电磁阻尼在悬挂式二自由度陀螺经纬仪中的应用

摘要

悬挂式二自由度陀螺罗盘是陀螺经纬仪的核心部件.缩减陀螺罗盘的寻北时间对陀螺经纬仪整机性能的提高有着重要的实际意义.以往悬挂式陀螺罗盘测量真北的方法,都需要最少一个陀螺转子轴摆动周期的采样时间.本文以二自由度陀螺罗盘为研究对象,介绍了一种在陀螺罗盘中使用同轴电磁阻尼器来缩短寻北时间的实现方法. 文中首先运用复合运动理论分析了地球自转对陀螺仪寻北运动的作用,根据质心运动定理和欧拉动力学方程建立了悬挂式二自由度陀螺罗盘的运动微分方程；分析了电磁阻尼器的工作原理,将涡流的复杂计算化解为涡流回路电阻的计算,并用图解法计算出回路电阻,建立起激磁电流与阻尼力矩的关系方程；结合以上两部分的方程,给出加入电磁阻尼后的陀螺仪运动微分方程,运用积分变换的方法求解出该多变量一阶微分方程组的解.根据求得的解析式,由二阶系统振荡理论对影响陀螺仪寻北时间的因素进行了分析,提出控制电磁阻尼使陀螺转子轴直接指向真北,不受陀螺转子摆动周期的限制,从而缩短寻北时间的方法.应用Matlab软件仿真不同电磁阻尼力矩系数下陀螺仪的寻北过程,对比分析测量时间,指出分段改变阻尼系数以获得较短测量时间的方法.并根据实验条件对二分段情况下不同分段时间点的减时效果进行了比较,供陀螺经纬仪的改造应用进行参考.最后搭建了模拟实验系统,并在固定阻尼和分段变阻尼情况下测量系统到达稳态的时间,通过实测数据验证了分段变阻尼控制方法的良好效果,说明该方法应用于陀螺仪缩减其测量时间的可行性.

目录

文摘

英文文摘

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前言

1绪论

1.1定向导航技术的发展

1.2陀螺经纬仪的发展回顾

1.3国内外对悬挂式陀螺经纬仪的研究状况

1.4课题的研究目的及意义

1.5论文主要内容安排

2课题总体方案设计

2.1陀螺仪的工作原理

2.2电磁阻尼的工作原理

2.3课题总体方案设计

3陀螺仪系统模型的建立和电磁阻尼控制方案

3.1陀螺仪力学模型及运动微分方程

3.1.1陀螺仪的力学模型

3.1.2坐标系的建立

3.1.3坐标系的变换

3.1.4陀螺仪的运动方程

3.2电磁阻尼的力学模型及力矩方程

3.2.1电磁阻尼的力学模型

3.2.2涡流的分布

3.2.3电磁阻尼力矩的计算

3.2.3涡流回路电阻的计算

3.2.4电磁阻尼力矩方程

3.3陀螺仪加入电磁阻尼后的运动规律及其运动控制

3.3.1带电磁阻尼的陀螺仪的运动方程求解

3.3.2计算结果的分析及陀螺仪寻北运动的控制

3.3.3几种固定阻尼系数控制效果的比较

3.3.4变阻尼系数的控制方案的提出及MATLAB仿真

4实验和数据分析

4.1模拟实验系统的构建

4.1.1模拟实验系统的组成

4.1.2模拟实验系统的系统方程

4.1.3模拟实验系统中各参数的确定

4.2模拟实验系统的软硬件设计

4.2.1模拟实验系统的硬件电路

4.2.2模拟实验系统的软件

4.3实验数据分析

结论

致谢

参考文献

作者发表论文情况