 
（图1：陀螺工作站）
1、陀螺工作站的原理
高速旋转的物体的旋转轴，对于改变其方向的外力作用有趋向于铅直方向的倾向。而且，旋转物体在横向倾斜时，重力会向增加倾斜的方向作用，而轴则向垂直方向运动，就产生了摇头的运动（岁差运动）。当陀螺经纬仪的陀螺旋转轴以水平轴旋转时，由于地球的旋转而受到铅直方向旋转力，陀螺的旋转体向水平面内的子午线方向产生岁差运动。当轴平行于子午线而静止时可加以应用。

2、陀螺工作站的构造
 
（图4：陀螺经纬仪的构造 0点调整螺丝， 吊线，照明灯，陀螺转子、指针、供电用馈线、反射镜、陀螺马达、刻度线、目镜）。
陀螺经纬仪的陀螺装置由陀螺部分和电源部分组成。此陀螺装置与全站仪结合而成。陀螺本体在装置内用丝线吊起使旋转轴处于水平。当陀螺旋转时，由于地球的自转，旋转轴在水平面内以真北为中心产生缓慢的岁差运动。旋转轴的方向由装置外的目镜可以进行观测，陀螺指针的振动中心方向指向真北。利用陀螺经纬仪的真北测定方法有“追尾测定”和“时间测定”等。
追尾测定[反转法]
利用全站仪的水平微动螺丝对陀螺经纬仪显示岁差运动的刻度盘进行追尾。在震动方向反转的点上（此时运动停止）读取水平角。如此继续测定之，求得其平均震动的中心角。用此方法进行20分钟的观测可以求得+/-0。5分的真北方向。
时间测定[通过法]
用追尾测定观测真北方向后，陀螺经纬仪指向了真北方向，其指针由于岁差运动而左右摆动。用全站仪的水平微动螺丝对指针的摆动进行追尾，当指针通过0点时反复记录水平角，可以提高时间测定的精度，并以+/-20秒的精度求得真北方向。
 
（图2： 摇头运动）

 
（图3：向子午线的岁差运动）

 
（图5：指针与刻度盘   刻度线/0点/指针）
3、 陀螺全站仪的应用实例
3.1 隧道中心线测量
在隧道等挖掘工程中，坑内的中心线测量一般采用难以保证精度的长距离导线。特别是进行盾构挖掘（shield tunnel）的情况，从立坑的短基准中心线出发必须有很高的测角精度和移站精度，测量中还要经常进行地面和地下的对应检查，以确保测量的精度。特别是在密集的城市地区，不可能进行过多的检测作业而遇到困难。如果使用陀螺经纬仪可以得到绝对高精度的方位基准，而且可减少耗费很高的检测作业（检查点最少），是一种效率很高的中心线测量方法。
 
（图6：盾构挖掘的中心线测量  陀螺工作站/真北/检查点/立坑/陀螺工作站）
3.2 通视障碍时的方向角获取
当有通视障碍，不能从已知点取得方向角时，可以采用天文测量或陀螺经纬仪测量的方法获取方向角（根据建设省测量规范）。与天文测量比较，陀螺经纬仪测量的方法有很多优越性：对天气的依赖少、云的多少无关、无须复杂的天文计算、在现场可以得到任意测线的方向角而容易计算闭合差。
 
（图7：通视障碍时的方向角获取   已知点）
3.3 日影计算所需的真北测定
在城市或近郊地区对高层建筑有日照或日影条件的高度限制。在建筑申请时，要附加日影图。此日影图是指，在冬至的真太阳时的8点到16点为基准，进行为了计算、图面绘制所需要的高精度真北方向测定。使用陀螺经纬仪测量可以获得不受天气、时间影响的真北测量。
 
陀螺仪漂移测试的伺服法研究
                          
摘  要
               
众所周知，惯性导航系统对陀螺仪精度的要求是很高的。陀螺仪漂移是惯性导航系统产生误差的重要的因素。因此，尽量降低陀螺仪的漂移率是进一步提高惯性导航系统精度的重要途径。显然，基于这样的理由对陀螺仪漂移的性质、变化规律做更深入一步的了解和研究是非常必要的。因为这样可以为如何进一步减小陀螺仪的漂移率提供一定的线索，为采取更有针对性的技术措施提供比较明确的方向。本设计是结合某厂陀螺仪测试系统研制，需研究和编写伺服法陀螺测试程序。
设计中的主要内容有：陀螺漂移数学模型的建立；谐波分析法数据处理研究；伺服法测试陀螺原理；编成实现伺服测试的解算程序，显示界面（测试数据，解算结果）
关键词：惯性导航系统；陀螺；漂移   
             ABSTRACT
As all as we know, to the accuracy of gyroscope ,the inertia navigation system
requests very strictful. The drift of gyroscope is the important factor which affacts
the accuracy of gyroscope.So cutting down the rate of the drift of gyroscope as low as possible is the important methord of improving accuracy of gyroscope. Obviously,with this reason,it’s very important to understand and study the character and regular of the drift of gyroscope. Because doing this can supply a
clue for how to reduce the rate of the drift of gyroscope and supply explicit direction for use good measue .The thesis is to combine the manufactory of gyroscope of one factory with study and make down the programming of the test
of gyroscope .
    The thesis contains four partments:the foundion of the matrix of the drift of gyroscope ;the study of the methord of the wave of simple harmonic motion for dealing with the data;the principle of {sifu} to test the gyroscope ;makeing up the
progame to bring about text.
Key words: the inertia navigation system ; gyroscope ; drift 
目    录
第1章  绪论 1
1.1 惯性导航系统概述 1
1.2 陀螺仪测试目的 3
1.3陀螺仪测试分类 3
1.4陀螺仪测试的重要意义 4
1.5 本章小结 5
第2章  陀螺仪的基本原理 6
2.1陀螺仪的基本概念 6
2.2陀螺仪的基本分类 7
2.3陀螺仪的基本性质 9
2.4 本章小结 11
第3章  陀螺仪的漂移 12
3.1 陀螺仪漂移的定义 12
3.2陀螺仪漂移的分类 12
3.3挠性陀螺仪的漂移 14
3.4陀螺仪的精度 14
3.5陀螺仪漂移模型 15
3.6 本章小结 16
第4章  谐波分析法处理数据研究 17
4.1谐波分析法数据处理研究原理 17
4.2本章小结 21
第5章  伺服法测试陀螺原理  22
5.1本章小结 22
5.2伺服法测试陀螺原理 23
5.3单自由度液浮积分陀螺仪的单轴伺服试验 25
5.4本章小结 29
第6章  伺服测试解算程序的软件实现 30
6.1陀螺仪测量漂移数据原理软件介绍 30
6.1.1 VISUAL BASIC简介 30
6.1.2 VB常用语句 33
6.1.3 VB读取数据文件的相关语句 36
 6.2陀螺测试试验数据采集 37
 6.3伺服测试解算软件介绍 38
 6.4伺服测试解算软件运行结果 43
 6.5本章小结 44
结    论 45
参考文献 46
致    谢 47
                          第1章       绪  论           
1.1 惯性导航系统概述
“导航”是正确的引导航行体沿着预定的航线在规定的时间内到达目的地。为了完成这个任务，需要随时知道航行体的瞬时地理位置、航行速度、航行体的姿态航向等参数。这些参数，通常称作导航参数。在舰船、飞机、导弹、宇宙飞行器等各种航行体上，导航系统已作为保证航行任务完成所不可缺少的重要装备。
“惯性导航”是利用惯性元件即陀螺和加速度计来实现导航的一种自主式的导航方法。为了判断航行体与其目标的相对位置，惯性导航系统用加速度表精确测量航行体的加速度信息，然后送至数字计算机，依赖于数学积分技术进行计算，得出速度 和位置等导航数据。它与外界不发生任何光、电联系，隐蔽性好，不怕干扰，因此惯性导航技术得到了迅速和广泛的应用。
惯性导航系统通常是由加速度计、稳定平台和计算机组成。它分为平台式惯性导航系统和捷联式惯性导航系统。它们的原理方框图如下所示。作为一个自主的空间基准保持系统，从原理上来讲，它应有以下两个分系统所组成。
（1）表示当地位置地垂线方向的分系统。
用加速度计测量。它是通过测定航行体所在地方的重力方向，在对重力偏差角进行修正，以获取大地参考椭球体上该点的位置。
（2）保持惯性空间基准的分系统。
用陀螺仪测量地球自转方向。它是通过指示地球自转轴的方向，来确定地心惯性坐标系。
 
               图1-1  平台是惯性导航系统原理图
在平台式惯性导航系统中，加速度计被放置在陀螺稳定平台上，要求加速度计的测量方向始终保持不变，只有这样，计算机计算出来的结果才准确无误。如果放置加速度计的基座即陀螺稳定平台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就有了相应的变化，这时测量结果也就不准确了；而陀螺稳定平台中的陀螺仪，如果有了漂移，那么陀螺稳定平台也就跟着漂移，因此说平台的精度是*陀螺仪的精度来保证的，即陀螺仪是惯性导航系统的心脏。
 
图1-2  捷联式惯性导航系统原理方框图
1.2 陀螺仪测试的目的
陀螺仪测试的基本目的，是要确定陀螺仪在系统中使用的时间内连续工作、下沉工作的性能。同时陀螺仪对使用环境和工作条件变化的反应。
在研究和设计陀螺仪的过程中，我闪需队试制的样品进行详细的试验，以便发现问题；就是对于定型的产品，也需要进行严格的试验，定量地找出各种误差的数值，并采取行之有效当的补偿方法，来消除有规律地误差，所以试验过程实际上也是调试过程，一般所引用的陀螺仪的性能参数，指的是经过调试补偿之后的实际试验数据。而通常提到的陀螺仪的漂移率，是指没有规律或无法补偿的随机漂移率。
陀螺仪的种类繁多，不可能有统一的试验规范。但对陀螺仪进行试验的目的可归纳为：
（1）检验装配工艺过程（通常称为验收试验）；
（2）验证设计参数（通常称为技术鉴定试验）；
（3）导出陀螺仪误差模型方程式；
（4）确定达不到预期效果的原因（通常称为诊断试验）；
（5）提出新的试验技术。
1.3 陀螺仪测试的分类
陀螺仪的性能试验一般包括三个主要方面：漂移试验、静态试验和动态试验。
随着陀螺仪的类型以及它在系统中功用的不同，需要造反不同的试验方法，并在适当的环境条件下，进行这些性能试验。能模拟陀螺仪使用的实际环境条件来鉴定陀螺仪的技术性能和质量指标是比较理想的，可是一方面要求我们必须尽了解陀螺仪在实际工作中将要承受的电气、机械、热、  性、振动、线加速度以及其它等等情况。必须在规定的环境下对陀螺仪的性能进行周密的测量。另一方面我们也深知要使陀螺仪同时承受几种环境条件是相当困难的。
另一种试验方式是对某种特定类型的陀螺仪，通过大量的实验，已经得到了能够描述它在比较广泛的实验条件下工作性能的误差数学模型，这时只需在实验室条件下确定出这一数学模型中的未知参数，则陀螺仪在相应环境条件下的性能便可预测出来，这就无需再在特定环境条件下进行试验了。在一个g的实验室条件下，根据试验方法的不同可分为力反馈试验、翻滚试验以及转台伺服试验等。这里的讨论侧重于陀螺仪的漂移试验。
1.4  陀螺仪测试的重要意义
陀螺仪是飞机、导弹、舰船等航行体的控制系统及惯性导航系统不可缺少的重要元件。随着航海、航空和宇宙航行事业的发展，对运载体的控制和导航的重要误差原，所以，对陀螺仪的精度要求越来越严。
陀螺仪的漂移是由于作用于陀螺仪上的干扰力矩所引起的。在陀螺仪中造成干扰民办科技矩的因素相当复杂，诸如框架轴上支撑的摩擦、机构组件的不平衡以及结构的非线形等，为了降低陀螺仪的漂移率，应尽量减少这些干扰力矩的数值，但是在一定的技术水平和条件下，挖掘这方面的潜力也是有一定限度的。
这要求我闪必须对正在研制和已经定型生产的陀螺仪进行周密的测试，找出陀螺仪漂移的规律，为进行误差补偿提供可*的实验数据。可见，陀螺测试这项工作是非常重要的。这不但可用以准确地评价陀螺仪的质量和性能，而且对陀螺仪进行了误差补偿之后事，即可提高精度，又可避免一些高难度的加工制造过程，从而也可以得到一定的经济效益。
1.5 本章小结
   本章主要介绍设计中涉及到的惯性导航系统和陀螺仪测试的一些基础知识，包括：惯性导航系统的概述；陀螺测试的目的；陀螺仪测试的分类；陀螺仪测试的重要意义。尽管设计的主要内容是软件，但是了解相关基础知识也是必要的。

 

 

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