第1章 陀螺罗经1.ppt

航海仪器,信息工程系通信技术教研室,2016年,电源开关,分罗经开关,开关接线箱,安许茨4型陀螺罗经,第一章陀螺罗经,第一节陀螺罗经指北原理第二节陀螺罗经的误差第三节双转子陀螺罗经第四节单转子陀螺罗经,第一节陀螺罗经指北原理,1-1概述1-2陀螺仪及其特性1-3陀螺仪主轴的运动坐标系1-4自由陀螺仪在地球上的视运动1-5变自由陀螺仪为陀螺罗经的方法1-6摆式罗经的等幅摆动和减幅摆动1-7电磁控制式陀螺罗经,1-1概述,一、陀螺罗经（gyrocompass）定义：陀螺罗经是利用陀螺仪的特性结合地球自转运动而构成的一种指示方向的仪器。二、作用：陀螺罗经是一种提供方向基准的仪器，装在船上作为船用罗经使用。1指示船舶航向；2测定物标方位。不依赖地磁而能准确指示地理真北的仪器。,三、发展历史,两千多年前，我国劳动人民在生活和生产实践中发现了陀螺的基本特性。1852年，法国科学家福科第一个利用陀螺特性并与地球自转相联系，它利用三自由度陀螺仪的定轴性来观测地球自转；并提出了创见性的理论。1878年，美国科学家霍布金发明了用电机推动的陀螺罗经。1908年，德国人安许茨创造了世界上第一台实用陀螺罗经。成为一个罗经系列。陀螺罗经也由此开始出现。1909年，美国人斯伯利也创造了单转子弹性支承的陀螺罗经，并且也逐步发展成为一个罗经系列。二十世纪五十年代，一个新的罗经系列逐渐形成，即美英两国合作生产的阿玛勃朗型电磁控制式陀螺罗经。,1-2陀螺仪及其特性,一、陀螺仪的定义（gyroscope）高速旋转的对称刚体及其悬挂装置的总称。,二、陀螺仪的结构,1.转子2.主轴（ox）3.内环（oY水平轴）4.外环（oz垂直轴）5.基座,OX,OY,OZ,二、陀螺仪的结构,陀螺仪的转子能绕一个轴旋转，它就具备了一个旋转自由，也就是具有一个自由度。平衡陀螺仪重心与其支架中心相重合的三自由度陀螺仪。（balancedgyroscope）自由陀螺仪不受任何外力矩作用的三自由度陀螺仪。（freegyroscope）,三、陀螺仪的基本特性,1陀螺仪的定轴性（也称稳定性）不受外力矩作用时，陀螺仪的主轴保持其空间的初始方向不变。,定轴性实验录像,三、陀螺仪的基本特性,1陀螺仪的定轴性（也称稳定性）实验一：自由陀螺仪转子不转，转动陀螺仪基座，主轴随基座一起转动。实验二：自由陀螺仪转子高速旋转，转动陀螺仪基座，主轴不随基座一起转动。自由陀螺仪表现为定轴性的条件是：陀螺转子高速旋转；陀螺仪不受外力矩作用。,三、陀螺仪的基本特性,2陀螺仪的进动性（也称旋进性）在外力矩的作用下，陀螺仪主轴的动量矩H矢端以捷径趋向外力矩M矢端作进动。右手法则判断,动画演示1,动画演示2,动画演示3,动画演示4,进动性实验录像,F1,F2,三、陀螺仪的基本特性,2陀螺仪的进动性（也称旋进性）实验三：自由陀螺仪转子不转，向陀螺仪主轴加力，主轴沿力的方向运动。实验四：自由陀螺仪转子高速旋转，向陀螺仪主轴加力，主轴沿力矩的方向运动。自由陀螺仪表现具有进动性的条件是：自由陀螺仪转子高速旋转和受外力矩作用；自由陀螺仪具有进动性表现特征为主轴相对空间初始方向产生进动运动。,三、陀螺仪的基本特性,自由陀螺仪主轴进动的快慢（角速度p）与外力矩M成正比，与动量矩H成反比。可用下式表示：,表明：旋进角速度p与外力矩M的大小成正比，而与动量矩H的大小成反比。H向着M跑。,3进动公式,1-3陀螺仪主轴的运动坐标系,参考坐标系,1惯性坐标系（o）,2地理坐标系（ONWZ。）,3.陀螺仪坐标系（OXYZ）,Z,O,X,Y,高度角：上负下正方位角：东负西正,1-4自由陀螺仪在地球上的视运动,Question:1.人坐车前进时感觉到路两旁的树在不断地向后运动，为什么？,2.地球的运动规律？地球上的人看到太阳东升西落，是太阳的运动吗？,3.将陀螺仪的主轴初始指向地球上某一方位，人会看到它的指向始终不变吗？,视运动概念：,自由陀螺仪在地球上的视运动,北纬看自由陀螺仪视运动,北纬35自由陀螺仪运动现象,北半球，若将自由陀螺仪放在A点，使其主轴位于子午面内并指恒星S，由于地球自西向东转，经过一段时间后，它转到B点，因定轴性，陀螺仪主轴仍将指恒星S方向但相对子午面来说，主轴指北端已向东偏过了角。,地球上看到的陀螺仪视运动现象：,(A)北极点处,现象：地球自西向东旋转一周，陀螺仪主轴在方位上指向改变360。,(B)赤道某处:,现象：地球自西向东旋转一周，陀螺仪主轴在高度上指向改变360。,(C)北纬任意某处,初始时，设主轴水平指北。,随着地球自转，主轴指北端与子午面出现方位偏角。,(C)北纬任意某处,初始时，设主轴水平指北。,经过12小时后，主轴指北端与水平面出现高度倾角。,结论：北纬处自由陀螺仪在方位和高度上均出现变化。,Z。,W,S,E,N,A,We,We,W1,W2,PN,PS,（We:地球自转角速度:地理纬度）,W1=Wecos（水平分量）W2=Wesin（垂直分量）,W1：在北纬使水平面SENW的东半平面不断下沉，西半平面不断上升。（南纬相同）,以北纬A点为例,W2：在北纬使子午面SZ。N的N点不断向W移动。（南纬反之）,We分解为：,地球自转角速度的分解,自由陀螺仪主轴指北端的视运动规律,1.主轴指北端相对于子午面的视运动,W2,以北纬某点为例,由于W2的影响，人看到主轴指北端将不断向东运动。,V2=HW2,南纬处呢？赤道处呢？,O,X,Y,Z,2.主轴指北端相对于水平面的视运动,（以主轴指北端初始偏子午面东侧为例）,Z。,W,N,S,E,W1,由于W1，主轴指北端一侧水平面不断下沉，则人看到主轴指北端将上升。,V1=HW1sinHW1,Z,X,Y,若指北端初始偏西呢？,H,指北端初始偏东：,Z。,E,S,N,W,W1,Z,X,Y,指北端初始偏西：,H,由于W1，主轴指北端一侧水平面不断上升，则人看到主轴指北端将下降。,陀螺仪的视运动规律,陀螺仪主轴相对于子午面的视运动规律是：在北纬，主轴指北端向东偏离子午面；在南纬，主轴指北端向西偏离子午面；陀螺仪主轴相对于水平面的视运动规律是：当主轴偏向子午面之东时，主轴相对于水平面作升高的视运动；当主轴偏向子午面之西时，主轴相对于水平面作下降的视运动。,自由陀螺仪主轴指北端的视运动规律总结：,北纬东偏,南纬西偏,南北一样,东升西降,1-5变自由陀螺仪为陀螺罗经的方法,一、自由陀螺仪不能稳定指北的主要原因,先回顾自由陀螺仪的视运动规律,W2使得自由陀螺仪指北端产生相对于子午面的运动，是其不能稳定指北的主要原因。,问题：如何克服W2的影响？,V2,设法人为产生一个U2使其与V2大小相等，方向相反。,利用陀螺仪的进动性，施加外力矩，产生U2。,问题：力矩施加在哪个轴上？,Z,X,Y,只能加于水平轴（oY）上。,结论：人为施加水平轴控制力矩（My）克服W2影响。,问题：如何实现？,二、控制力矩的获得,获得控制力矩的方法,重力控制力矩,电磁控制力矩,重心下移法下重式罗经（如：安许茨系列罗经）,重心上移法液体连通器罗经（如：斯伯利系列罗经）,电磁控制法电磁控制罗经（如：阿玛勃郎系列罗经）,下重式罗经的控制力矩,1.下重式罗经灵敏（指北）部分的结构：,动量矩指北,重心G下移7-8mm,2）主轴倾斜时，有高度角，重力产生力矩My=-mglSin=-mglM=mgl称为最大摆性力矩My=M,X,Z,Z0,a,O,G,H,O,G,西,东,H,X,Z,Z0,mg,mg,1,2,地球自转,My=mgsina,U2=My=M,A、主轴初始水平指东,结论：在重力控制力矩的作用下主轴指北端能自动找北。,=MsinM,动画,2.重心下移后如何使主轴自动找北？,2.重心下移后如何使主轴自动找北？,X,Z,Z0,O,G,H,O,G,H,X,Z,Z0,mg,mg,1,2,地球自转,B、主轴初始水平指西,液体连通器罗经的控制力矩,1.液体连通器罗经灵敏（指北）部分的结构：,N,S,X,动量矩指南（ox轴负向）,连通器内装水银或硅油,O,Z,地球自转,2.液体连通器如何使主轴指北端自动找北？,A、主轴指北端（ox正向）初始水平指东,多余液体mg产生控制力矩My,N,Z0,Z,X,地球自转,西,S,N,东,Z,X,S,水平面,B、主轴指北端（ox正向）初始水平指西,结论：液体的流动能使主轴指北端自动找北。,My=多余液体重力力臂M,U2=My=M,1,2,O,1-6摆式罗经的等幅摆动和减幅摆动,1.主轴指北端在投影面上的运动轨迹：,A,B,C,D,E,F,G,H,V2,V2,V2,V2,V2,V2,V2,V2,V2,V1随方位角的增大而增大,V2大小方向不变,U2随高度角的增大而增大,其运动轨迹为一椭圆，分析如下：（以北纬为例）,结论：下重式罗经在施加了控制力矩后，其主轴指北端运动轨迹为一等幅摆动的椭圆，并不能稳定在子午面上。,椭圆轨迹呈扁平状。,椭圆运动周期又称等幅摆动周期（T0）。,2.椭圆运动轨迹的特征：,液体连通器罗经的等幅运动分析同下重式罗经,（二）摆式罗经的减幅摆动,一、阻尼的目的与方法：,M,M,（E）,（W）,将等幅运动变为减幅运动，最后衰减至子午面上的某个稳定位置，以实现稳定指北。,2.阻尼的方法,压缩长轴法水平轴阻尼法,压缩短轴法垂直轴阻尼法,1.阻尼的目的,N,二、水平轴阻尼法,（为下重式罗经所采用）,1.定义：由阻尼设备产生水平轴的阻尼力矩以实现阻尼的方法。,要求阻尼力矩引起的进动线速度（U3)总是指向子午面。,1、3象限,渐次衰减至稳定位置r,2.原理：,减幅等幅,2、4象限,减幅等幅,3.下重式罗经水平轴阻尼的实现：,A阻尼器结构：液体阻尼器沿南北放置，内有高粘度油。,国产航海I型液体阻尼器,N,S,德国安许茨液体阻尼器,B.阻尼液体流动的滞后性：,N,（E）,（W）,S,N,N,S,N,S,U3,U3,N,S,西侧南端油多,东侧北端油多,结论：阻尼力矩作用于水平轴上，阻尼线速度（U3）总是指向子午面，实现了水平轴阻尼。,看大图,看大图,C.阻尼运动轨迹及稳定位置：,轨迹：为一衰减的螺旋曲线。,稳定位置（r）：北纬指北偏上南纬指北偏下,结论：下重式罗经主轴指北端在水平轴阻尼力矩的作用下，将等幅运动变为衰减运动，最后稳定于子午面上。,三、垂直轴阻尼法,（为液体连通器罗经所采用）,1.定义：由阻尼设备产生垂直轴阻尼力矩以实现阻尼的方法。,要求阻尼力矩引起的进动线速度（U3)总是指向水平面。,1、3象限减幅等幅,渐次衰减至稳定位置r,2.原理：,2、4象限减幅等幅,3.液体连通器罗经垂直轴阻尼法的实现：,A阻尼器：陀螺房西侧放置一阻尼重物。,阻尼重物mD,俯视图,B.阻尼重物产生垂直轴阻尼力矩（MzD）：,主轴指北端在水平面之上:,所以，可实现垂直轴阻尼。,MZD向上，指北端产生的进动U3向下；,主轴指北端在水平面之下:,MZD向下，指北端产生的进动U3向上。,C.阻尼运动轨迹及稳定位置：,轨迹：,r,为一衰减的螺旋曲线。,稳定位置的分析：,结论：液体连通器罗经由于采用了垂直轴阻尼法，指北端在子午面上无法稳定，因此产生了指向上的误差。,北纬偏东偏上,稳定位置：,南纬偏西偏下,动画1,动画2,四、罗经主轴阻尼运动的有关参数：,TD,a1,a2,1.阻尼因数f,2.阻尼周期TD,3.稳定时间t,t,a,0,f=a1/a2=a2/a3=an/an+1,返回,返回,1-7电磁控制式陀螺罗经,1定义：在平衡陀螺仪的结构上增设电磁控制设备，将主轴引向子午面的一种新型陀螺罗经。,一、电磁控制式陀螺罗经简介,2结构：,2结构：,1）陀螺