[科普中国]-陀螺稳定平台

基本概念

工程技术中实际应用的陀螺，一般由内外两个框架、基本陀螺以及修正装置等组成。

基本陀螺有两个主要特性：定轴性和进动性。应用陀螺的这两个特性制造出—系列仪表，供在空中、水上、水下和陆地，上运动的物体指示方向。海空重力测量就利用垂直陀螺仪表来指示船舰、飞机的重力方向，以控制重力仪轴向与重力方向一致，消除干扰加速度的影响。垂直陀螺仪是—种简单的两由度陀螺仪表，其精度是不高的。应用自动控制技术将陀螺、角度转换器、放大器及校正网路和执行机构等部件组成—个力平彻式闭路系统，以自动修正方向。这种使用单自由度陀螺并加力平衡式反馈回路的系统称为稳定平台。它的构造比陀螺仪复杂，但性能却要好得多。海洋重力仪最好与陀螺稳定平台配套，以提高海上测量的精确度。

陀螺稳定平台是惯性导航、惯性制导、惯性测量等惯性技术应用系统的核心部件之一，可隔离载体的扰动而保持其稳定性，为光电探测器等放置在平台上的测量元件提供准确的惯性空间指向，是伺服跟踪系统的基石。

不同类型平台的系统性能通常情况，根据陀螺的安装位置不同，稳定平台系统可分为进动陀螺、伺服连接以及随动平台方式几种类型。其特征与优缺点见下表。2

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以随动平台方式为例，它是将光学镜头、摄像机和速率陀螺均安装在稳定平台的内框上，系统工作时，速率陀螺测量载体在空间三个轴向的转动角速度，经处理后反馈到电机上，控制力矩电机转动，使光轴快速对准目标。这种方式精度高，系统快速性好。虽然不利之处是陀螺装在内框架上，平台小型化比较困难，但随着陀螺技术的进步，目前市场上已有多种性能良好，体积尺寸较小的不同型号陀螺可供选择。

陀螺实际安装的时候，需要十分注意陀螺的安装方式，一定要保证各陀螺敏感轴与各自框架轴线的水平，并且相互之间保持垂直，以免造成陀螺敏感轴方向上的误差和各轴系之间的耦合效应。本系统方位和俯仰轴系的陀螺均安转在方位内框上，有效避免了外框尺寸过大，从而保证负载框具有较小的转动惯量。同时，每个框架都有一个独立的直流力矩电机直接驱动，这种驱动方式省去了减速机构，有效地消除了齿轮间隙误差问题。由于其耦合刚度高，增大了系统的机械共振频率，因而有利于提高系统的频带响应和定位精度。2

稳定作用原理陀螺稳定平台泛指采用陀螺仪为反馈元件，隔离动基座对负载的角扰动，使负载稳定在固定的惯性空间的转台。当负载的支承轴无任何干扰力矩作用时，平台将相对惯性空间始终保持在原来的角位置上。当负载因干扰力矩作用而偏离原来的方位时，陀螺敏感测量轴的变化的姿态角或角速率，并经过控制系统后反馈给电机，通过电机产生补偿力矩对干扰力矩进行补偿，从而使负载保持稳定。

分类、组成及工作原理陀螺稳定平台按结构形式可分为框架陀螺平台和浮球平台两种。

框架陀螺平台按其稳定的轴数，又分为单轴、双轴和三轴陀螺稳定平台。它主要由平台台体、框架系统（即内框架、外框架和基座）、稳定系统（由平台台体上的陀螺仪、伺服放大器和框架轴上的力矩电机等构成，又称稳定回路、伺服回路）和初始对准系统（包括平台台体上的对准敏感元件、变换放大器和稳定系统）等组成。陀螺稳定平台使用何种陀螺仪作为稳定敏感元件，就称为何种陀螺平台，如气浮陀螺平台、液浮陀螺平台、挠性陀螺平台和静电陀螺平台等。

三轴陀螺稳定平台有3条稳定系统通道，2条初始对准系统水平对准通道和1条方位对准通道。其工作状态：一是陀螺平台不受载体运动和干扰力矩的影响，能使平台台体相对惯性空间保持方位稳定；二是在指令电流控制作用下，使平台台体按给定规律转动而跟踪某一参考坐标系进行稳定。利用外部参考基准或平台台体上的对准敏感元件，可以实现初始对准。三轴陀螺稳定平台应用较广泛。

浮球平台又称高级惯性参考球平台。主要由浮球（即内球）、球壳（即外球）、信号传输系统、姿态读出系统、加矩系统、温控系统、自动校准与对准系统和计算机接口装置等组成。

浮球平台的浮球内装3个陀螺仪、3个加速度计和电子组件，浮球与球壳之间充以低粘性的碳氢液体，通常用电动涡轮液压泵提供连续流动悬浮液，将浮球悬浮在球壳中。在球壳上安装有倍增器、倍减器、姿态读出器（激励带式感应传感器）、加速度计读出器、温控器与计算机接口装置等。浮球中的陀螺仪、加速度计和姿态传感器信号传输系统，采用混频和多路传输，经电刷送到直流线路并在外电子组件中处理，然后由载波编码，通过接口送到计算机中。采用液压反作用式力矩器的加矩系统，使浮球相对一定的参考坐标系实现控制和稳定。利用热交换器进行温度控制。通过计算机程序对浮球进行自动校准和自动对准。浮球平台具有框架陀螺平台的全部功能，而且对载体振动、冲击等有良好的隔离作用，克服了框架陀螺平台因轴承摩擦引起的平台静差角；并能承受导弹机动发射的恶劣环境和再入时的大过载，有效提高了制导精度；能进行全姿态测量；具有高精度的快速自动对准，缩短了发射时间；解决了弹道导弹发射时目标更换问题；具有信息数字化传输和自动化检测功能；隔热和温控效能高，有利于保证惯性器件的测量精度。但结构复杂，成本昂贵，维护困难，多用于战略弹道导弹。

发展概况陀螺稳定平台的发展，随着陀螺仪的演变而变化。早在1936年，出现了滚珠轴承式的动力陀螺稳定平台，在军舰上用作测距仪的稳定器。1950年美国研制成功三轴陀螺稳定平台XN-1。之后，在导弹和运载火箭惯性制导系统中，相继出现了静压气浮陀螺平台、动压气浮自由转子陀螺平台、液浮陀螺平台等，由于陀螺平台采用了这些浮力支承，摩擦力矩减小的陀螺仪，其精度得到提高。美国分别应用在“潘兴”I导弹、“土星”运载火箭、“民兵”Ⅰ、Ⅱ导弹以及“北极星”导弹上。60年代末，美国研制出结构简单、精度高、成本低的挠性陀螺仪为敏感元件的挠性陀螺平台，它在“三叉戟”Ⅰ潜地导弹、“战斧”巡航导弹，以及“潘兴”Ⅱ导弹上得到应用。随着陀螺平台技术的研究和发展，1973年美国研制出没有框架的浮球平台，即高级惯性参考球平台。为了进一步提高制导精度和可靠性，对浮球平台的支撑系统和温控系统进行了改进。陀螺稳定平台已由框架陀螺平台发展到浮球平台，陀螺平台的质量由几十千克发展到仅0. 8千克，外廓尺寸由0.5米以上发展到仅为0.08米的小型陀螺平台。

陀螺稳定平台将继续向高精度、高可靠性、低成本、小型化，并对陀螺平台误差进行补偿的方向发展。