[科普中國]-陀螺穩(wěn)定平臺

基本概念

工程技術(shù)中實際應用的陀螺，一般由內(nèi)外兩個框架、基本陀螺以及修正裝置等組成。

基本陀螺有兩個主要特性：定軸性和進動性。應用陀螺的這兩個特性制造出—系列儀表，供在空中、水上、水下和陸地，上運動的物體指示方向。?？罩亓y量就利用垂直陀螺儀表來指示船艦、飛機的重力方向，以控制重力儀軸向與重力方向一致，消除干擾加速度的影響。垂直陀螺儀是—種簡單的兩由度陀螺儀表，其精度是不高的。應用自動控制技術(shù)將陀螺、角度轉(zhuǎn)換器、放大器及校正網(wǎng)路和執(zhí)行機構(gòu)等部件組成—個力平徹式閉路系統(tǒng)，以自動修正方向。這種使用單自由度陀螺并加力平衡式反饋回路的系統(tǒng)稱為穩(wěn)定平臺。它的構(gòu)造比陀螺儀復雜，但性能卻要好得多。海洋重力儀最好與陀螺穩(wěn)定平臺配套，以提高海上測量的精確度。

陀螺穩(wěn)定平臺是慣性導航、慣性制導、慣性測量等慣性技術(shù)應用系統(tǒng)的核心部件之一，可隔離載體的擾動而保持其穩(wěn)定性，為光電探測器等放置在平臺上的測量元件提供準確的慣性空間指向，是伺服跟蹤系統(tǒng)的基石。

不同類型平臺的系統(tǒng)性能通常情況，根據(jù)陀螺的安裝位置不同，穩(wěn)定平臺系統(tǒng)可分為進動陀螺、伺服連接以及隨動平臺方式幾種類型。其特征與優(yōu)缺點見下表。2

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以隨動平臺方式為例，它是將光學鏡頭、攝像機和速率陀螺均安裝在穩(wěn)定平臺的內(nèi)框上，系統(tǒng)工作時，速率陀螺測量載體在空間三個軸向的轉(zhuǎn)動角速度，經(jīng)處理后反饋到電機上，控制力矩電機轉(zhuǎn)動，使光軸快速對準目標。這種方式精度高，系統(tǒng)快速性好。雖然不利之處是陀螺裝在內(nèi)框架上，平臺小型化比較困難，但隨著陀螺技術(shù)的進步，目前市場上已有多種性能良好，體積尺寸較小的不同型號陀螺可供選擇。

陀螺實際安裝的時候，需要十分注意陀螺的安裝方式，一定要保證各陀螺敏感軸與各自框架軸線的水平，并且相互之間保持垂直，以免造成陀螺敏感軸方向上的誤差和各軸系之間的耦合效應。本系統(tǒng)方位和俯仰軸系的陀螺均安轉(zhuǎn)在方位內(nèi)框上，有效避免了外框尺寸過大，從而保證負載框具有較小的轉(zhuǎn)動慣量。同時，每個框架都有一個獨立的直流力矩電機直接驅(qū)動，這種驅(qū)動方式省去了減速機構(gòu)，有效地消除了齒輪間隙誤差問題。由于其耦合剛度高，增大了系統(tǒng)的機械共振頻率，因而有利于提高系統(tǒng)的頻帶響應和定位精度。2

穩(wěn)定作用原理陀螺穩(wěn)定平臺泛指采用陀螺儀為反饋元件，隔離動基座對負載的角擾動，使負載穩(wěn)定在固定的慣性空間的轉(zhuǎn)臺。當負載的支承軸無任何干擾力矩作用時，平臺將相對慣性空間始終保持在原來的角位置上。當負載因干擾力矩作用而偏離原來的方位時，陀螺敏感測量軸的變化的姿態(tài)角或角速率，并經(jīng)過控制系統(tǒng)后反饋給電機，通過電機產(chǎn)生補償力矩對干擾力矩進行補償，從而使負載保持穩(wěn)定。

分類、組成及工作原理陀螺穩(wěn)定平臺按結(jié)構(gòu)形式可分為框架陀螺平臺和浮球平臺兩種。

框架陀螺平臺按其穩(wěn)定的軸數(shù)，又分為單軸、雙軸和三軸陀螺穩(wěn)定平臺。它主要由平臺臺體、框架系統(tǒng)（即內(nèi)框架、外框架和基座）、穩(wěn)定系統(tǒng)（由平臺臺體上的陀螺儀、伺服放大器和框架軸上的力矩電機等構(gòu)成，又稱穩(wěn)定回路、伺服回路）和初始對準系統(tǒng)（包括平臺臺體上的對準敏感元件、變換放大器和穩(wěn)定系統(tǒng)）等組成。陀螺穩(wěn)定平臺使用何種陀螺儀作為穩(wěn)定敏感元件，就稱為何種陀螺平臺，如氣浮陀螺平臺、液浮陀螺平臺、撓性陀螺平臺和靜電陀螺平臺等。

三軸陀螺穩(wěn)定平臺有3條穩(wěn)定系統(tǒng)通道，2條初始對準系統(tǒng)水平對準通道和1條方位對準通道。其工作狀態(tài)：一是陀螺平臺不受載體運動和干擾力矩的影響，能使平臺臺體相對慣性空間保持方位穩(wěn)定；二是在指令電流控制作用下，使平臺臺體按給定規(guī)律轉(zhuǎn)動而跟蹤某一參考坐標系進行穩(wěn)定。利用外部參考基準或平臺臺體上的對準敏感元件，可以實現(xiàn)初始對準。三軸陀螺穩(wěn)定平臺應用較廣泛。

浮球平臺又稱高級慣性參考球平臺。主要由浮球（即內(nèi)球）、球殼（即外球）、信號傳輸系統(tǒng)、姿態(tài)讀出系統(tǒng)、加矩系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、自動校準與對準系統(tǒng)和計算機接口裝置等組成。

浮球平臺的浮球內(nèi)裝3個陀螺儀、3個加速度計和電子組件，浮球與球殼之間充以低粘性的碳氫液體，通常用電動渦輪液壓泵提供連續(xù)流動懸浮液，將浮球懸浮在球殼中。在球殼上安裝有倍增器、倍減器、姿態(tài)讀出器（激勵帶式感應傳感器）、加速度計讀出器、溫控器與計算機接口裝置等。浮球中的陀螺儀、加速度計和姿態(tài)傳感器信號傳輸系統(tǒng)，采用混頻和多路傳輸，經(jīng)電刷送到直流線路并在外電子組件中處理，然后由載波編碼，通過接口送到計算機中。采用液壓反作用式力矩器的加矩系統(tǒng)，使浮球相對一定的參考坐標系實現(xiàn)控制和穩(wěn)定。利用熱交換器進行溫度控制。通過計算機程序?qū)Ω∏蜻M行自動校準和自動對準。浮球平臺具有框架陀螺平臺的全部功能，而且對載體振動、沖擊等有良好的隔離作用，克服了框架陀螺平臺因軸承摩擦引起的平臺靜差角；并能承受導彈機動發(fā)射的惡劣環(huán)境和再入時的大過載，有效提高了制導精度；能進行全姿態(tài)測量；具有高精度的快速自動對準，縮短了發(fā)射時間；解決了彈道導彈發(fā)射時目標更換問題；具有信息數(shù)字化傳輸和自動化檢測功能；隔熱和溫控效能高，有利于保證慣性器件的測量精度。但結(jié)構(gòu)復雜，成本昂貴，維護困難，多用于戰(zhàn)略彈道導彈。

發(fā)展概況陀螺穩(wěn)定平臺的發(fā)展，隨著陀螺儀的演變而變化。早在1936年，出現(xiàn)了滾珠軸承式的動力陀螺穩(wěn)定平臺，在軍艦上用作測距儀的穩(wěn)定器。1950年美國研制成功三軸陀螺穩(wěn)定平臺XN-1。之后，在導彈和運載火箭慣性制導系統(tǒng)中，相繼出現(xiàn)了靜壓氣浮陀螺平臺、動壓氣浮自由轉(zhuǎn)子陀螺平臺、液浮陀螺平臺等，由于陀螺平臺采用了這些浮力支承，摩擦力矩減小的陀螺儀，其精度得到提高。美國分別應用在“潘興”I導彈、“土星”運載火箭、“民兵”Ⅰ、Ⅱ?qū)椧约啊氨睒O星”導彈上。60年代末，美國研制出結(jié)構(gòu)簡單、精度高、成本低的撓性陀螺儀為敏感元件的撓性陀螺平臺，它在“三叉戟”Ⅰ潛地導彈、“戰(zhàn)斧”巡航導彈，以及“潘興”Ⅱ?qū)椛系玫綉?。隨著陀螺平臺技術(shù)的研究和發(fā)展，1973年美國研制出沒有框架的浮球平臺，即高級慣性參考球平臺。為了進一步提高制導精度和可靠性，對浮球平臺的支撐系統(tǒng)和溫控系統(tǒng)進行了改進。陀螺穩(wěn)定平臺已由框架陀螺平臺發(fā)展到浮球平臺，陀螺平臺的質(zhì)量由幾十千克發(fā)展到僅0. 8千克，外廓尺寸由0.5米以上發(fā)展到僅為0.08米的小型陀螺平臺。

陀螺穩(wěn)定平臺將繼續(xù)向高精度、高可靠性、低成本、小型化，并對陀螺平臺誤差進行補償?shù)姆较虬l(fā)展。