惯性技术课件1--惯性技术简介 (哈工大版,1-16全)

1、Lecture 1 - Introduction1Inertial Technology惯性技术惯性技术付振宪付振宪School of Astronautics, HITLecture 1 - Introduction2课程内容课程内容惯性导航：惯性导航：器件器件:q 陀螺仪陀螺仪 (Gyroscopes)q 加速度计加速度计 (Accelerometers)系统系统 ( Inertial Navigation Systems INS):q 平台式惯导系统平台式惯导系统 ( Platform INS)q 捷联惯导系统捷联惯导系统 (Strapdown INS SINS)Lecture 1 -

2、Introduction31.0 导航的概念导航的概念导航：导航：提供载体的运动信息提供载体的运动信息, 如位置、速度、姿态等如位置、速度、姿态等导航、制导与控制之间的关系导航、制导与控制之间的关系:控制器控制器执行器执行器位置位置速度速度姿态姿态导航（信息反馈）导航（信息反馈）Lecture 1 - Introduction42.1 惯性导航的基础惯性导航的基础惯性导航以牛顿第二定律为基础惯性导航以牛顿第二定律为基础 maF 动力学动力学(dynamics)惯性导航以对载体的加速度的测量为起点惯性导航以对载体的加速度的测量为起点 ( 使用加速度计使用加速度计 accelerometers )

3、.mFa/am敏感轴敏感轴万有引力的影响万有引力的影响Lecture 1 - Introduction52.2*惯性导航的基本思想惯性导航的基本思想位置、速度和加速度之间的关系位置、速度和加速度之间的关系 :dtdsV dtdVa tadtVV00tVdtSS00惯性导航的特点惯性导航的特点: q 自主自主 (Autonomous, self-contained)q 无需外部信息无需外部信息q 只依赖于对载体的惯性测量只依赖于对载体的惯性测量 (借助加速度计、陀螺仪借助加速度计、陀螺仪)Lecture 1 - Introduction62.3 二维导航例子二维导航例子 平面二维导航平面二维导航

4、载体载体平台平台加速度计的输出经一次积分加速度计的输出经一次积分得速度，二次积分得位置得速度，二次积分得位置.Acc. XAcc. Yxayaxa xv xs ya yv ys q 导航过程中，平台需要跟踪导导航过程中，平台需要跟踪导航参考坐标系航参考坐标系 OXY.q 平台的稳定是借助于陀螺仪平台的稳定是借助于陀螺仪 (gyroscope) 实现的实现的. 平台式平台式 vs 捷联式捷联式Lecture 1 - Introduction73.1*陀螺仪陀螺仪 广义概念广义概念 来自古希腊语来自古希腊语: : 旋转敏感器（旋转敏感器（相对惯相对惯性空间的绝对转动性空间的绝对转动） 狭义概念狭义

5、概念陀螺陀螺: 高速自旋的刚体高速自旋的刚体 陀螺仪陀螺仪:陀螺陀螺 + 支撑装置支撑装置, 以便实现对以便实现对旋转的测量旋转的测量陀螺的定轴性陀螺的定轴性: q 高速自转的刚体具有定轴性高速自转的刚体具有定轴性q 定轴性易受破坏定轴性易受破坏 Lecture 1 - Introduction83.2 支撑的改进支撑的改进框架框架 (gimbals) 外环轴外环轴外环外环 内环内环 内环轴内环轴转子轴转子轴转子转子基座基座等效支撑等效支撑点点 自由度自由度 (DOF) - 转子的转子的- 转子轴的转子轴的二自由度陀螺仪二自由度陀螺仪 (自转轴自转轴) 转子轴转子轴转子转子基座基座内环内环内环

6、轴内环轴单自由度陀螺仪单自由度陀螺仪Lecture 1 - Introduction93.3 漂移和漂移率漂移和漂移率 q 漂移漂移 由干扰导致的转子轴相对惯由干扰导致的转子轴相对惯性空间缓慢的方向变化性空间缓慢的方向变化q 漂移率漂移率 漂移的快慢漂移的快慢 （deg/h）漂移漂移 (Drift) 和漂移率和漂移率q 惯性导航的精度惯性导航的精度 惯性级惯性级: 0.01deg/hq 陀螺仪的历史陀螺仪的历史 设法减少有害力矩、降低漂移的历史设法减少有害力矩、降低漂移的历史Lecture 1 - Introduction104.1 历史历史: 傅科陀螺仪傅科陀螺仪Foucault gyros

7、cope (1852)Earth利用陀螺验证地球自转利用陀螺验证地球自转 后期的技术改进后期的技术改进Lecture 1 - Introduction114.2 历史历史: 在航海的应用在航海的应用q 磁罗盘磁罗盘 (Magnetic compass) 被用于早期的航海被用于早期的航海q 19世纪后期，大量的木质世纪后期，大量的木质轮船被钢铁材质的轮船取代，轮船被钢铁材质的轮船取代，使磁罗盘的效能受到影响使磁罗盘的效能受到影响. q 磁罗盘的使用在地球两极磁罗盘的使用在地球两极附近受到限制附近受到限制q 寻找替代的方向指示装置寻找替代的方向指示装置Lecture 1 - Introductio

8、n124.2 历史历史: 陀螺罗经陀螺罗经陀螺仪被寄予希望陀螺仪被寄予希望, 但面临着自动寻北但面临着自动寻北的挑战的挑战1908年年, Anschutz (德国德国) 发明了陀螺罗经发明了陀螺罗经 (gyro compass)1909年年, Sperry (美国美国) 也独也独立研制出陀螺罗经立研制出陀螺罗经. 陀螺罗经的出现标志着陀螺仪技术陀螺罗经的出现标志着陀螺仪技术现代应用的发端现代应用的发端Lecture 1 - Introduction134.3 历史历史: 航空中的应用航空中的应用q 1920s, 应用于早期的飞机应用于早期的飞机 测量飞机的姿态测量飞机的姿态方位方位滚动滚动 俯

9、仰俯仰 q 陀螺地平仪陀螺地平仪q 陀螺航向仪陀螺航向仪Lecture 1 - Introduction144.4 历史历史: 早期导弹中的应用早期导弹中的应用q 1930s, Goddard (US) 的先期研究的先期研究q 1940s, V-1、V-2 V-1V-2Lecture 1 - Introduction154.5 历史历史: 液浮陀螺液浮陀螺二战后，德国导弹专家大量转移到美国和前苏联二战后，德国导弹专家大量转移到美国和前苏联 (Van Braun)冷战期间苏美竞赛冷战期间苏美竞赛1950s早期，早期，MIT Draper 实验室研制出液浮陀螺实验室研制出液浮陀螺 (Fluid s

10、uspension gyro)转子转子内环内环(陀螺房陀螺房)外环外环Lecture 1 - Introduction164.6 历史历史: Argonaut 号之旅号之旅1958，潜艇，潜艇 Argonaut 号之旅号之旅珍珠港珍珠港 白令海峡白令海峡 北极北极 Portland 港港21days，15000 Km 标志着惯性导航技术的成熟标志着惯性导航技术的成熟 Lecture 1 - Introduction175.0 两种趋势两种趋势60年代后，陀螺仪的发展年代后，陀螺仪的发展趋势呈现出两种分支：趋势呈现出两种分支： q 追求更高的精度追求更高的精度q 低成本小型化低成本小型化 (fo

11、r SINS)5.1 对更高精度的追求对更高精度的追求框架支撑系统的改进框架支撑系统的改进 液浮液浮, 气浮气浮, 磁悬浮磁悬浮精度优于精度优于 10 e-7 deg/h Lecture 1 - Introduction185.1*高精度高精度: 静电陀螺静电陀螺静电悬浮陀螺静电悬浮陀螺 ：非接触支撑：非接触支撑 陶瓷陶瓷壳体壳体球形球形转子转子自转轴自转轴球形电极球形电极钛离子泵钛离子泵q 1952 Nordsieck 提出提出q 1970s 后期投入实用后期投入实用q 用于惯导，优于用于惯导，优于 10e-7 deg/h q 用于太空望远镜用于太空望远镜 10e-11 deg/hLectu

12、re 1 - Introduction195.2 低成本、小型化低成本、小型化环形激光陀螺环形激光陀螺 (Ring laser gyro - RLG) 1960s 早期开始研制早期开始研制, 1970s 后期进入实用后期进入实用光纤陀螺光纤陀螺 (Fiber Optical Gyro FOG)1970s 开始研制开始研制, 1980s 早期进入实用早期进入实用Lecture 1 - Introduction205.2 振动陀螺振动陀螺振动振动 (vibratory) 陀螺陀螺q 音叉音叉 (Tuning fork) q 压电压电 (Piezoelectric) 陀螺陀螺q 半球谐振陀螺半球谐振

13、陀螺 (Hemi-spherical resonant gyro, HRG )q 微机电微机电 (MEMS)Micro Electro-Mechanical SystemsMicromachined Electro-Mechanical SystemsLecture 1 - Introduction216.0 两类惯导系统的发展两类惯导系统的发展平台式平台式惯导系统惯导系统 (PINS, or INS)(后来的后来的 Draper 实验室实验室)1950s MIT 研制出首套惯导系统研制出首套惯导系统1960s,1970s 广泛应用广泛应用1980s 应用逐渐缩减，限于战略高端应用逐渐缩减，限于战略高端捷联式捷联式惯导系统惯导系统 (SINS)1960s 思想提出思想提出1970s 理论已完善，产品还不成熟理论已完善，产品还不成熟1980s 应用迅速增长应用迅速