L1导航原理哈工大导航原理惯性技术

1、1Inertial Navigation导航原理2课程内容惯性导航：全球定位系统 (Global Positioning System GPS )惯性器件:q 陀螺仪 (Gyroscopes)q 加速度计 (Accelerometers)惯性导航系统( Inertial Navigation Systems INS):q 平台式惯导系统 ( Platform INS)q 捷联惯导系统 (Strapdown INS SINS)31.0 导航的概念导航：提供载体的运动信息, 如位置、速度、姿态等导航、制导与控制之间的关系:控制器执行器位置速度姿态导航（信息反馈）41.1 导航的类型q 路标导航 (

2、Landmark)远古时代就已存在，且不限于人类q 天文导航 (Astronomical)通过观察天体 (celestial bodies), 如太阳、行星、月球等51.1 导航的类型q 卫星导航 (Satellite Navigation) GPS, GLONASS, Galileo, 北斗 (Northern Star) q 定位推算导航 (Dead Reckoning DR)当前位置 = 初始位置 + 经过的位移(displacement)惯性导航就是一种定位推算导航62.1 惯性导航: 惯性惯性物体保持静止或原来的运动状态不变, 直到受到外界作用 - Collins Dictionar

3、y.q 质点的惯性 质量 (mass)q 刚体的惯性 转动惯量 (angular inertia)72.2 牛顿运动定律 (Newtons Laws)惯性导航以牛顿运动定律为基础 q 第一: 惯性定律q 第二: maF 动力学(dynamics)q 第三: 作用和反作用 惯性导航以对载体的加速度的测量为起点 ( 使用加速度计 accelerometers ).mFa/am敏感轴万有引力的影响82.3*惯性导航的基本思想位置、速度和加速度之间的关系 :dtdsV dtdVa tadtVV00tVdtSS00惯性导航的特点: q 自主 (Autonomous, self-contained)q 只

4、依赖于对载体的惯性测量 (借助加速度计、陀螺仪)q 连续稳定的输出 92.4 二维导航例子 平面二维导航载体平台加速度计的输出经过一次积分达到速度，二次积分得到位置.Acc. XAcc. Yxayaxa xv xs ya yv ys q 导航过程中，平台需要跟踪导航参考坐标系 OXY.q 平台的稳定是借助于陀螺仪 (gyroscope) 实现的. 平台式 vs 捷联式103.1 陀螺仪 广义的概念 来自古希腊语: 旋转敏感器 传统的概念陀螺: 高速自旋的刚体 陀螺仪:陀螺 + 支撑装置, 以便实现对旋转的测量从玩具陀螺说起: q 高速自转的刚体具有定轴性q 定轴性易受破坏 干扰因素 q 摩擦

5、q 不平衡113.2 支撑支撑的改进 - 框架 (gimbals) Outer Ring axisOuter Ring Inner Ring Inner Ring axisRotor axisRotorBaseEquivalent supporting point 自由度 (DOF) - 转子的- 转子轴的二自由度陀螺仪 (自转轴) RotoraxisRotorBaseInnerringInnerringaxis单自由度陀螺仪123.3 漂移和漂移率 q 漂移 由干扰导致的转子轴相对惯性空间缓慢的方向变化q 漂移率 漂移的快慢 （deg/h）漂移 (Drift) 和漂移率q 惯性导航的精度 惯

6、性级: 0.01deg/hq 陀螺仪的历史 设法减少有害力矩、降低漂移的历史134.0 历史: BohnenbergerBohnenbergers Machine, 1813144.0 历史: 傅科 傅科 (Foucault) 的工作法国物理学家 (1819-1868)为了验证地球的自转傅科摆Foucault Pendulum(1851)L = 67mM =28kgD = 6mPantheon in Paris154.1 历史: 傅科陀螺仪Foucault gyroscope (1852)Earth利用陀螺验证地球自转 后期的技术改进164.2 历史: 在航海的应用q 磁罗盘 (Magneti

7、c compass) 被用于早期的航海q 19世纪后期，大量的木质轮船被钢铁材质的轮船取代，使磁罗盘的效能受到影响. q 磁罗盘的使用在地球两极附近受到限制q 寻找替代的方向指示装置174.2 历史: 陀螺罗经陀螺仪被寄予希望, 但面临着自动寻北的挑战1908年, Anschutz (德国) 发明了陀螺罗经 (gyro compass)1909年, Sperry (美国) 也独立研制出陀螺罗经. 陀螺罗经的出现标志着陀螺仪技术的现代应用的发端184.3 历史: 航空中的应用q 1920s, 应用于早期的飞机 测量飞机的姿态方位滚动 俯仰 q 陀螺地平仪q 陀螺航向仪194.4 历史: 早期导弹

8、中的应用q 1930s, Goddard (US) 的先期研究q 1940s, V-1、V-2 V-1: 巡航 (cruising) 导弹 (1942)二战中大量使用1944.6 -1945.4，发射了10500 枚.V-2 : 弹道式 (ballistic) 发射 1700 枚204.5 历史: 冷战阶段二战后，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Sputnik I, 1957Explorer I, 1958Braun214.5 历史: 液浮陀螺早期 1950s，MIT Draper 实验室研制出液浮陀螺 (Fluid suspension gyro)r

9、otorInner ring(Gyro chamber)Outer ring224.6 历史: Argonaut 号之旅1958，潜艇 Argonaut 号之旅珍珠港 白令海峡 北极 Portland 港21days，15000 Km 标志着惯性导航技术的成熟 235.0 两种趋势60年代后，陀螺仪的发展趋势呈现出两种分支： q 追求更高的精度q 低成本小型化 (for SINS)5.1 对更高精度的追求框架支撑系统的改进 液浮, 气浮, 磁悬浮精度优于 10 e-7 deg/h 245.1 高精度: 静电陀螺静电悬浮陀螺 (ESG)：采用非接触式支撑 陶瓷壳体球形转子自转轴球形电极钛离子泵q

10、 1952 Nordsieck 提出q 1970s 后期投入实用q 用于惯导，优于 10e-7 deg/h q 用于太空望远镜 10e-11 deg/h缺陷：结构复杂、昂贵255.2 低成本、小型化环形激光陀螺 (Ring laser gyro - RLG) 1960s 早期开始研制, 1970s 后期进入实用光纤陀螺 (Fiber Optical Gyro FOG)1970s 开始研制, 1980s 早期进入实用265.2 光纤陀螺 (FOG)1970s 开始研制, 1980s 早期达到实用光纤陀螺应用的快速增长Mech.RLGFOG275.2 振动陀螺振动 (vibratory) 陀螺q

11、音叉 (Tuning fork) q 压电 (Piezoelectric) 陀螺q 半球谐振陀螺 (Hemi-spherical resonant gyro, HRG )q 微机电 (MEMS)Micro Electro-Mechanical SystemsMicromachined Electro-Mechanical Systems286.0 惯性导航系统的发展平台式惯导系统 (PINS, or INS)(后来的 Draper 实验室)1950s - MIT 仪器实验室研制出首套惯导系统1960s 平台式惯导系统得到广泛应用1980s 应用领域开始收缩捷联式惯导系统 (SINS)1960s

12、 思想提出1970s 理论已完善，产品还不成熟1980s 应用迅速增长. 29课程资源PPT downloading:http:/ (仅校园网访问)Textbooks： Strapdown Inertial Navigation Technology- 电子版惯导系统陀螺仪原理 - 电子版Exam: Close book, close noteContact: 15204694662301.0 导航的概念导航：提供载体的运动信息, 如位置、速度、姿态等导航、制导与控制之间的关系:控制器执行器位置速度姿态导航（信息反馈）311.1 导航的类型q 卫星导航 (Satellite Navigation) GPS, GLONASS, Galileo, 北斗 (Northern Star) q 定位推算导航 (Dead Reckoning DR)当前位置 = 初始位置 + 经过的位移(displacement)惯性导航就是一种定位推算导航321.1 导航的类型q 卫星导航 (Satellite Navigation) GPS, GLONASS, Galileo, 北斗 (Northern Star) q 定位推算导航 (Dead Reckoning DR)当前位置 = 初始位置 + 经过的位移(displacement)惯性导航就是一种定位推算导航334.0