慣性技術(shù)課件1--慣性技術(shù)簡介 (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)容慣性導航：慣性導航：器件器件:q 陀螺儀陀螺儀 (Gyroscopes)q 加速度計加速度計 (Accelerometers)系統(tǒng)系統(tǒng) ( Inertial Navigation Systems INS):q 平臺式慣導系統(tǒng)平臺式慣導系統(tǒng) ( Platform INS)q 捷聯(lián)慣導系統(tǒng)捷聯(lián)慣導系統(tǒng) (Strapdown INS SINS)Lecture 1 -

2、Introduction31.0 導航的概念導航的概念導航：導航：提供載體的運動信息提供載體的運動信息, 如位置、速度、姿態(tài)等如位置、速度、姿態(tài)等導航、制導與控制之間的關(guān)系導航、制導與控制之間的關(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)導航（信息反饋）導航（信息反饋）Lecture 1 - Introduction42.1 慣性導航的基礎慣性導航的基礎慣性導航以牛頓第二定律為基礎慣性導航以牛頓第二定律為基礎 maF 動力學動力學(dynamics)慣性導航以對載體的加速度的測量為起點慣性導航以對載體的加速度的測量為起點 ( 使用加速度計使用加速度計 accelerometers )

3、.mFa/am敏感軸敏感軸萬有引力的影響萬有引力的影響Lecture 1 - Introduction52.2*慣性導航的基本思想慣性導航的基本思想位置、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慣性導航的特點慣性導航的特點: q 自主自主 (Autonomous, self-contained)q 無需外部信息無需外部信息q 只依賴于對載體的慣性測量只依賴于對載體的慣性測量 (借助加速度計、陀螺儀借助加速度計、陀螺儀)Lecture 1 - Introduction62.3 二維導航例子二維導航例子 平面二維導航平面二維導航

4、載體載體平臺平臺加速度計的輸出經(jīng)一次積分加速度計的輸出經(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 導航過程中，平臺需要跟蹤導導航過程中，平臺需要跟蹤導航參考坐標系航參考坐標系 OXY.q 平臺的穩(wěn)定是借助于陀螺儀平臺的穩(wěn)定是借助于陀螺儀 (gyroscope) 實現(xiàn)的實現(xiàn)的. 平臺式平臺式 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 來自古希臘語來自古希臘語: : 旋轉(zhuǎn)敏感器（旋轉(zhuǎn)敏感器（相對慣相對慣性空間的絕對轉(zhuǎn)動性空間的絕對轉(zhuǎn)動） 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, 以便實現(xiàn)對以便實現(xiàn)對旋轉(zhuǎn)的測量旋轉(zhuǎn)的測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 支撐的改進支撐的改進框架框架 (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點 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 由干擾導致的轉(zhuǎn)子軸相對慣由干擾導致的轉(zhuǎn)子軸相對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 慣性導航的精度慣性導航的精度 慣性級慣性級: 0.01deg/hq 陀螺儀的歷史陀螺儀的歷史 設法減少有害力矩、降低漂移的歷史設法減少有害力矩、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利用陀螺驗證地球自轉(zhuǎn)利用陀螺驗證地球自轉(zhuǎn) 后期的技術(shù)改進后期的技術(shù)改進Lecture 1 - Introduction114.2 歷史歷史: 在航海的應用在航海的應用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世紀后期，大量的木質(zhì)世紀后期，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, 但面臨著自動尋北但面臨著自動尋北的挑戰(zhàn)的挑戰(zhàn)1908年年, Anschutz (德國德國) 發(fā)明了陀螺羅經(jīng)發(fā)明了陀螺羅經(jīng) (gyro compass)1909年年, Sperry (美國美國) 也獨也獨立研制出陀螺羅經(jīng)立研制出陀螺羅經(jīng). 陀螺羅經(jīng)的出現(xiàn)標志著陀螺儀技術(shù)陀螺羅經(jīng)的出現(xiàn)標志著陀螺儀技術(shù)現(xiàn)代應用的發(fā)端現(xiàn)代應用的發(fā)端Lecture 1 - Introduction134.3 歷史歷史: 航空中的應用航空中的應用q 1920s, 應用于早期的飛機應用于早期的飛機 測量飛機的姿態(tài)測量飛機的姿態(tài)方位方位滾動滾動 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: 早期導彈中的應用早期導彈中的應用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，德國導彈專家大量轉(zhuǎn)移到美國和前蘇聯(lián)二戰(zhàn)后，德國導彈專家大量轉(zhuǎn)移到美國和前蘇聯(lián) (Van Braun)冷戰(zhàn)期間蘇美競賽冷戰(zhàn)期間蘇美競賽1950s早期，早期，MIT Draper 實驗室研制出液浮陀螺實驗室研制出液浮陀螺 (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 號之旅號之旅1958，潛艇，潛艇 Argonaut 號之旅號之旅珍珠港珍珠港 白令海峽白令海峽 北極北極 Portland 港港21days，15000 Km 標志著慣性導航技術(shù)的成熟標志著慣性導航技術(shù)的成熟 Lecture 1 - Introduction175.0 兩種趨勢兩種趨勢60年代后，陀螺儀的發(fā)展年代后，陀螺儀的發(fā)展趨勢呈現(xiàn)出兩種分支：趨勢呈現(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 對更高精度的追求對更高精度的追求框架支撐系統(tǒng)的改進框架支撐系統(tǒng)的改進 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 后期投入實用后期投入實用q 用于慣導，優(yōu)于用于慣導，優(yōu)于 10e-7 deg/h q 用于太空望遠鏡用于太空望遠鏡 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 早期開始研制早期開始研制, 1970s 后期進入實用后期進入實用光纖陀螺光纖陀螺 (Fiber Optical Gyro FOG)1970s 開始研制開始研制, 1980s 早期進入實用早期進入實用Lecture 1 - Introduction205.2 振動陀螺振動陀螺振動振動 (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 微機電微機電 (MEMS)Micro Electro-Mechanical SystemsMicromachined Electro-Mechanical SystemsLecture 1 - Introduction216.0 兩類慣導系統(tǒng)的發(fā)展兩類慣導系統(tǒng)的發(fā)展平臺式平臺式慣導系統(tǒng)慣導系統(tǒng) (PINS, or INS)(后來的后來的 Draper 實驗室實驗室)1950s MIT 研制出首套慣導系統(tǒng)研制出首套慣導系統(tǒng)1960s,1970s 廣泛應用廣泛應用1980s 應用逐漸縮減，限于戰(zhàn)略高端應用逐漸縮減，限于戰(zhàn)略高端捷聯(lián)式捷聯(lián)式慣導系統(tǒng)慣導系統(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 應用迅速增長應用迅速