基本介紹
- 中文名：陀螺穩定平台
- 外文名：gyroscope-stabilized platform
- 簡稱：陀螺平台、慣性平台
- 分類：框架陀螺平台和浮球平台
- 作用：測量運動載體姿態，穩定載體
- 套用：飛彈，太空飛行器，飛機，艦船
基本概念,不同類型平台的系統性能,穩定作用原理,分類、組成及工作原理,框架陀螺平台,浮球平台,發展概況,
基本概念
工程技術中實際套用的陀螺，一般由內外兩個框架、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。套用陀螺的這兩個特性製造出—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。海空重力測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。套用自動控制技術將陀螺、角度轉換器、放大器及校正網路和執行機構等部件組成—個力平徹式閉路系統，以自動修正方向。這種使用單自由度陀螺並加力平衡式反饋迴路的系統稱為穩定平台。它的構造比陀螺儀複雜，但性能卻要好得多。海洋重力儀最好與陀螺穩定平台配套，以提高海上測量的精確度。
陀螺穩定平台是慣性導航、慣性制導、慣性測量等慣性技術套用系統的核心部件之一，可隔離載體的擾動而保持其穩定性，為光電探測器等放置在平台上的測量元件提供準確的慣性空間指向，是伺服跟蹤系統的基石。
不同類型平台的系統性能
通常情況，根據陀螺的安裝位置不同，穩定平台系統可分為進動陀螺、伺服連線以及隨動平台方式幾種類型。其特徵與優缺點見下表。
進動陀螺方式 | 伺服連線方式 | 隨動平台方式 | |
定義 | 攝像設備與陀螺固定連線 | 攝像設備與陀螺分開連線 | 攝像機和陀螺均安裝在內框上 |
優點 | 電路簡單，結構緊湊 | 結構靈活，易於小型化 | 精度高，快速性好 |
缺點 | 同等精度的情況下，陀螺需要較大的角動量 | 測量時會引入附加相角，精度很難保證 | 結構小型化困難 |
以隨動平台方式為例，它是將光學鏡頭、攝像機和速率陀螺均安裝在穩定平台的內框上，系統工作時，速率陀螺測量載體在空間三個軸向的轉動角速度，經處理後反饋到電機上，控制力矩電機轉動，使光軸快速對準目標。這種方式精度高，系統快速性好。雖然不利之處是陀螺裝在內框架上，平台小型化比較困難，但隨著陀螺技術的進步，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，並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。本系統方位和俯仰軸系的陀螺均安轉在方位內框上，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動，這種驅動方式省去了減速機構，有效地消除了齒輪間隙誤差問題。由於其耦合剛度高，增大了系統的機械共振頻率，因而有利於提高系統的頻帶回響和定位精度。
穩定作用原理
陀螺穩定平台泛指採用陀螺儀為反饋元件，隔離動基座對負載的角擾動，使負載穩定在固定的慣性空間的轉台。當負載的支承軸無任何干擾力矩作用時，平台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角或角速率，並經過控制系統後反饋給電機，通過電機產生補償力矩對干擾力矩進行補償，從而使負載保持穩定。
分類、組成及工作原理
陀螺穩定平台按結構形式可分為框架陀螺平台和浮球平台兩種。
框架陀螺平台
按其穩定的軸數，又分為單軸、雙軸和三軸陀螺穩定平台。它主要由平台台體、框架系統（即內框架、外框架和基座）、穩定系統（由平台台體上的陀螺儀、伺服放大器和框架軸上的力矩電機等構成，又稱穩定迴路、伺服迴路）和初始對準系統（包括平台台體上的對準敏感元件、變換放大器和穩定系統）等組成。陀螺穩定平台使用何種陀螺儀作為穩定敏感元件，就稱為何種陀螺平台，如氣浮陀螺平台、液浮陀螺平台、撓性陀螺平台和靜電陀螺平台等。
三軸陀螺穩定平台有3條穩定系統通道，2條初始對準系統水平對準通道和1條方位對準通道。其工作狀態：一是陀螺平台不受載體運動和干擾力矩的影響，能使平台台體相對慣性空間保持方位穩定；二是在指令電流控制作用下，使平台台體按給定規律轉動而跟蹤某一參考坐標系進行穩定。利用外部參考基準或平台台體上的對準敏感元件，可以實現初始對準。三軸陀螺穩定平台套用較廣泛。
浮球平台
又稱高級慣性參考球平台。主要由浮球（即內球）、球殼（即外球）、信號傳輸系統、姿態讀出系統、加矩系統、溫控系統、自動校準與對準系統和計算機接口裝置等組成。
浮球平台的浮球內裝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、姿態讀出器（激勵帶式感應感測器）、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、加速度計和姿態感測器信號傳輸系統，採用混頻和多路傳輸，經電刷送到直流線路並在外電子組件中處理，然後由載波編碼，通過接口送到計算機中。採用液壓反作用式力矩器的加矩系統，使浮球相對一定的參考坐標系實現控制和穩定。利用熱交換器進行溫度控制。通過電腦程式對浮球進行自動校準和自動對準。浮球平台具有框架陀螺平台的全部功能，而且對載體振動、衝擊等有良好的隔離作用，克服了框架陀螺平台因軸承摩擦引起的平台靜差角；並能承受飛彈機動發射的惡劣環境和再入時的大過載，有效提高了制導精度；能進行全姿態測量；具有高精度的快速自動對準，縮短了發射時間；解決了彈道飛彈發射時目標更換問題；具有信息數位化傳輸和自動化檢測功能；隔熱和溫控效能高，有利於保證慣性器件的測量精度。但結構複雜，成本昂貴，維護困難，多用於戰略彈道飛彈。
發展概況
陀螺穩定平台的發展，隨著陀螺儀的演變而變化。早在1936年，出現了滾珠軸承式的動力陀螺穩定平台，在軍艦上用作測距儀的穩定器。1950年美國研製成功三軸陀螺穩定平台XN-1。之後，在飛彈和運載火箭慣性制導系統中，相繼出現了靜壓氣浮陀螺平台、動壓氣浮自由轉子陀螺平台、液浮陀螺平台等，由於陀螺平台採用了這些浮力支承，摩擦力矩減小的陀螺儀，其精度得到提高。美國分別套用在“潘興”I飛彈、“土星”運載火箭、“民兵”Ⅰ、Ⅱ飛彈以及“北極星”飛彈上。60年代末，美國研製出結構簡單、精度高、成本低的撓性陀螺儀為敏感元件的撓性陀螺平台，它在“三叉戟”Ⅰ潛地飛彈、“戰斧”巡航飛彈，以及“潘興”Ⅱ飛彈上得到套用。隨著陀螺平台技術的研究和發展，1973年美國研製出沒有框架的浮球平台，即高級慣性參考球平台。為了進一步提高制導精度和可靠性，對浮球平台的支撐系統和溫控系統進行了改進。陀螺穩定平台已由框架陀螺平台發展到浮球平台，陀螺平台的質量由幾十千克發展到僅0. 8千克，外廓尺寸由0.5米以上發展到僅為0.08米的小型陀螺平台。
陀螺穩定平台將繼續向高精度、高可靠性、低成本、小型化，並對陀螺平台誤差進行補償的方向發展。
