武汉大学：《惯性导航》课程教学课件（讲稿）第3章 惯性仪表

第三章惯性仪表

第三章 惯性仪表

惯性导航系统是自主式的惯性系统，它依靠系统内按正交坐标系配置的陀螺仪和加速计，敏感运载体的运动信息，通过计算确定载体的位置、航向和姿态，以此作为控制参数实现系统功能。加速度计和陀螺仪是按照惯性原理工作的，因此称它们为惯性仪表。武汉大学测绘学院卫星应用研究所

武汉大学测绘学院 卫星应用研究所  惯性导航系统是自主式的惯性系统，它依靠系 统内按正交坐标系配置的陀螺仪和加速计，敏 感运载体的运动信息，通过计算确定载体的位 置、航向和姿态，以此作为控制参数实现系统 功能。加速度计和陀螺仪是按照惯性原理工作 的，因此称它们为惯性仪表

陀螺仪旋转的不倒翁广义讲，凡是绕定点转动的刚体都可称为陀螺仪;狭义讲,只有高速旋转的对称刚体,其自转轴能在空间改变所指方向的才能成为应用的陀螺仪。1852年法国科学家傅科给陀螺仪定义为具有大角动量的装置。陀螺(gyroscope)一词起源于文明古国希腊它含有“对称和旋转”的意思，俄语和英语中陀螺这一单词都是取自希腊语中的译音，即含有“观察转动装置”的意思。武汉大学测绘学院美卫星应用研究所上

武汉大学测绘学院 卫星应用研究所 陀螺仪— — 旋转的不倒翁  广义讲,凡是绕定点转动的刚体都可称为陀螺 仪;狭义讲,只有高速旋转的对称刚体,其自转轴 能在空间改变所指方向的才能成为应用的陀螺 仪。  1852年法国科学家傅科给陀螺仪定义为具有大 角动量的装置。陀螺(gyroscope)一词起源于 文明古国希腊,它含有“对称和旋转”的意思,俄 语和英语中陀螺这一单词都是取自希腊语中的 译音,即含有“观察转动装置”的意思

输人轴（IA)JIA旋转参考轴(SRA)SRAHOA;VIA2输出轴（OA)10A:双自由度陀螺示意图单自由度陀螺示意图武汉大学测绘学院卫星应用研究所

武汉大学测绘学院 卫星应用研究所

陀螺的定轴性我们可以用玩具陀螺做一个实验，以进一步验证陀螺的稳定性。把高速转动的玩具陀螺放在一块光滑的木板上，当木板左右倾斜时,可以发现陀螺仍然保持原有的姿态继续转动，它的转轴处于铅直位置。如果把陀螺抛向空中,它的转轴方向也不会改变。价武汉大学测绘学院卫星应用研究所

武汉大学测绘学院 卫星应用研究所 陀螺的定轴性  我们可以用玩具陀螺做一个实验,以进一步验证陀螺的 稳定性。把高速转动的玩具陀螺放在一块光滑的木板 上，当木板左右倾斜时,可以发现陀螺仍然保持原有的 姿态继续转动,它的转轴处于铅直位置。如果把陀螺抛 向空中,它的转轴方向也不会改变

陀螺的这种特点是一般刚体所没有的(力学中对受力的作用只产生运动而不发生形变的物体称为刚体)。人们把主轴在空间有两个转动自由度的陀螺仪称为二自由度陀螺仪当二自由度陀螺仪在没有外力矩作用时，自转轴相对惯性空间保持指向不变的特性叫做定轴性。武汉大学测绘学院卫星应用研究所

武汉大学测绘学院 卫星应用研究所  陀螺的这种特点是一般刚体所没有的(力学中 对受力的作用只产生运动而不发生形变的物体 称为刚体)。人们把主轴在空间有两个转动自 由度的陀螺仪称为二自由度陀螺仪,当二自由 度陀螺仪在没有外力矩作用时,自转轴相对惯 性空间保持指向不变的特性叫做定轴性

牛顿第一定律告诉我们物体在不受外力作用时，会由于本身的惯性而保持静止成匀速直线运动状态。陀螺因为具有转动惯性所以能够保持转动轴方向不变。物体在转动时所具有的保持其转动状态不变的惯性，被称之为转动惯量。它与物体的质量、形状及转动轴的位置有关。陀螺所具有的定轴性的强弱除与它的转动惯量有关以外还与它的转动角速度有关。在力学中，常用动量矩H（也称为陀螺仪的角动量）来表示转动惯量」与角速度（2的乘积即H=JQ上列公式说明转动惯量和角速度愈大动量矩就愈大。动量矩愈大陀螺的定轴性就愈好。动量矩日是陀螺仪的一个重要参数。武汉大学测绘学院卫星应用研究所

武汉大学测绘学院 卫星应用研究所 牛顿第一定律告诉我们,物体在不受外力作用时,会由于本身 的惯性而保持静止成匀速直线运动状态。陀螺因为具有转动惯性 所以能够保持转动轴方向不变。物体在转动时所具有的保持其转 动状态不变的惯性,被称之为转动惯量。它与物体的质量、形状 及转动轴的位置有关。 陀螺所具有的定轴性的强弱除与它的转动惯量有关以外,还 与它的转动角速度有关。在力学中,常用动量矩 H (也称为陀螺 仪的角动量)来表示转动惯量 J 与角速度 的乘积,即 H J   上列公式说明,转动惯量和角速度愈大,动量矩就愈大。动量矩愈 大,陀螺的定轴性就愈好。动量矩 H 是陀螺仪的一个重要参数

一般刚体的运动外力角加速度外力熊！角加速度(b)tal武汉大学测绘学院卫星应用研究所

武汉大学测绘学院 卫星应用研究所 一般刚体的运动

二自由度陀螺仪的进动性外小好角速度角速动量效动战雄外力(d)(c)武汉大学测绘学院卫星应用研究所

武汉大学测绘学院 卫星应用研究所 二自由度陀螺仪的进动性

在二自由度陀螺仪上施加外力矩，会引起陀螺动量矩失量相对于惯性空间转动的特性叫进动性。陀螺仪进动角速度の的大小2与动量矩H和外力矩M的大小有关，外力矩M愈大，进动角速度愈快：动量矩H愈大，进动角速度愈慢。陀螺仪动量矩H的进动角速0度①的方向可按图所示规则决定，M即动量矩矢量H沿最短途径向外福力矩量M方向靠拢，即为进动H角速度の的方向。武汉大学测绘学院卫星应用研究所

武汉大学测绘学院 卫星应用研究所 在二自由度陀螺仪上施加外力 矩，会引起陀螺动量矩矢量相对于 惯性空间转动的特性叫进动性。 陀螺仪进动角速度 的大小 与动量矩 H 和外力矩 M 的大小有 关，外力矩 M 愈大，进动角速度 愈快:动量矩 H 愈大，进动角速度 愈慢。陀螺仪动量矩 H 的进动角速 度的方向可按图所示规则决定， 即动量矩矢量 H 沿最短途径向外 力矩矢量 M 方向靠拢，即为进动 角速度的方向