陀螺及惯性技术
2024-微机械陀螺简述,微惯性技术
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1.2 微机械陀螺特点
MEMS陀螺仪是利用 coriolis 定理，将旋转物体的角速度转换成 和角速度成正比的直流电压信号，其核心部件通过掺杂技术、光刻技 术、腐蚀技术、LIGA技术、封装技术等批量生产的，它主要特点是
振动平板结构 振动梁结构 振动音叉结构 加速度计振动结构
振动平板结构 振动梁结构 振动音叉结构
按加工方式
体微机械加工 表征微机械加工 LIGA(光刻、电铸和注塑)
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1.3 微机械陀螺分类
按驱动方式
压电式 静电式 电磁式
微
机
按检测方式
压电检测 电容检测
械 陀
压阻式检测
螺
光学检测
分
隧道效应检测
类 闭环模式
4. 测量范围大，一些MEMS 陀螺仪测量范围可高达数千°/s
缺点： 目前，各种微机械陀螺的角速度测量精度相对较低，
漂移较大。
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1.3 微机械陀螺分类
按振动结构
微
机
械
陀
螺
分
按材料
类
旋转振动结构 线性振动结构
硅材料 非硅材料
振动盘结构陀螺 旋转盘结构陀螺
正交线振动结构 非正交线振动结构
单晶硅 多晶硅 石英 其它
速率陀螺
按工作模式
开环模式
速率积分陀螺
整角模式
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2、微机械陀螺根本原理
振动式微机械陀螺根本原理 柯氏加速度及柯氏力
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2.1 振动式微机械陀螺根本原理
陀螺定位原理
陀螺定位原理陀螺定位是一种利用陀螺仪测量角速度来确定位置和方向的技术。
它是一种基于惯性测量单元（IMU）的定位方法，通过测量物体的角速度和加速度，来计算物体的位置和方向。
陀螺仪是一种测量角速度的装置，它利用陀螺效应来测量物体的旋转。
陀螺仪内部有一个旋转的转子，当物体旋转时，转子会受到力的作用而发生位移，通过测量位移可以得到物体的角速度。
陀螺定位的原理是基于惯性导航的思想，即通过测量物体的加速度和角速度来推测物体的位置和方向。
在陀螺定位中，陀螺仪用于测量物体的角速度，加速度计用于测量物体的加速度。
通过对这两个参数的测量，可以得到物体的位置和方向。
具体来说，陀螺定位通过积分计算物体的速度和位移。
首先，通过加速度计测量物体的加速度，并将其积分得到速度。
然后，通过陀螺仪测量物体的角速度，并将其积分得到位移。
通过不断地对加速度和角速度进行积分计算，可以得到物体的位置和方向。
然而，陀螺定位存在一定的误差累积问题。
由于陀螺仪和加速度计都存在一定的噪声，而且积分过程会放大噪声的影响，导致位置和方向的估计误差会随着时间的增加而积累。
为了解决这个问题，通常会采用其他定位技术来辅助陀螺定位，比如全球定位系统（GPS）或视觉定位。
陀螺定位在航空、航天、导航和无人驾驶等领域有着广泛的应用。
它可以提供高精度的位置和方向信息，适用于各种复杂的环境和场景。
例如，在航空领域，陀螺定位可以用于飞机的导航和姿态控制；在无人驾驶领域，陀螺定位可以用于自动驾驶车辆的定位和导航。
陀螺定位是一种基于角速度测量的定位方法，通过测量物体的加速度和角速度，来计算物体的位置和方向。
虽然存在误差累积的问题，但它在航空、航天、导航和无人驾驶等领域有着广泛的应用前景。
通过不断地研究和改进，相信陀螺定位技术会越来越精确和可靠，为人类带来更多的便利和发展机遇。
陀螺原理的实际应用是什么
陀螺原理的实际应用是什么1. 陀螺原理简介陀螺原理是指在一定条件下，陀螺的旋转轴会保持稳定的方向，并且对外力具有一定的抗扰动能力。
陀螺是一种具有自转运动的刚体，在物理学和工程领域中有广泛的应用。
通过利用陀螺的稳定性和抗扰动能力，可以实现多种实际应用。
2. 陀螺原理的应用领域2.1 惯性导航系统陀螺原理在惯性导航系统中有着重要的应用。
惯性导航系统通过测量陀螺的旋转角速度和加速度，来确定运动物体的位置、速度和姿态等信息。
陀螺仪作为惯性导航系统的核心部件，具有高精度、高灵敏度和长寿命等优势，在航空航天、船舶导航、导弹制导等领域得到广泛应用。
2.2 陀螺仪稳定器陀螺原理还广泛应用于陀螺仪稳定器中。
陀螺仪稳定器利用陀螺的稳定性和抗扰动能力，能够对船舶、飞机等载体的姿态进行稳定控制，保持航向稳定，提高载体的稳定性和安全性。
2.3 陀螺指南针陀螺原理还可以应用于陀螺指南针中。
陀螺指南针通过利用陀螺的稳定性，可以精确测量地球自转的角速度，从而确定方向。
相比于传统的磁罗盘，陀螺指南针具有更高的精度和更强的抗扰动能力，适用于航海、航空等领域。
3. 陀螺原理应用的优势3.1 高精度由于陀螺具有高度稳定的自转轴，陀螺原理应用的设备可以实现高精度的测量和控制。
3.2 抗扰动能力强陀螺原理的应用设备能够抵抗外部干扰和震动，提高工作稳定性和可靠性。
3.3 长寿命陀螺原理应用的设备通常采用高质量材料，具有长寿命和良好的耐久性。
4. 陀螺原理的未来发展趋势随着科技的不断进步和应用需求的增加，陀螺原理在更多领域得到应用的前景非常广阔。
目前，陀螺技术正朝着更高精度、更小体积、更低功耗的方向发展，以满足不同应用场景的需求。
同时，也有研究人员致力于开发新型陀螺原理和应用方式，以拓展陀螺原理在更多领域的应用。
结论陀螺原理的实际应用包括惯性导航系统、陀螺仪稳定器和陀螺指南针等。
陀螺原理应用的设备具有高精度、抗扰动能力强和长寿命等优势。
未来，陀螺原理的发展趋势将朝着更高精度、更小体积、更低功耗的方向发展，同时也在探索更广泛的应用领域。
惯性技术课件2 --陀螺力学基础(哈工大版,1-16全)教材
x1 X
z1 Z
y1 Y cos Z sin
z1 Y sin Z cos
Z cos
或 x1 1
y1
0
0
cos
0 X
sin
Y
y1
Y cos
Z sin
Y
z1 0 sin cos Z
X x1
Y sin
Lecture 2 -- Mechanical Fundmentals
R
d~R dt
R
d~ 2 R dt 2
d~ R
dt
2 d~R
dt
( R)
Ar
Ae
相对 牵连切向
Ak
苛氏
Ane
牵连法向
Lecture 2 -- Mechanical Fundmentals
18
3.5*苛氏加速度: 示例
~
Ak
2
dR dt
相对运动 -- 沿径向向外
牵连运动 -- 圆盘的转动
0 X 1 0 X
y
0
1
0
0
cos
sin
Y
0
1
Y
z sin 0 cos 0 sin cos Z 1 Z
（小角度近似）
Lecture 2 -- Mechanical Fundmentals
12
Outline
关于地球 相关的坐标系和坐标变换 柯氏定律和柯氏加速度 动量矩定理
则
d~B
dBx
i
dBy
j
dBz
k
dt dt dt dt
i jk
B x y z
Bx By Bz
Lecture 2 -- Mechanical Fundmentals
惯性技术课件16--振动陀螺(哈工大版,1-16全)概要
Lecture 15 -- Vibratory Gyro
9
2.5 动态方程
苛氏惯性力矩
T
T 2sFc 2(s0 x) mxmn cos n t 2ms0 xmn cos n t Tm cos n t
Vibratory Gyro
振动陀螺
Lecture 15 -- Vibratory Gyro
1
Outline
1. 振动陀螺概述 2. 音叉陀螺 3. MEMS 陀螺
4. 半球谐振陀螺
Lecture 15 -- Vibratory Gyro
2
1.1 振动陀螺: 概述
机械陀螺 转子陀螺 ---- 基于牛顿运动定律 ---- 液浮，静电 ---- 结构复杂、昂贵 振动陀螺: 原理 ---- 利用振动的质量随着基座旋转 时产生的苛氏加速度
读取
下底座
Lecture 15 -- Vibratory Gyro
23
4.4 组成
上底座
力发生器: 环形和离散 环形提供能量
离散力发生 器 读取电极
离散力发 生器 环形力 发生器 半球谐振子
离散提供振型 16 个离散电极 读取: 电容式 8 个电极
读取
下底座
谐振子
敏感振型偏转 抽真空，大时间常数
椭圆 1
②
圆 ③
Lecture 15 -- Vibratory Gyro
27
4.7*振型偏转解释（1） 圆椭圆1
v
各位置的速度
Fc
各位置的苛氏惯性力
质量环原来的变形趋势 苛氏惯性力作用下质量 环的变形趋势 上述两种趋势的综合
《陀螺仪与惯导》课件
结论
陀螺仪与惯导作为现代导航和控制系统的重要组成部分，在航空航天、航 海、军事、交通、运动器材等领域得到广泛使用。随着技术的日益成熟和 应用场景的不断拓展，它们具有广阔的应用前景。
惯导仪的工作原理是基于牛顿第一定律，利用 加速度计测量直线加速度，再通过对加速度的 积分得到速度和位置信息。
陀螺仪的分类和运用领域
航空航天
飞机、导弹、卫星、航母等复 杂系统的导航、姿态控制、随 动平台等。
水面舰船
船舶、潜艇、遥控船等的自动 导航、稳定性控制和动态姿态 补偿，保证良好的航行性能。
汽车
并级惯导
车载导航、惯性测量单元 等便携式应用，以及姿态 控制等微小型载荷的试验 测试。
航空航天
汽车
飞机、导弹、卫星等复杂系统 的初始对准、飞行控制和导航， 保证高精度的位置、速度和姿 态信息。
车辆动态稳定控制、陀螺仪式 导航等，提高驾驶安全和舒适 性。
航天器和导弹
航天器进入轨道前的精确定位、 姿态调整和火箭导弹的制导系 统，确保极高的导航精度和命 中率。
陀螺仪和惯导的工作原理及区别
陀螺仪
按照旋转轴的不同，可分为陀螺式、圆盘式和 振荡器式，其中陀螺式陀螺仪是最常见的一种。
陀螺仪的工作原理是基于质量守恒和角动量守 恒原理，利用内部转子的角动量维持和检测平 台的角运动状态。
惯导仪
根据陀螺仪和加速度计的不同组合方式，可分 为串级、并级和纯陀螺式的惯性导航系统，其 中串级惯导系统是最为常见的一种。
陀螺仪和惯导的应用举例
1
飞机、船舶的导航
利用水平和垂直陀螺仪，加速度计、罗盘等传感器，实现飞机和船舶的控制与导 航，保证航线和航速的准确稳定。
2
火箭、导弹的控制
陀螺仪基本知识惯性导航
电子信息工程学院
30
将大地水准体用 一个有确定参数的 旋转椭球体来逼近 代替（如椭球面与 真实大地水准面之 间的高度差的偏差 平方和最小），这 种旋转椭球体称为 参考椭球体，简称 参考椭球。
电子信息工程学院
31
国际通用参考椭球体
电子信息工程学院
32
WGS-84坐标系基本参数
（1）椭球长半径 (a) 6378137 2m;
电子信息工程学院
38
5.机体坐标系 OX BY(BMZBobile Frame，Body Frame )
机体坐标系与飞机固连，
用表示OX BYB，Z坐B 标原点 机O纵与轴飞一机致重，心重O与合Z飞，B 机O竖X与B轴飞
一致， O与Y飞B 机横轴一致。Fra bibliotekZB YB
XB
电子信息工程学院
39
6.平台坐标系OX pYpZ（pPlatform frame ）
电子信息工程学院
33
二、惯性系统中常用的坐标系
在地球上进行导航，所定义的坐标系要将惯导系统 的测量值与地球的主要方向联系起来。因此涉及到了 各种不同的坐标系，主要有以下几类：
陀螺坐标系 地理坐标系 惯性坐标系 地球坐标系 载体坐标系
电子信息工程学院
34
1.陀螺坐标系oxyz
x轴：与陀螺内环轴一致，固连于内环上； z轴：与陀螺转子轴一致，固连于内环上；但不随转子转动； y轴：与oxy平面平行，大方向与外环一致，但一般不与外环轴一致
2.传感器:输出与被测量参数成一定关系的电信号 。如陀螺航向传感器，角速度传感器。
3.本身作为一个元部件，与其它自动控制元部件 组成各种陀螺装置。如陀螺稳定平台，惯性导 航系统等。
惯性技术课件3-2--二自由度陀螺 (哈工大版,1-16全).
Lecture 3 -- Gimbaled gyro -- 2DOF
7
6.2 阶跃响应: 时域
M y0 H (s) 2 2 s( J x J y s H ) s M y0 Jx (s) 2 2 JxJ ys H s
J (t ) t e2 M y 0 sin 0 t H H J J (t ) e2 M y 0 e2 M y 0 cos0 t H H M y0
o
H
M x1 0.362 1 0.262 rad / s 15deg /s Je 1.38 H 5160 0 3740 rad / s 595Hz J e 1.38
章动的幅值 章动的特点：
1 0
1 7 105 rad 0.23arcsec 0
2
2
Lecture 3 -- Gimbaled gyro -- 2DOF
9
6.2 阶跃响应: 轨迹
M y0 J e M y0 J e M y0 H t H 2 H2
2 2 2
旋轮线: 章动 + 进动.
2 2 2
o
H
1 0
圆；圆心；半径；频率
Lecture 3 -- Gimbaled gyro -- 2DOF
5
6.1 脉冲响应: 算例
设 Jx = Jy = Je = 1.38 g· cm· s2， H = 5160 g· cm· s， Mx1 = 36200 g· cm × 10-5 s (注: 1g = 1克物体的重量)
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单轴稳定器结构原理图
单轴稳定器系统功能方块图
x
1 H
M gydt
f
x
1 H
M gydt
M gy K
d f dx K ,
dt dt H
K 1, H
d f &
dt
单轴平台系统方块图
单轴平台系统方块图
二阶系统幅频特性图
二自由度液浮陀螺仪方块图
x (s)
(J ys Cy )[CxsX (s) M gx (s)]
Ye
M fx H
t
单轴平台系统方块图之四
M fb (s) M e (s)
C1C2 H JPs2 (Js
C)
未校正的系统根轨迹
校正后的系统根轨迹
G(s) ein (s) 1s 1 , (s) 2s 1
1 2
5.3 二自由度陀螺仪的单轴稳定器
一、单轴稳定器(跟踪器)工作原理 二、动特性分析
5.4 半解析式惯导系统的修正回路
一、单自由度陀螺仪组成的惯导平台 二、二自由度陀螺仪组成的惯导平台
东向加速度计回路示意图
东向加速度计回路方块图
东向加速度计回路简化方块图
东向加速度计回路方程式
(s)
{[V&E (s)
g (s)]
K K1 Rs
Ke
cos(s)} K2Kt
Hs
[V&E (s)
5.2 单轴稳定器
一、单轴稳定器(跟踪器)的工作过程 二、单轴稳定器特性分析
单轴稳定器的结构
单轴稳定器工作的物理过程
t 0时， t t1时， t t2时，
&Y H&Y &
0 0
&dt
V
&d
&Y &d 0 H (&Y &d ) cos & [
t1&dt]
0
V
&d
1.5J
单轴平台系统解耦后简化方程
ex Kxx H&x M y
ey K yy H&y M x
未加校正环节时的系统
W (s) K JPs2
无源校正网络
G(s) (11s)(1 2s)
(1 T1s)(1 T2s)
加校正环节后的系统
W (s)
(11s)(1 2s)K
JPs2 (1 T1s)(1 T2s)
HR
(s)
[
K
K1K2Kt K3 (s)KG(s) HR
J
ps2
KG R
(s)
]V&E (s)
s{ K
K1K2Kt K3 (s)KG(s) H
[J
ps2
KG(s)]}e
cos ( s)
二自由度陀螺仪平台的系统分析
K K1K2Kt H
K K2Kt H
K3 (s)
J ps2 KG(s) KG(s)
(s2
g R
)[ J
ps2
KG(s)]
0
(s2 g ) (s) 0
R
[J ps2 KG(s)] (s) 0
5.5 舒拉调整(调谐)
一、不受加速度影响的数学摆 二、实现舒拉调整的可能途径
不受加速度影响的数学摆
J&& (max )L
&& max L ax
JL
R&& ax
&& ax
R
&& && L R
陀螺及惯性技术
王雷
wanglei@ 2010年11月
第五章
惯性导航系统平台
5.1 惯性平台概述
一、惯性平台的作用 二、平台的构成 三、四平衡环系统
惯性平台的作用
平台的构成
平台的构成
平衡环的闭锁
全姿态平台平衡环系统
四平衡环系统的工作原理
四平衡环系统
g
二自由度陀螺仪平台的东向回路
二自由度陀螺仪平台的方程
{[V&E (s)
g
(s)]
K K1 Rs
Ke
cos ( s)}
K2 Kt K3 Hs
J
KG(s) ps2 KG(s)
[V&E (s)
1 Rs
e
cos ( s)]
1 s
(s)
{s 2 [ J
ps2
KG(s)
K
K1K2Kt K3 (s)KG(s)]}
T 2 R 84.4 min
g
实现舒拉调整的可能途径
1. 复摆 2. 陀螺 3. 舒拉调整平台
复摆
T 2 J 84.4 min
mgL
J mr2, r 0.5m
L
4 2r 2
gT 2
0.04m
陀螺
H (& 1) mgL mLV& y H z M x
H (& V ) mgL
J x J y s[s2
JxCy Cx J y JxJy
CxCy H 2 JxJy
]
特征方程式
s2 JxCy CxJ y CxCy H 2 0
JxJy
JxJy
CxCy H 2
JxJy
J x J y 1.5J , Cx Cy 0
24000r / min,
J 0.66, f 267Hz
Y
(s)
s[JP J
s4
JP
(J
G(s)C2 ( s 1)Hs C)s3 (J PC H 2 )s2
H
2s
G(s)C2H
]
M
fx (s)
&Y (s)
JP J s4
JP(J
G(s)C2 ( s 1)Hs C)s3 (J PC H 2 )s2
H 2s
G(s)C2H
M
fx (s)
&Ye
M fx H
R
xHz M y
1 e cos M z 0
0
mgL H
02
g R
* V 0 R
* 1 0
T 2 H 2 R 84.4 min
mgL
g
舒拉调整平台
舒拉调整平台
e g
K edt2 Kg dt2
d 2 Kg 0
dt 2
0 cos0t 0 Kg
T 2 1 84.4 min
1 Rs
e
cos(s)] 1
s
(s2
K K1K2Kt HR
) (s)
( K K1K2Kt HR
1 R
)V&E (
s)
s(K K2Kt H
H)
e
cos ( s)
K K1K2Kt H
K K2Kt H
(s2 g ) (s) 0
R
(t) 0 cos
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱgt R
0
cos 0t
T 2 R 84.4 min
&d
Kt It H
常量
单轴平台系统结构图
单轴平台系统功能方块图
单轴平台系统方块图
单轴平台系统方块图之二
Y (s)
JP J s4
JP (J
( s 1)(Js C) C)s3 (JPC H 2 )s2
H 2s
G(s)C2H
M
fY (s)
YS
C C1C2 H
M fY
单轴平台系统方块图之三
&d &Y H (&Y &d ) cos 0 max[
t2&dt]
0
单轴跟踪器工作的物理过程
t 0时， It Kt It &(沿Kt It方向) V &d
t t1时， H&d Kt It & V &d
t t2时， &d H&d Kt It & 0, 常值 V 常值