P12加速度计与平衡环系统

1、.,1,加速度计 概述,加速度计的功能：对比力的测量,测量机制：力或力平衡电路,输出形式：模拟量或数字量,工作原理：牛顿第二定律,敏感质量按直线形式运动,敏感质量按摆动形式运动,F 或 T 被电子线路所产生的力或力矩平衡，电流或电压的大小就代表了a,加速度计分类,1、摆式(pendulous)加速度计,浮子摆式加速度计 挠性支承摆式加速度计 摆式陀螺积分加速度计,2、非摆式加速度计,压电加速度计 压阻加速度计 振弦加速度计 静电加速度计,.,2,加速度计 摆式,把加速度计看作力矩平衡装置，列写方程,P = mr，m：质量，r：臂长,设F = 0,如 a = 常值，稳态时,角大小即可代表加速度,

2、.,3,加速度计 力反馈与传函,实际中，用力反馈回路取代机械弹簧来实现 K,设 Kd = 1 ，传递函数,.,4,加速度计 摆角与加速度1,当 a 为常值，稳态时,电流 I 的大小就代表输入加速度的大小,摆轴转角和线加速度 a 之间的传递函数,.,5,加速度计 摆角与加速度2,稳态时,对比,可以看出，改变放大系数 A 只能影响摆轴转角，而不能影响加速度输出电流 I 的大小,对系数 A 进行调节，可使加速度计在一定加速度范围内使转角保持在小角度，保证输出线性度,.,6,加速度计 主要参数,加速度计的主要参数,标度系数：力矩器的电流和被测量的加速度之比（mA/g ） 灵敏度：引起力矩器电流发生变化

3、的最小输入加速度（g） 零位不稳定性：输出零位的变化范围（g） 线性范围：保证一定线性度的情况下，可测量加速度的范围 时间常数：取 J/C 作为摆平衡环的时间常数 回路刚度：摆轴的转角和输入加速度的比值（如0.5毫弧/g ） 零位误差：没有加速度计输入的情况下，加速度计的输出,（可补偿部分称为零位偏置，随机偏差部分称为零位不稳定性 ）,.,7,加速度计 原理误差:交叉耦合,工艺误差：,标度系数误差、灵敏度、零位不稳定性、测量范围的非线性,原理性误差：,测量原理本身的缺陷带来的误差,交叉耦合误差：,输入轴：垂直于初始时刻摆轴的垂线方向 输入轴固定后，摆一旦转动交叉耦合误差 给定载体的加速度 A

4、的方向 摆仅应该敏感 A 的分量 ax 产生摆角以后，摆敏感的加速度就成为,.,8,加速度计 原理误差:振动,高增益力反馈回路使得角很小，上式可以进一步简化为,第二项即交叉耦合项，一般可忽略。如果必要可用计算机补偿,振动误差：,设振动 ：,方向固定,沿着输入轴和垂直于输入轴均有分量,振动的正半周时,AVX 将引起摆向左偏移 AVY 引起一个绕逆时针方向的力矩,.,9,加速度计 原理误差:振动2,振动负半周时,AVX 将使摆向右偏离,AVY 产生的力矩仍然是逆时针,因此，在振动的加速度输入下，会产生绕输出轴的一个同方向的摆式干扰力矩,摆式力矩是两个正弦分量之积的函数,.,10,加速度计 原理误差

5、:振动3,f (V) 是摆的质量、偏心距离及 A 的函数,力矩 TV 在振动加速度的方向和输入轴夹角成 45 度时达到最大值,振动频率在加速度计力反馈回路的通频带内，才会产生振动误差,.,11,平台 作用和结构,平台功能：,提供比力和姿态,两种方案：,捷联式、平台式,捷联式：,加速度计、陀螺直接安装在载体上,平台式：,加速度计安装在台体上，通过万向支架和载体的转动相隔离。 加速度计敏感轴方向沿着导航坐标系方向放置 平台模拟导航坐标系是由稳定回路和修正回路来共同实现 用陀螺仪实现回路的姿态反馈,陀螺仪的配置,稳定回路：,利用陀螺信号来稳定台体 陀螺仪只用于敏感干扰力矩，不再用于力矩补偿,修正回路

6、,为了得到其它导航坐标系，须给陀螺仪施加修正电流,.,12,平台 漂移、平衡环,平台的漂移原因 陀螺漂移角速度 陀螺、加速度计安装误差 计算机和平台的衔接 其它：电磁、振动、温度,平衡环系统(gimbal system),一般三环式平台可满足导航 三环组成：台体、内、外环,三环系统局限：非全姿态,实例分析：,外环轴/俯仰 载体绕方位和俯仰轴旋转无角度限制 载体绕滚动轴旋转角度不能超过90度,.,13,平台 平衡环闭锁,当滚动角为90度，平衡环系统就不能隔离和平衡环面垂直的载体的转动 称为平衡环的闭锁(locking),须根据载体运动规律选择三环式平台的安装方式,四平衡环式系统,一般当载体绕滚动

7、轴超过70度时采用,.,14,平台 四平衡环,四平衡环系统特点： 三环转角限定在20度 四环保证二环和三环始终垂直,四平衡环系统工作原理： A: 载体直线水平飞行,二环、三环垂直,四环、三环共面 载体可绕三轴任意旋转,B: 载体绕滚动轴滚动,四环带动三环随载体转动 陀螺稳定回路驱使二环运动,保持平台水平,.,15,平台 四平衡环机理,二环、三环不处于垂直状态 其间的电位计有信号输出,C: 电机根据电位计信号，带动四环、三环转动 直至电位计输出为零,保持二环和三环的垂直 避免平衡环闭锁,实际仍是变相的三环系统,.,16,平台 四平衡环应用例子,四平衡环系统的应用例子,垂直发射： 二环、三环之间如不垂直 四环的任何转动都不能使它们垂直 反而带动三环、二环一起相对平台飞转。,解决方案：规定发射时第四环锁定，断开随动系统，成为三环式系统,.,17,平台 四平衡环运动,三轴陀螺稳定平台作为系统的惯性测量基准,三环式的三轴陀螺稳定平台只能进行小角度范围稳定,增加第四平衡环全姿态平台,增加第四环，通过其运动来补偿内环与中环的不正交性,.,18,平台 四平衡环运动分解1,台体坐标系：OXYZ （i、j、k）,内环坐标系OX1Y1Z1绕 Z 轴转,用四元数 q1 来描述转动,中环坐标系OX2Y2Z2相对内环转1角,.,19,平台 四平衡环运动分解2,外环坐标系 OX3Y3Z3 相对