机载电子设备-第四章_陀螺仪_姿态和航向测量2.
飞机陀螺仪原理
飞机陀螺仪原理
飞机陀螺仪是一种用于测量和保持飞机姿态的重要仪器。
其原理基于刚体力学和陀螺效应。
陀螺效应是指当旋转体受到外力作用时，会产生垂直于转动轴的力的现象。
飞机陀螺仪利用这一效应来测量和维持飞机的方向和角度。
飞机陀螺仪通常由陀螺仪旋转部分和感应部分组成。
旋转部分是一个高速旋转的陀螺，其转动轴与飞机的纵轴平行。
感应部分则通过与陀螺相连的机械装置将陀螺的旋转转化为指示仪上的角度。
当飞机发生姿态变化时，陀螺会受到力的影响而产生陀螺效应。
这会使得陀螺的旋转轴发生偏离，进而改变感应部分的位置。
感应部分则会将这个位置的变化转化为指示仪上的角度变化，从而显示飞机的姿态。
飞机陀螺仪的工作原理是基于惯性导航的概念。
陀螺仪不受外部力的影响，只受到飞机的姿态变化所产生的力的作用。
因此，它具有较高的精度和可靠性。
总的来说，飞机陀螺仪的原理是利用陀螺效应来测量和维持飞机的姿态。
通过感应部分将陀螺旋转的角度转化为指示仪上的角度变化，飞行员可以准确地了解飞机的姿态情况，从而做出相应的操作。
航空陀螺仪
航空陀螺仪一、陀螺仪的基本知识陀螺玩具旋转时,能够直立在地上;而且转得愈快,立得也愈稳;即使给它一个冲击,也只是晃动而不会倒下。
陀螺的这种特性可以被利用来做成仪表用来测量飞机的姿态角、航向角和角速度。
航空陀螺仪表中的陀螺仪,是把绕自转轴(又叫转子轴)高速旋转的转子用框架支撑起来,使转子绕垂直于自转轴方向可以自由转动的这样一种装置。
图8.1表示的是,转子安装在内环和外环这两个框架中,转子可绕自转轴高速旋转,转子同内环可绕内环轴转动,转子同内环和外环还可绕外环轴转动这样支承起来的转子可以绕着垂直于自转轴的两根轴转动,这种装置称为三自由度陀螺仪。
若转子仅安装于内环中这样支承起来的转子只能绕着垂直于自转轴的一根轴转动这种装置称为二自由度陀螺仪。
三自由度陀螺仪的基本特性之一是稳定性(又叫定轴性)。
当转子高速旋转时,因具有很大的惯性,自转轴能够保持原来的方向稳定;无论基座怎样转动,自转轴所稳定的方向都将保持不变;同使受到冲击作用,自转轴也仅在原来的方位附近作一种高频微幅的振荡运动。
陀螺仪具有抵抗干扰作用而力图保持自转轴方向稳定的特性叫做螺仪的稳定性。
陀螺仪的又一基本特性是进动性。
当转子高速旋转时,若外力矩绕外环轴作用,陀螺仪将绕内环轴转动；若外力矩绕内环轴作用,陀螺仪将绕外环轴转动。
陀螺仪转动角速度方向与外力矩作用方向互相垂直的特性,叫做陀螺仪的进动性。
进动角速度的方向取决于转子动量矩H的方向(与转子自转角速度矢量的方向一致)和外力矩M的方向,可用右手定则确定。
进动角速度的大小取决于转子动量矩H的大小和外力矩M的大小,其计算式为 =M/H。
如果这种进动由陀螺仪中的干扰力矩引起,则叫做漂移,漂移角速度即漂移率是衡量各种陀螺仪表精度的最重要的指标。
至于二自由度陀螺仪的特性，就与三自由度陀螺仪不同。
二自由度陀螺仪少了垂直于内环轴和自转轴方向的转动自由度。
这样，当基座绕着这个缺少自由度的轴线转动时,通过内环轴上一对轴承的推动,就强迫陀螺仪跟随基座转动;与此同时,基座作用于内环两端轴承上的推力形成了推力矩将强迫陀螺绕内环轴进动，使自转轴趋于基座转动角速度的方向重合。
北京航空航天大学航空航天概论课件第四章 机载设备
3、测距差无线电导航 为飞行器提供经纬度位置。 甚低频，10KHz~14KHz，作用距离约1000Km以上。
C
A
B
4.2.2 惯性导航系统 惯性导航是通过安装在飞行器上的加速度计测量 飞行器的加速度经运算处理而获得飞行器当时的速度 和位置的方法进行导航的。 由于不依赖外界信息，所以是完全自主导航。 完全自主导航 由于测量误差随时间积累，要求制造精度高，或 加其它方法修正。 平台式惯导： X，Y 两个加速度计安装在陀螺平台上。 优点是陀螺平台不受飞机姿态的影响。 捷联式惯导：在飞机不同部位上安装多个加速度计， 测量轴与机体轴一致，对测量的参数进 行姿态修正后经计算得出导航参数。
（1） 仪表着陆系统
下滑信标 组成下滑面
跑道 航向信标组成航向面
航向信标：与跑道中心线相垂直的无线电方向航道信号 下滑信标：与跑道成 一定仰角的无线电下滑航道信号 指点信标：提供至跑道端头距离的地标位置信号
航向台
跑道
90Hz
150Hz
外指点信标
中指点信标
内指点信标
1公里 6.44--11.27公里
2. 微波着陆系统 以很窄的薄片形波束在一定范围内来回扫描， 飞机通过两次收到信号的时间间隔计算出自己的方 位和仰角。 航向扫描 俯仰扫描
4.4
其它机载设备
4.4.1 雷达设备 通过天线发射无线电波并接收被测物体的回波来 确定标的位置和速度。 合成孔径雷达和相控阵雷达。
B
C
D
A
4.4.3 防护和救生系统 1、座舱环境控制系统 座舱通风，温度、气压、氧气含量等控制 2、飞行员个体防护系统 个体防护包括：飞行服、抗过载服、氧气面罩 头盔等设备。
4.2.3 卫星导航系统 美国卫星全球定位系统GPS 俄罗斯全球导航卫星网Glonass 欧洲空间局“伽利略”导航卫星系统 中国“北斗”导航定位卫星系统 以GPS为例： 1、组成：地面站、卫星系统和飞行器上的接收机。 2、导航原理 从原理看，卫星向地面发射的信息有卫星位置、 时钟、发射信息的时刻等高频信息。 工作频率2200~2300MHz，覆盖全球。
陀螺仪在飞机上的应用原理
陀螺仪在飞机上的应用原理1. 介绍陀螺仪是一种用于测量和检测角速度和角位移的传感器，广泛应用于航空航天领域。
在飞机上，陀螺仪可以提供重要的飞行数据，帮助飞行员实时掌握飞机的姿态和导航信息。
本文将介绍陀螺仪在飞机上的应用原理。
2. 基本原理陀螺仪利用陀螺效应来测量飞机的角速度。
陀螺效应是指在陀螺仪内部旋转的陀螺转子受到外部力矩作用时，由于牛顿第一定律的作用，陀螺的自转轴会产生一个与外力垂直的力矩，从而使陀螺绕着某一个固定的轴旋转。
通过测量陀螺旋转的速度和方向，可以得到飞机的角速度。
3. 陀螺仪的构造陀螺仪主要由陀螺转子、测量装置和电子信号处理器组成。
陀螺转子通常由高速旋转的转盘和陀螺稳定器构成，转子可以在一个或多个轴上旋转。
测量装置使用光电、电阻或电容传感器来测量陀螺的旋转速度和方向，并将测量结果发送给电子信号处理器。
电子信号处理器对传感器数据进行处理和分析，并输出飞机的角速度和姿态信息。
4. 陀螺仪的应用在飞机上，陀螺仪的应用非常广泛，包括以下几个方面：4.1 飞行导航陀螺仪可以被用来测量和跟踪飞机的姿态、转向和倾斜角度，以提供准确的飞行导航信息。
飞行员可以通过陀螺仪得到飞机的倾斜、俯仰和转向等实时数据，从而有效地掌握飞行状态和调整飞行姿态。
4.2 自动驾驶系统陀螺仪是自动驾驶系统中的重要组成部分。
通过与其他传感器和导航系统的配合，陀螺仪可以提供稳定和准确的飞行导航信息，使得自动驾驶系统可以实现自主飞行和导航。
4.3 飞机稳定性控制陀螺仪可以帮助飞行员保持飞机的稳定性并减小姿态变化。
通过实时监测飞机的姿态和角速度，陀螺仪可以提供稳定器和自动控制系统所需的数据，使得飞机可以自动调整姿态并保持平稳飞行。
4.4 航向和姿态指示器陀螺仪还可用于制作航向指示器和姿态指示器，帮助飞行员直观地了解飞机的航向和姿态。
航向指示器通常使用水平旋转陀螺仪，而姿态指示器则使用三轴陀螺仪，使得飞行员可以准确地了解飞机的水平和垂直姿态。
第二章测量飞机姿态的仪表
（2） 进动方向
角动量矢量（自转角速度矢量）沿最短途径转向外力矩 矢量的方向。
进动角速度的大小:ω=M/H
进动角速度的大小:ω=M/Hcosθ （自转轴与外框轴不垂直时）
（3） 影响进动性的因素（四要稳定性
（1）定义：两自由度陀螺具有抵抗干扰力矩，力图保 持其自转轴相对惯性空间方位稳定的特性，称为陀螺的 稳定性。
认读规律：
兰色上仰
棕色下俯
正字正飞
倒字倒飞
（二）坡度（γ）：坡度刻度盘中间有“△”指标，左、右 每隔15o刻一刻度，每30o刻一数字，最大 刻度90o
正飞时： 子午线 倒飞时： 子午线
认读规律：
—右左— 指 —右左— 坡度
—右— 指
左 —— 坡度
左
右
认读
上蓝下褐要记清， 机轮上下判倒正, 坡度认读看翼尖, 俯仰九十不稳定。
——转子、内框、外框和基座 陀螺支点:三轴轴线相交于一点。成为陀螺支点。内框与外框组 成的支架一万象支架。
3. 刚体转子陀螺的分类
• 根据自转轴具有的自由度：两自由度陀螺、单自由度陀螺 • 根据动力：电动、气动
4.陀螺的特性 （一）两自由度陀螺的特性
*进动性 *稳定性
1.进动性 （1） 进动性的定义： 当陀螺高速旋转受到外力矩作用时，两自由度陀螺转 动方向（指角速度矢量方向）与外力矩作用方向相互垂直 的特性，称为两自由度陀螺的进动性
三角指标与调整钮联动。转动调整钮使三角指标对准倾斜刻度盘的零点。
认读特点例
俯仰5° 机头向上
俯仰5° 机头向下
10º 20º
地平仪
Bank Scale
倾斜刻度
30º
60º
Attitude Indicator 地平仪
机载电子设备-第四章_陀螺仪 姿态和航向测量2
33
19
转弯角速度 矢量 自转角速度 矢量
进动方向
转弯仪的原理
20
3.2 转弯仪(3)
转弯停止后，陀螺力矩消失，内框在平衡 弹簧作用下回到初始位置。 飞机右转弯时，内框逆时针进动，带动指 针偏向右，表示飞机正在右转弯。
反映飞机转弯的快慢程度 飞机转弯角速度越大，引起陀螺的进动力 矩越大，因此内框转角和指针的偏转角越 大。
14
3.1 航空地平仪(9)
当陀螺自转轴稳定在地垂线位置，液体摆 感受的地垂信号使转换器不产生力矩，陀 螺不受外力矩作用，自转轴稳定不动。 陀螺与摆修正作用密切配合，保证陀螺自 转轴稳定在当地的地垂线方向。
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地平仪的指示 (Attitude /Horizon Indicator)
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3.2 转弯仪(1)
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4.1 陀螺半罗盘(1)
陀螺半罗盘，又称陀螺方位仪(Directional Gyro)，是利用二自由度陀螺定轴性工作的 仪表。它能测量出飞机沿纵轴转过的角度， 经过校正，可以指示飞机的航向。 由于这种仪表不能独立测量航向（陀螺自 转轴不能自动跟踪经线），所以称为半罗 盘。
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4.1 陀螺半罗盘(2)
7
陀螺自转轴 偏离地垂线
8
3.1 航空地平仪(4)
重力摆：对重力方向敏感，其摆线指示即 为地垂线方向。 地平仪的基本原理：利用陀螺定轴性建立 稳定的人工地垂线，利用重力摆的地垂线 修正陀螺自转轴指向，从而根据飞机轴线 和地垂线的关系测量飞机的俯仰角和倾斜 角。
9
3.1 航空地平仪(5)
通常将二自由度陀螺的外框轴平行于飞机 纵轴安装。 地平仪的测量原理
5
3.1 航空地平仪(2)
由于二自由度陀螺自转轴具有很高的方向 稳定性，不受飞机机体（支架）运动的影 响。将二自由度陀螺的自转轴调整到地垂 线方向。当飞机机动飞行时，自转轴能不 受干扰，精确地指示地垂线。 二自由度陀螺的自转轴相对惯性空间保持 稳定，将其自转轴做地垂线基准存在两个 问题：
陀螺仪的工作原理及应用
陀螺仪的工作原理及应用1. 什么是陀螺仪？陀螺仪是一种测量和维持方向的装置。
它基于陀螺效应，通过测量旋转物体的角速度来确定方向。
陀螺仪通常由一个旋转的转子、感应器和电子处理器组成。
2. 陀螺仪的工作原理陀螺仪的工作原理基于陀螺效应。
陀螺效应是指当一个旋转物体受到作用力时，其轴会发生偏离，进而产生力矩来抵消外力。
陀螺仪利用这个原理来测量和维持方向。
具体而言，陀螺仪中的转子通过旋转产生角动量，并保持旋转轴不受外界力矩影响。
当陀螺仪发生旋转时，由于陀螺效应的作用，转子的旋转轴会发生偏移。
感应器会测量这个偏移量，并将其转化为电信号。
电子处理器会接收这些信号，并计算出陀螺仪的角速度和方向。
3. 陀螺仪的应用陀螺仪广泛应用于许多领域，包括但不限于以下几个方面：3.1 航空航天领域在航空航天领域，陀螺仪用于导航和姿态控制。
陀螺仪可以测量飞行器绕各个轴旋转的角速度和方向，并帮助飞行器保持稳定和正确的姿态。
3.2 汽车行业在汽车行业，陀螺仪可以用于车辆的导航和行为控制系统。
例如，陀螺仪可以测量车辆的转向角速度和方向，从而帮助车辆实时掌握方向信息，并提供更准确的导航和驾驶辅助功能。
3.3 智能手机和平板电脑陀螺仪还广泛应用于智能手机和平板电脑中。
这些设备中的陀螺仪可以感知设备的姿态和运动，并根据这些信息进行屏幕旋转、游戏姿态控制和虚拟现实等功能。
3.4 机器人技术在机器人技术中，陀螺仪被用作导航和姿态控制的重要组成部分。
陀螺仪可以帮助机器人定位、姿态控制和避障等关键任务。
3.5 其他领域此外，陀螺仪还被应用于激光测量、医疗设备、船舶导航等多个领域。
4. 陀螺仪的发展趋势随着技术的不断创新和发展，陀螺仪也在不断改进和进化。
目前的陀螺仪已经越来越小型化、精确化和高性能化。
未来，预计陀螺仪将会更小、更精确、更可靠，并且应用范围将会进一步扩大。
结论陀螺仪作为一种测量和维持方向的装置，基于陀螺效应工作，可广泛应用于航空航天、汽车行业、智能手机和平板电脑、机器人技术等多个领域。
基于陀螺仪及加速度计信号融合的姿态角度测量
基于陀螺仪及加速度计信号融合的姿态角度测量一、概述随着现代科技的快速发展，姿态角度测量在航空、航天、机器人、无人驾驶等领域的应用越来越广泛。
为了提高姿态角度测量的准确性和稳定性，研究人员不断探索新的测量方法和技术。
基于陀螺仪及加速度计信号融合的姿态角度测量技术因其具有高精度、高稳定性、实时性强等优点而备受关注。
陀螺仪和加速度计是两种常用的惯性传感器，它们分别能够测量物体的角速度和加速度。
陀螺仪通过测量物体绕三个轴的角速度，积分后可以得到物体的姿态角度而加速度计则通过测量物体在三个轴上的加速度，结合一定的算法可以得到物体的姿态角度。
由于传感器自身的误差、噪声干扰以及环境因素的影响，单独使用陀螺仪或加速度计进行姿态角度测量往往难以达到理想的精度和稳定性。
研究人员提出了基于陀螺仪及加速度计信号融合的姿态角度测量方法。
该方法通过对陀螺仪和加速度计的信号进行融合处理，可以有效地减小传感器误差和噪声干扰，提高姿态角度测量的准确性和稳定性。
同时，该方法还可以结合其他传感器信息进行融合，进一步提高姿态角度测量的精度和可靠性。
本文将对基于陀螺仪及加速度计信号融合的姿态角度测量技术进行深入探讨，介绍其原理、方法、应用及优缺点等方面，以期为该领域的研究和应用提供参考和借鉴。
1. 姿态角度测量的重要性和应用场景姿态角度测量是现代工程技术和日常生活中不可或缺的一项技术。
它涉及到物体在空间中的方向、位置和姿态的确定，对于许多领域如航空航天、机器人技术、导航定位、运动分析、医疗诊断以及虚拟现实等都有着重要的应用。
随着科技的进步和智能化的发展，姿态角度测量的准确性和实时性要求也越来越高。
在航空航天领域，姿态角度测量是卫星、火箭和飞行器等航天器导航和控制的关键技术。
通过准确测量航天器的姿态角，可以确保航天器按照预定的轨道和姿态进行飞行，实现精确的导航、定位和任务执行。
在机器人技术领域，姿态角度测量是实现机器人运动控制和自主导航的基础。
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2012 . 11
主要内容
概论 二自由度陀螺仪 单自由度陀螺仪 陀螺仪在飞机姿态测量中的应用 陀螺仪在飞机航向测量中的应用
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3. 陀螺仪在飞机姿态测量中的应用
飞机姿态测量主要指飞机姿态角和姿态角速 度的测量。 航空地平仪 转弯(侧滑)仪 姿态系统
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3.1 航空地平仪(2)
由于三自由度陀螺自转轴具有很高的方向 稳定性，不受飞机机体（支架）运动的影 响。将三自由度陀螺的自转轴调整到地垂 线方向。当飞机机动飞行时，自转轴能不 受干扰，精确地指示地垂线。 三自由度陀螺的自转轴相对惯性空间保持 稳定，将其自转轴做地垂线基准存在两个 问题： 由于地球自转，地来自线相对惯性空间的方 向不断改变；
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转弯仪的基本组成
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3.2 转弯仪(2)
测量原理
飞机直线飞行时，内框在平衡弹簧作用下， 稳定在初始位置，指针指在刻度盘中央， 表示飞机没有转弯； 飞机以一定角速度向左转弯时，转弯角速 度矢量向上。由于自转角速度矢量指向左 机翼，所以内框顺时针进动，直到引起进 动力矩（陀螺力矩）与平衡弹簧的反作用 力矩相等。内框的转角通过传动机构传给 指针，指针偏向左，表示飞机正在左转弯
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3.1 航空地平仪(9)
当陀螺自转轴稳定在地垂线位置，液体摆 感受的地垂信号使转换器不产生力矩，陀 螺不受外力矩作用，自转轴稳定不动。 陀螺与摆修正作用密切配合，保证陀螺自 转轴稳定在当地的地垂线方向。
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地垂修正器工作原理
通过水平修正仪控制纵向、横向修正机构中控制电 路的电流分配比例，产生修正力矩。 有直读式、远读式地平仪之分。 摆和陀螺通过机械传动机构直接带动刻度盘或小飞 机标志的地平仪称直读式地平仪。远读式通过装在 陀螺仪上的传感元件输出飞机姿态信号，由远距传 输系统送到地平指示器进行显示。 歼击机如果用直读式地平仪，在飞机爬升时，飞机 标志移到地平线下方，俯冲时则相反，不符合直观 感觉，远读式地平仪则能克服这一缺点。
3.1 航空地平仪(8)
地垂修正器
修正器的敏感元件是液体摆，装在陀螺内 框上。液体摆由前后摆和左右摆两个自由 度。无论飞机俯仰或倾斜，摆都能测出地 垂线方向。 当陀螺自转轴偏离地垂线位置，液体摆垂 线与陀螺垂线就不重合。这个偏差通过转 换器产生一个电信号给执行元件，转变成 力矩作用于陀螺，使陀螺自转轴进动，直 到陀螺垂线与摆垂线重合。
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陀螺自转轴 偏离地垂线
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3.1 航空地平仪(4)
重力摆：对重力方向敏感，其摆线指示即 为地垂线方向。 地平仪的基本原理：利用陀螺定轴性建立 稳定的人工地垂线，利用重力摆的地垂线 修正陀螺自转轴指向，从而根据飞机轴线 和地垂线的关系测量飞机的俯仰角和倾斜 角。
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3.1 航空地平仪(5)
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图3-2-2 自转轴横向安装转弯仪内框转角
控制机构
地平仪的基本组成
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单摆可以测出地垂线，但不稳定；而三自由度陀螺 具有较好的稳定性，它的自转轴不受基座运动的影响。 但不能自动寻找地垂线，如何将两者有机结合成为主要 问题。 地平仪的基本原理就是：利用摆来测量地垂线，用 三自由度陀螺来稳定摆所测出的地垂线。
摆式地垂修正器 三自由度陀螺 指示部分
飞机倾斜时，表壳跟随机体一起转动，而 外框绕外框轴保持稳定，表壳绕外框轴转 过的角度等于飞机绕横轴转动的角度，即 飞机的倾斜角，因而外框轴成为倾斜角的 测量轴。
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3.1 航空地平仪(7)
地平仪的基本组成：三自由度陀螺、地垂 修正器、指示机构和控制机构。
摆式地垂修正器 三自由度陀螺 指示部分
地垂修正器工作原理
地平仪的指示 (Attitude /Horizon Indicator)
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3.2 转弯仪(1)
用于指示飞机转弯（或盘旋）的方向，并 粗略放映飞机转弯的快慢程度。 转弯仪的基本原理：利用二自由度陀螺的 进动性。 转弯仪的基本组成：二自由度陀螺、平衡 弹簧、空气阻尼器和指示机构。
通常将三自由度陀螺的外框轴平行于飞机 纵轴安装。 地平仪的测量原理
飞机俯仰时，支架 (即表壳)和外框随机体 一起转动，而内框轴保持稳定，外框绕内 框轴转过的角度等于飞机绕纵轴转动的角 度，即飞机的俯仰角，因而内框轴成为俯 仰角的测量轴。
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内框轴
外框轴
外框
表壳
陀螺地平仪的测量原理
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3.1 航空地平仪(6)
6
3.1 航空地平仪(3)
由于飞机相对地球运动，地球上不同地点 的地垂线相对惯性空间的方向不同。
表观运动（Apparent Motion） 由于陀螺自转轴相对惯性空间保持不变， 而地球以其自转角速度绕极轴相对惯性空 间转动，若以地球作为参考基准，观察者 将观察到陀螺自转轴相对地球转动，这种 相对运动称为陀螺仪表观运动。
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转弯角速度 矢量 自转角速度 矢量
进动方向
转弯仪的原理
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3.2 转弯仪(3)
转弯停止后，陀螺力矩消失，内框在平衡 弹簧作用下回到初始位置。 飞机右转弯时，内框逆时针进动，带动指 针偏向右，表示飞机正在右转弯。
反映飞机转弯的快慢程度 飞机转弯角速度越大，引起陀螺的进动力 矩越大，因此内框转角和指针的偏转角越 大。
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3.1 航空地平仪(1)
飞机的俯仰角和倾斜角，反映了飞机与地 平面的相对角位置关系。而地平面与地垂 线是相互垂直的。 地垂线：物体重心与地心的连线，也就是 物体受地心引力作用的方向线，它始终垂 直于地平面。 在飞机上确定了地垂线，即可测出飞机相 对于地平面的俯仰角和倾斜角。
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根据地垂线测量飞机的俯仰角和倾斜角
控制机构
姿态角的测量
地平仪采用了摆和陀螺联合工 作的方法，即用摆的位置控制陀螺 的自转轴位置。用陀螺自转轴模拟 出地垂线。
姿态角的测量
当陀螺的自转轴偏离地垂线位置 时，产生一个与摆的偏差，将使修正 器产生一信号带动执行机构使陀螺自 转轴进动，直至陀螺垂线与摆垂线重 合。当陀螺自转轴稳定在地垂线位置 时，修正机构不会产生力矩，陀螺不 会受外力矩作用，自转轴稳定不动。