摆式陀螺寻北仪的干扰运动和干扰力矩

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1、M2XM2XM1YM1XM2M2YMH摆式陀螺寻北仪的干扰运动和干扰力矩1999.09.09.说明：关于摆式陀螺寻北仪存在整流力矩的问题在一些资料中提到过，其形成过程和原理分析报道不多。以下分析，基本上是个人(10若干年前)的看法，不见得正确，即使有正确的内容，其分析的深度也有待进一步研究完善。即使如此，相信这些内容对摆式陀螺寻北仪的研究者也会有一些启发作用。1概述由于陀螺特性和特殊的悬挂方式，架设在三角架上的摆式陀螺寻北系统在陀螺房的开锁释放和基面振动，甚至陀螺马达发热形成的热气流及陀螺马达转动噪声产生的干扰使陀螺摆呈现复杂的力学过程，

2、即干扰运动和干扰力矩这两种力学效果。通常，两种力学过程不是独立的而是在不断相互转化着。凡是与转矩有关的干扰,无论是“原型”转矩还是”转化”转矩,对寻北精度的影响,均与测量纬度有关。这是需要注意的。2理想悬挂和摆的运动为了分析方便，这里提出理想悬带和理想悬线的假设（本人的观点）。2.1.理想悬线理想悬线具有如下特征：第一，悬线的扭转刚度、弯曲刚度均为0；第二，悬线的拉伸强度为无穷大，拉伸变形系数为零(即无论多大拉力,拉伸变形量总是为零)，而压缩变形系数为无穷大(无论多小的压力,都可将长度压缩为零,也即不能承受也不能传递任何压力)；第三，悬线

3、在承受各种力学作用时不存在内部损耗；第四，悬线无质量，即在运动时(转动或平移运动)无惯性。第一个特性表明，理想线不具有直接传递扭力的能力，除去承受悬挂重力之外，对被悬挂体的任何转动运动不存在任何限制(磁悬浮系统即如此)；第二个特性表明，理想悬线可以沿悬线方向无滞后地传递任何大的拉力而不出现任何变形量但是却不能传递任何微小的推力（磁悬浮系统与之不同）；第三个特性表明，理想悬线对悬挂体的运动机械能没有衰减作用（磁悬浮系统近似如此）；第四个特性表明，理想悬线不影响对悬挂体的动态特性（磁悬浮系统的摆杆的转动惯量增加了陀螺摆的转动惯量）。2.2.理

4、想悬带在个别情况下，如在研究悬带受扭条件下寻北过程时，则假设理想悬线只具有绕悬线方向的有限而恒定的扭转刚度特性，在此建议称之为“理想悬带”。102.3.自由悬挂和扭转悬挂这里将由理想悬线所构成的悬挂支撑称为“自由悬挂”。自由悬挂还意味着被悬挂的物体除去重力作用之外不存在其他作用力。并且将由理想悬带悬挂的系统称为理想扭转悬挂.磁悬浮的摆式寻北系统可称为是“理想”自由悬挂系统(但是应该说明的是，理想磁悬浮悬挂与理想悬线悬挂的区别在于，前者可以传递沿悬挂轴的压力).根据力学原理，一个理想自由悬挂或者理想扭转悬挂的物体在没有水平方向干扰运动时其悬

5、挂点(这里应该是悬带的上悬挂点)与重心的连线将自动保持在铅垂线方向。此特性在研究陀螺摆的力学过程中是十分重要的。2.4.陀螺摆的运动特性基面振动和开锁释放等过程引起陀螺摆的干扰运动可分解为沿东、北、天(X0、Y0、Z0)三个轴的不规则平移运动(位移、线速度和线加速度)和陀螺三个轴(X、Y、Z)绕东、北、天的不规则转角运动(角位移、角速度和角加速度)。当各项运动作用在一个既具有一定质量和转动惯量又具有一定动量矩的陀螺上时即在三轴方向出现惯性力、惯性力矩和进动力矩；反过来，陀螺的惯性力、惯性力矩和进动力矩作用在具有一定质量、转动惯量和动量矩的

6、陀螺上，又在三个轴线上产生新的移动和转动并叠加在原有的运动之中。这是一个复杂的动能和势能之间不断相互转化的力学过程。德国学者曾对陀螺摆的线性运动特性进行过数学分析，表明陀螺摆在干扰运动作用下同时存在多种普通悬挂摆和普通扭摆的运动形式，并给出了相应的运动方程。在磁悬浮摆系统中陀螺的运动应该与上述有所不同（从略）。3陀螺摆的干扰运动及其抑制3.1.陀螺摆的干扰运动及其对寻北测量的影响由于摆式陀螺寻北仪寻北测量过程中只有因地球自转角速率分量形成的方位摆动、俯仰摆动和陀螺房重心的上下移动以及人为的有目的施加的作用(其中也可能存在某些不希望的干扰)

7、所产生的力学作用分量是有规则的有效力（有用）学分量，除此之外，其它运动分量均属于干扰分量。通常，干扰运动具有无偏的随机性，其时间平均值为零，也即具有交变性。但是在特殊情况下，干扰运动会失去交变特性而出现整流运动分量。10干扰运动对寻北精度影响的形成过程与寻北测量方法有关，可分为直接影响和间接影响两个方面。例如，在采用运动观测方法时，干扰运动造成摆动位置检测误差，将直接影响寻北精度，因此可以认为是直接影响；间接影响是，由于干扰运动可能转化为干扰力矩或出现所谓整流力矩而改变摆动平衡位置从而造成寻北误差。为了消除各种干扰运动分量和与寻北测量无关

8、的运动分量对寻北测量的影响，通常是从直接抑制和间接抑制两个方面予以解决。3.2.干扰运动的阻尼－直接抑制方法3.2.1.利用无源空气阻尼器对干扰运动进行阻尼所谓无源空气阻尼器，实际上就是套在圆