導(dǎo)航原理之簡(jiǎn)介

InertialTechnology慣性技術(shù)付振憲SchoolofAstronautics,HIT1Lecture1--Introduction課程內(nèi)容慣性導(dǎo)航：器件:陀螺儀(Gyroscopes)加速度計(jì)(Accelerometers)系統(tǒng)(InertialNavigationSystems–INS):平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)(PlatformINS)捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)(StrapdownINS–SINS)2Lecture1--Introduction1.0導(dǎo)航的概念導(dǎo)航：提供載體的運(yùn)動(dòng)信息,如位置、速度、姿態(tài)等導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制之間的關(guān)系:控制器執(zhí)行器位置速度姿態(tài)導(dǎo)航（信息反饋）3Lecture1--Introduction2.1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)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)(使用加速度計(jì)–accelerometers).m敏感軸萬(wàn)有引力的影響4Lecture1--Introduction2.2*慣性導(dǎo)航的基本思想位置、速度和加速度之間的關(guān)系:慣性導(dǎo)航的特點(diǎn):自主(Autonomous,

self-contained)

無(wú)需外部信息

只依賴于對(duì)載體的慣性測(cè)量(借助加速度計(jì)、陀螺儀)5Lecture1--Introduction2.3二維導(dǎo)航例子平面二維導(dǎo)航載體平臺(tái)加速度計(jì)的輸出經(jīng)一次積分得速度，二次積分得位置.Acc.XAcc.Y

導(dǎo)航過程中，平臺(tái)需要跟蹤導(dǎo)航參考坐標(biāo)系OXY.

平臺(tái)的穩(wěn)定是借助于陀螺儀(gyroscope)實(shí)現(xiàn)的.平臺(tái)式vs捷聯(lián)式6Lecture1--Introduction3.1*陀螺儀廣義概念

來(lái)自古希臘語(yǔ):

旋轉(zhuǎn)敏感器（相對(duì)慣性空間的絕對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)）狹義概念陀螺:高速自旋的剛體陀螺儀:陀螺+支撐裝置,以便實(shí)現(xiàn)對(duì)旋轉(zhuǎn)的測(cè)量陀螺的定軸性:

高速自轉(zhuǎn)的剛體具有定軸性

定軸性易受破壞

7Lecture1--Introduction3.2支撐的改進(jìn)框架(gimbals)

外環(huán)軸外環(huán)

內(nèi)環(huán)

內(nèi)環(huán)軸轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)子基座等效支撐點(diǎn)自由度(DOF)---轉(zhuǎn)子的---轉(zhuǎn)子軸的二自由度陀螺儀(自轉(zhuǎn)軸)轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)子基座內(nèi)環(huán)內(nèi)環(huán)軸單自由度陀螺儀8Lecture1--Introduction3.3漂移和漂移率

漂移–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

漂移率–漂移的快慢（deg/h）漂移(Drift)和漂移率

慣性導(dǎo)航的精度–慣性級(jí):0.01deg/h

陀螺儀的歷史–設(shè)法減少有害力矩、降低漂移的歷史9Lecture1--Introduction4.1歷史:傅科陀螺儀Foucaultgyroscope

(1852)Earth利用陀螺驗(yàn)證地球自轉(zhuǎn)后期的技術(shù)改進(jìn)10Lecture1--Introduction4.2歷史:在航海的應(yīng)用磁羅盤(Magneticcompass)被用于早期的航海19世紀(jì)后期，大量的木質(zhì)輪船被鋼鐵材質(zhì)的輪船取代，使磁羅盤的效能受到影響.

磁羅盤的使用在地球兩極附近受到限制

尋找替代的方向指示裝置11Lecture1--Introduction4.2歷史:陀螺羅經(jīng)陀螺儀被寄予希望,但面臨著自動(dòng)尋北的挑戰(zhàn)1908年,Anschutz(德國(guó))發(fā)明了陀螺羅經(jīng)(gyrocompass)1909年,Sperry(美國(guó))也獨(dú)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)現(xiàn)代應(yīng)用的發(fā)端12Lecture1--Introduction4.3歷史:航空中的應(yīng)用1920s,應(yīng)用于早期的飛機(jī)測(cè)量飛機(jī)的姿態(tài)方位滾動(dòng)俯仰

陀螺地平儀

陀螺航向儀13Lecture1--Introduction4.4歷史:早期導(dǎo)彈中的應(yīng)用1930s,Goddard(US)的先期研究1940s,V-1、V-2V-1V-214Lecture1--Introduction4.5歷史: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)(VanBraun)冷戰(zhàn)期間蘇美競(jìng)賽1950s早期，MITDraper實(shí)驗(yàn)室研制出液浮陀螺(Fluidsuspensiongyro)轉(zhuǎn)子內(nèi)環(huán)(陀螺房)外環(huán)15Lecture1--Introduction4.6歷史:Argonaut號(hào)之旅1958，潛艇Argonaut號(hào)之旅珍珠港–白令海峽–北極–Portland港21days，15000Km——標(biāo)志著慣性導(dǎo)航技術(shù)的成熟16Lecture1--Introduction5.0兩種趨勢(shì)60年代后，陀螺儀的發(fā)展趨勢(shì)呈現(xiàn)出兩種分支：

追求更高的精度

低成本小型化(forSINS)5.1對(duì)更高精度的追求框架支撐系統(tǒng)的改進(jìn)–液浮,氣浮,磁懸浮精度優(yōu)于10e-7deg/h17Lecture1--Introduction5.1*高精度:靜電陀螺靜電懸浮陀螺：非接觸支撐陶瓷殼體球形轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)軸球形電極鈦離子泵1952Nordsieck提出1970s后期投入實(shí)用

用于慣導(dǎo)，優(yōu)于10e-7deg/h

用于太空望遠(yuǎn)鏡10e-11deg/h18Lecture1--Introduction5.2低成本、小型化環(huán)形激光陀螺(Ringlasergyro--RLG)

1960s早期開始研制,1970s后期進(jìn)入實(shí)用光纖陀螺(FiberOpticalGyro–FOG)1970s開始研制,1980s早期進(jìn)入實(shí)用19Lecture1--Introduction5.2振動(dòng)陀螺振動(dòng)(vibratory)陀螺

音叉(Tuningfork)

壓電(Piezoelectric)陀螺

半球諧振陀螺(Hemi-sphericalresonantgyro,HRG)

微機(jī)電(MEMS)MicroElectro-MechanicalSystemsMicromachinedElectro-MechanicalSystems20Lecture1--Introduction6.0兩類慣導(dǎo)系統(tǒng)的發(fā)展平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)(PINS,orINS)(后來(lái)的Draper實(shí)驗(yàn)室)1950s–MIT研制出首套慣導(dǎo)系統(tǒng)1960s,1970s–廣泛應(yīng)用1980s–應(yīng)用逐漸縮減，限于戰(zhàn)略高端捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)(SINS)1960s–思想提出1970s–理論已完善，產(chǎn)品還不成熟1980s–應(yīng)用迅速增長(zhǎng).21Lecture1--Introduction課程資源PPTdownloading:(僅校園網(wǎng)訪問)Textbooks：