慣性技術(shù)課件1--慣性技術(shù)簡(jiǎn)介 (哈工大版,1-16全)

1、Lecture 1 - Introduction1Inertial Technology慣性技術(shù)慣性技術(shù)付振憲付振憲School of Astronautics, HITLecture 1 - Introduction2課程內(nèi)容課程內(nèi)容慣性導(dǎo)航：慣性導(dǎo)航：器件器件:q 陀螺儀陀螺儀 (Gyroscopes)q 加速度計(jì)加速度計(jì) (Accelerometers)系統(tǒng)系統(tǒng) ( Inertial Navigation Systems INS):q 平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng) ( Platform INS)q 捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng) (Strapdown INS SINS)Lecture 1 -

2、Introduction31.0 導(dǎo)航的概念導(dǎo)航的概念導(dǎo)航：導(dǎo)航：提供載體的運(yùn)動(dòng)信息提供載體的運(yùn)動(dòng)信息, 如位置、速度、姿態(tài)等如位置、速度、姿態(tài)等導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制之間的關(guān)系導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制之間的關(guān)系:控制器控制器執(zhí)行器執(zhí)行器位置位置速度速度姿態(tài)姿態(tài)導(dǎo)航（信息反饋）導(dǎo)航（信息反饋）Lecture 1 - Introduction42.1 慣性導(dǎo)航的基礎(chǔ)慣性導(dǎo)航的基礎(chǔ)慣性導(dǎo)航以牛頓第二定律為基礎(chǔ)慣性導(dǎo)航以牛頓第二定律為基礎(chǔ) maF 動(dòng)力學(xué)動(dòng)力學(xué)(dynamics)慣性導(dǎo)航以對(duì)載體的加速度的測(cè)量為起點(diǎn)慣性導(dǎo)航以對(duì)載體的加速度的測(cè)量為起點(diǎn) ( 使用加速度計(jì)使用加速度計(jì) accelerometers )

3、.mFa/am敏感軸敏感軸萬(wàn)有引力的影響萬(wàn)有引力的影響Lecture 1 - Introduction52.2*慣性導(dǎo)航的基本思想慣性導(dǎo)航的基本思想位置、速度和加速度之間的關(guān)系位置、速度和加速度之間的關(guān)系 :dtdsV dtdVa tadtVV00tVdtSS00慣性導(dǎo)航的特點(diǎn)慣性導(dǎo)航的特點(diǎn): q 自主自主 (Autonomous, self-contained)q 無(wú)需外部信息無(wú)需外部信息q 只依賴于對(duì)載體的慣性測(cè)量只依賴于對(duì)載體的慣性測(cè)量 (借助加速度計(jì)、陀螺儀借助加速度計(jì)、陀螺儀)Lecture 1 - Introduction62.3 二維導(dǎo)航例子二維導(dǎo)航例子 平面二維導(dǎo)航平面二維導(dǎo)航

4、載體載體平臺(tái)平臺(tái)加速度計(jì)的輸出經(jīng)一次積分加速度計(jì)的輸出經(jīng)一次積分得速度，二次積分得位置得速度，二次積分得位置.Acc. XAcc. Yxayaxa xv xs ya yv ys q 導(dǎo)航過(guò)程中，平臺(tái)需要跟蹤導(dǎo)導(dǎo)航過(guò)程中，平臺(tái)需要跟蹤導(dǎo)航參考坐標(biāo)系航參考坐標(biāo)系 OXY.q 平臺(tái)的穩(wěn)定是借助于陀螺儀平臺(tái)的穩(wěn)定是借助于陀螺儀 (gyroscope) 實(shí)現(xiàn)的實(shí)現(xiàn)的. 平臺(tái)式平臺(tái)式 vs 捷聯(lián)式捷聯(lián)式Lecture 1 - Introduction73.1*陀螺儀陀螺儀 廣義概念廣義概念 來(lái)自古希臘語(yǔ)來(lái)自古希臘語(yǔ): : 旋轉(zhuǎn)敏感器（旋轉(zhuǎn)敏感器（相對(duì)慣相對(duì)慣性空間的絕對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)性空間的絕對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)） 狹義概念狹義

5、概念陀螺陀螺: 高速自旋的剛體高速自旋的剛體 陀螺儀陀螺儀:陀螺陀螺 + 支撐裝置支撐裝置, 以便實(shí)現(xiàn)對(duì)以便實(shí)現(xiàn)對(duì)旋轉(zhuǎn)的測(cè)量旋轉(zhuǎn)的測(cè)量陀螺的定軸性陀螺的定軸性: q 高速自轉(zhuǎn)的剛體具有定軸性高速自轉(zhuǎn)的剛體具有定軸性q 定軸性易受破壞定軸性易受破壞 Lecture 1 - Introduction83.2 支撐的改進(jìn)支撐的改進(jìn)框架框架 (gimbals) 外環(huán)軸外環(huán)軸外環(huán)外環(huán) 內(nèi)環(huán)內(nèi)環(huán) 內(nèi)環(huán)軸內(nèi)環(huán)軸轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子基座基座等效支撐等效支撐點(diǎn)點(diǎn) 自由度自由度 (DOF) - 轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子的- 轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)子軸的二自由度陀螺儀二自由度陀螺儀 (自轉(zhuǎn)軸自轉(zhuǎn)軸) 轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子基座基座內(nèi)環(huán)內(nèi)環(huán)內(nèi)環(huán)

6、軸內(nèi)環(huán)軸單自由度陀螺儀單自由度陀螺儀Lecture 1 - Introduction93.3 漂移和漂移率漂移和漂移率 q 漂移漂移 由干擾導(dǎo)致的轉(zhuǎn)子軸相對(duì)慣由干擾導(dǎo)致的轉(zhuǎn)子軸相對(duì)慣性空間緩慢的方向變化性空間緩慢的方向變化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 慣性導(dǎo)航的精度慣性導(dǎo)航的精度 慣性級(jí)慣性級(jí): 0.01deg/hq 陀螺儀的歷史陀螺儀的歷史 設(shè)法減少有害力矩、降低漂移的歷史設(shè)法減少有害力矩、降低漂移的歷史Lecture 1 - Introduction104.1 歷史歷史: 傅科陀螺儀傅科陀螺儀Foucault gyros

7、cope (1852)Earth利用陀螺驗(yàn)證地球自轉(zhuǎn)利用陀螺驗(yàn)證地球自轉(zhuǎn) 后期的技術(shù)改進(jìn)后期的技術(shù)改進(jìn)Lecture 1 - Introduction114.2 歷史歷史: 在航海的應(yīng)用在航海的應(yīng)用q 磁羅盤磁羅盤 (Magnetic compass) 被用于早期的航海被用于早期的航海q 19世紀(jì)后期，大量的木質(zhì)世紀(jì)后期，大量的木質(zhì)輪船被鋼鐵材質(zhì)的輪船取代，輪船被鋼鐵材質(zhì)的輪船取代，使磁羅盤的效能受到影響使磁羅盤的效能受到影響. q 磁羅盤的使用在地球兩極磁羅盤的使用在地球兩極附近受到限制附近受到限制q 尋找替代的方向指示裝置尋找替代的方向指示裝置Lecture 1 - Introductio

8、n124.2 歷史歷史: 陀螺羅經(jīng)陀螺羅經(jīng)陀螺儀被寄予希望陀螺儀被寄予希望, 但面臨著自動(dòng)尋北但面臨著自動(dòng)尋北的挑戰(zhàn)的挑戰(zhàn)1908年年, Anschutz (德國(guó)德國(guó)) 發(fā)明了陀螺羅經(jīng)發(fā)明了陀螺羅經(jīng) (gyro compass)1909年年, Sperry (美國(guó)美國(guó)) 也獨(dú)也獨(dú)立研制出陀螺羅經(jīng)立研制出陀螺羅經(jīng). 陀螺羅經(jīng)的出現(xiàn)標(biāo)志著陀螺儀技術(shù)陀螺羅經(jīng)的出現(xiàn)標(biāo)志著陀螺儀技術(shù)現(xiàn)代應(yīng)用的發(fā)端現(xiàn)代應(yīng)用的發(fā)端Lecture 1 - Introduction134.3 歷史歷史: 航空中的應(yīng)用航空中的應(yīng)用q 1920s, 應(yīng)用于早期的飛機(jī)應(yīng)用于早期的飛機(jī) 測(cè)量飛機(jī)的姿態(tài)測(cè)量飛機(jī)的姿態(tài)方位方位滾動(dòng)滾動(dòng) 俯

9、仰俯仰 q 陀螺地平儀陀螺地平儀q 陀螺航向儀陀螺航向儀Lecture 1 - Introduction144.4 歷史歷史: 早期導(dǎo)彈中的應(yīng)用早期導(dǎo)彈中的應(yīng)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 歷史歷史: 液浮陀螺液浮陀螺二戰(zhàn)后，德國(guó)導(dǎo)彈專家大量轉(zhuǎn)移到美國(guó)和前蘇聯(lián)二戰(zhàn)后，德國(guó)導(dǎo)彈專家大量轉(zhuǎn)移到美國(guó)和前蘇聯(lián) (Van Braun)冷戰(zhàn)期間蘇美競(jìng)賽冷戰(zhàn)期間蘇美競(jìng)賽1950s早期，早期，MIT Draper 實(shí)驗(yàn)室研制出液浮陀螺實(shí)驗(yàn)室研制出液浮陀螺 (Fluid s

10、uspension gyro)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子內(nèi)環(huán)內(nèi)環(huán)(陀螺房陀螺房)外環(huán)外環(huán)Lecture 1 - Introduction164.6 歷史歷史: Argonaut 號(hào)之旅號(hào)之旅1958，潛艇，潛艇 Argonaut 號(hào)之旅號(hào)之旅珍珠港珍珠港 白令海峽白令海峽 北極北極 Portland 港港21days，15000 Km 標(biāo)志著慣性導(dǎo)航技術(shù)的成熟標(biāo)志著慣性導(dǎo)航技術(shù)的成熟 Lecture 1 - Introduction175.0 兩種趨勢(shì)兩種趨勢(shì)60年代后，陀螺儀的發(fā)展年代后，陀螺儀的發(fā)展趨勢(shì)呈現(xiàn)出兩種分支：趨勢(shì)呈現(xiàn)出兩種分支： 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 對(duì)更高精度的追求對(duì)更高精度的追求框架支撐系統(tǒng)的改進(jìn)框架支撐系統(tǒng)的改進(jìn) 液浮液浮, 氣浮氣浮, 磁懸浮磁懸浮精度優(yōu)于精度優(yōu)于 10 e-7 deg/h Lecture 1 - Introduction185.1*高精度高精度: 靜電陀螺靜電陀螺靜電懸浮陀螺靜電懸浮陀螺 ：非接觸支撐：非接觸支撐 陶瓷陶瓷殼體殼體球形球形轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)軸自轉(zhuǎn)軸球形電極球形電極鈦離子泵鈦離子泵q 1952 Nordsieck 提出提出q 1970s 后期投入實(shí)用后期投入實(shí)用q 用于慣導(dǎo)，優(yōu)于用于慣導(dǎo)，優(yōu)于 10e-7 deg/h q 用于太空望遠(yuǎn)鏡用于太空望遠(yuǎn)鏡 10e-11 deg/hLectu

12、re 1 - Introduction195.2 低成本、小型化低成本、小型化環(huán)形激光陀螺環(huán)形激光陀螺 (Ring laser gyro - RLG) 1960s 早期開(kāi)始研制早期開(kāi)始研制, 1970s 后期進(jìn)入實(shí)用后期進(jìn)入實(shí)用光纖陀螺光纖陀螺 (Fiber Optical Gyro FOG)1970s 開(kāi)始研制開(kāi)始研制, 1980s 早期進(jìn)入實(shí)用早期進(jìn)入實(shí)用Lecture 1 - Introduction205.2 振動(dòng)陀螺振動(dòng)陀螺振動(dòng)振動(dòng) (vibratory) 陀螺陀螺q 音叉音叉 (Tuning fork) q 壓電壓電 (Piezoelectric) 陀螺陀螺q 半球諧振陀螺半球諧振

13、陀螺 (Hemi-spherical resonant gyro, HRG )q 微機(jī)電微機(jī)電 (MEMS)Micro Electro-Mechanical SystemsMicromachined Electro-Mechanical SystemsLecture 1 - Introduction216.0 兩類慣導(dǎo)系統(tǒng)的發(fā)展兩類慣導(dǎo)系統(tǒng)的發(fā)展平臺(tái)式平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)慣導(dǎo)系統(tǒng) (PINS, or INS)(后來(lái)的后來(lái)的 Draper 實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)室)1950s MIT 研制出首套慣導(dǎo)系統(tǒng)研制出首套慣導(dǎo)系統(tǒng)1960s,1970s 廣泛應(yīng)用廣泛應(yīng)用1980s 應(yīng)用逐漸縮減，限于戰(zhàn)略高端應(yīng)用逐漸縮減，限于戰(zhàn)略高端捷聯(lián)式捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)慣導(dǎo)系統(tǒng) (SINS)1960s 思想提出思想提出1970s 理論已完善，產(chǎn)品還不成熟理論已完善，產(chǎn)品還不成熟1980s 應(yīng)用迅速增長(zhǎng)應(yīng)用迅速