平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)

1、Lecture 6 - Basic types of INS1Platform Inertial Navigation System平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)Lecture 6 - Basic types of INS2Outline慣導(dǎo)系統(tǒng)的分類(lèi)慣導(dǎo)系統(tǒng)的分類(lèi)基于當(dāng)?shù)氐乩碜鴺?biāo)系的基于當(dāng)?shù)氐乩碜鴺?biāo)系的INS - 穩(wěn)定與修正穩(wěn)定與修正基于慣性坐標(biāo)系的基于慣性坐標(biāo)系的INS 重力補(bǔ)償重力補(bǔ)償框架系統(tǒng)框架系統(tǒng)Lecture 6 - Basic types of INS3vehicleplatform1.0 慣導(dǎo)系統(tǒng)的任務(wù)慣導(dǎo)系統(tǒng)的任務(wù)X Acc.Y Acc.xaxaxVxSyayayVyS導(dǎo)航過(guò)程

2、中導(dǎo)航過(guò)程中, 平臺(tái)必須模擬坐標(biāo)系平臺(tái)必須模擬坐標(biāo)系 XY, 這是借助這是借助于陀螺儀實(shí)現(xiàn)的于陀螺儀實(shí)現(xiàn)的.所有慣導(dǎo)系統(tǒng)都需要解決的兩個(gè)問(wèn)題：所有慣導(dǎo)系統(tǒng)都需要解決的兩個(gè)問(wèn)題： q 利用陀螺儀建立信號(hào)測(cè)量基準(zhǔn)利用陀螺儀建立信號(hào)測(cè)量基準(zhǔn).q 對(duì)加速度計(jì)的輸出進(jìn)行積分，獲取速度和位置對(duì)加速度計(jì)的輸出進(jìn)行積分，獲取速度和位置.Lecture 6 - Basic types of INS42.0*慣導(dǎo)系統(tǒng)的分類(lèi)慣導(dǎo)系統(tǒng)的分類(lèi)依據(jù)對(duì)導(dǎo)航坐標(biāo)系的選取和實(shí)現(xiàn)方式依據(jù)對(duì)導(dǎo)航坐標(biāo)系的選取和實(shí)現(xiàn)方式INS平臺(tái)式平臺(tái)式捷聯(lián)式捷聯(lián)式選取慣性坐標(biāo)系為導(dǎo)航坐標(biāo)系選取慣性坐標(biāo)系為導(dǎo)航坐標(biāo)系選取地球坐標(biāo)系為導(dǎo)航坐標(biāo)系選取地球

3、坐標(biāo)系為導(dǎo)航坐標(biāo)系選取地理坐標(biāo)系為導(dǎo)航坐標(biāo)系選取地理坐標(biāo)系為導(dǎo)航坐標(biāo)系自由或游動(dòng)方位的水平坐標(biāo)系自由或游動(dòng)方位的水平坐標(biāo)系 同上同上力學(xué)編排力學(xué)編排Lecture 6 - Basic types of INS5Outline慣導(dǎo)系統(tǒng)的分類(lèi)慣導(dǎo)系統(tǒng)的分類(lèi)基于當(dāng)?shù)氐乩碜鴺?biāo)系的基于當(dāng)?shù)氐乩碜鴺?biāo)系的INS - 穩(wěn)定與修正穩(wěn)定與修正基于慣性坐標(biāo)系的基于慣性坐標(biāo)系的INS 重力補(bǔ)償重力補(bǔ)償框架系統(tǒng)框架系統(tǒng)Lecture 6 - Basic types of INS63.1 慣性平臺(tái)慣性平臺(tái) 立體示意圖立體示意圖電機(jī)電機(jī)外環(huán)外環(huán)傳感傳感內(nèi)環(huán)內(nèi)環(huán)電機(jī)電機(jī)臺(tái)體軸臺(tái)體軸電機(jī)電機(jī)傳感傳感放大、校正放大、校正臺(tái)體臺(tái)體

4、Lecture 6 - Basic types of INS73.2 平臺(tái)穩(wěn)定回路平臺(tái)穩(wěn)定回路M2M1outer ringouter ring axisPXPYXAYAZGYGXG當(dāng)慣導(dǎo)平臺(tái)跟蹤當(dāng)?shù)氐乩碜鴺?biāo)系時(shí)需要有穩(wěn)定回路和修正回路當(dāng)慣導(dǎo)平臺(tái)跟蹤當(dāng)?shù)氐乩碜鴺?biāo)系時(shí)需要有穩(wěn)定回路和修正回路 穩(wěn)定回路的機(jī)制：穩(wěn)定回路的機(jī)制：q 當(dāng)平臺(tái)繞外框架軸旋轉(zhuǎn)當(dāng)平臺(tái)繞外框架軸旋轉(zhuǎn) (由于由于干擾影響干擾影響)q 陀螺儀陀螺儀 Gy 進(jìn)動(dòng)并有輸出進(jìn)動(dòng)并有輸出q Gy 的輸出被送到電機(jī)的輸出被送到電機(jī) M2 q M2 驅(qū)動(dòng)平臺(tái)轉(zhuǎn)回原來(lái)位置驅(qū)動(dòng)平臺(tái)轉(zhuǎn)回原來(lái)位置3MLecture 6 - Basic types of

5、 INS83.3 坐標(biāo)變換器坐標(biāo)變換器M2M1outer ringouter ring axisPXPYXAYAZGYGXG3M當(dāng)載體旋轉(zhuǎn)當(dāng)載體旋轉(zhuǎn)M2M1PXPYXAYAZGYGXG?需增加坐標(biāo)變換器實(shí)現(xiàn)切換需增加坐標(biāo)變換器實(shí)現(xiàn)切換 Lecture 6 - Basic types of INS93.4 平臺(tái)修正（跟蹤）平臺(tái)修正（跟蹤）地理坐標(biāo)系相對(duì)慣性空間的旋轉(zhuǎn)地理坐標(biāo)系相對(duì)慣性空間的旋轉(zhuǎn) RVNEcoseENRVsineEtgRV為了使平臺(tái)跟蹤地理坐標(biāo)系，應(yīng)使為了使平臺(tái)跟蹤地理坐標(biāo)系，應(yīng)使其以同樣角速度相對(duì)慣性空間旋轉(zhuǎn)。其以同樣角速度相對(duì)慣性空間旋轉(zhuǎn)?？刂齐娏魇┘拥酵勇輧x上控制電流施加到陀

6、螺儀上, 使它們產(chǎn)生相應(yīng)的進(jìn)動(dòng)。使它們產(chǎn)生相應(yīng)的進(jìn)動(dòng)。陀螺儀的進(jìn)動(dòng)通過(guò)電機(jī)被陀螺儀的進(jìn)動(dòng)通過(guò)電機(jī)被傳遞給平臺(tái)傳遞給平臺(tái), 使得平臺(tái)跟蹤使得平臺(tái)跟蹤地理坐標(biāo)系地理坐標(biāo)系 (平臺(tái)的修正平臺(tái)的修正)eRNEEVNVLecture 6 - Basic types of INS103.5 東向修正回路東向修正回路M2M1PXPYXAYAZGYGXG3MNBANVdtNV0NVtNBNNNdtAAVtV00)()(R1dt0)(ttNdttVRt00)(1)(RVNCE1CELecture 6 - Basic types of INS113.6 北向修正回路北向修正回路M2M1PXPYXAYAZGYGXG

7、3MNBANVdtNV0NVR1dt0)(t1CEEBAEVdtEV0EVcos1Rdt0)(tcoseECNRVcoseR/1CNLecture 6 - Basic types of INS123.7 方位修正回路方位修正回路M2M1PXPYXAYAZGYGXG3MNBANVdtNV0NVR1dt0)(t1CEEBAEVdtEV0EVcos1Rdt0)(tsineECtgRVsineR/tanCLecture 6 - Basic types of INS133.8*總結(jié)總結(jié): 修正回路工作過(guò)程修正回路工作過(guò)程加速度計(jì)加速度計(jì) 輸出輸出有害加速度有害加速度 補(bǔ)償補(bǔ)償 一次一次積分積分計(jì)算地理坐

8、標(biāo)系相對(duì)計(jì)算地理坐標(biāo)系相對(duì)慣性空間的旋轉(zhuǎn)角速度慣性空間的旋轉(zhuǎn)角速度陀螺力矩器陀螺力矩器陀螺進(jìn)動(dòng)陀螺進(jìn)動(dòng)力矩電機(jī)力矩電機(jī)平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)M2M1PXPYXAYAZGYGXG3MNBANVdtNV0NVR1dt0)(t1CELecture 6 - Basic types of INS14Outline慣導(dǎo)系統(tǒng)的分類(lèi)慣導(dǎo)系統(tǒng)的分類(lèi)基于當(dāng)?shù)氐乩碜鴺?biāo)系的基于當(dāng)?shù)氐乩碜鴺?biāo)系的INS - 穩(wěn)定與修正穩(wěn)定與修正基于慣性坐標(biāo)系的基于慣性坐標(biāo)系的INS 重力補(bǔ)償重力補(bǔ)償框架系統(tǒng)框架系統(tǒng)Lecture 6 - Basic types of INS154.1 基于慣性系的導(dǎo)航基于慣性系的導(dǎo)航選取慣性坐標(biāo)系為導(dǎo)航坐標(biāo)系

9、選取慣性坐標(biāo)系為導(dǎo)航坐標(biāo)系 ：平臺(tái)相對(duì)慣性空間穩(wěn)定平臺(tái)相對(duì)慣性空間穩(wěn)定PXPZPXPZAB優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)q 平臺(tái)只需要穩(wěn)定平臺(tái)只需要穩(wěn)定q 加速度計(jì)的輸出中不含有加速度計(jì)的輸出中不含有害加速度害加速度Lecture 6 - Basic types of INS164.2 基于慣性系的導(dǎo)航基于慣性系的導(dǎo)航: 缺點(diǎn)缺點(diǎn)缺點(diǎn)缺點(diǎn)PXPZPXPZAB對(duì)于地球表面的導(dǎo)航：對(duì)于地球表面的導(dǎo)航：q 為了獲取載體相對(duì)地球的位為了獲取載體相對(duì)地球的位置和速度，需要進(jìn)行變換置和速度，需要進(jìn)行變換 q 重力加速度重力加速度 g 相對(duì)平臺(tái)的方向在不斷改變，因此沿著三個(gè)加相對(duì)平臺(tái)的方向在不斷改變，因此沿著三個(gè)加速度計(jì)敏感軸方

10、向的速度計(jì)敏感軸方向的 g 的分量也不斷在變，必須實(shí)時(shí)計(jì)算的分量也不斷在變，必須實(shí)時(shí)計(jì)算.Lecture 6 - Basic types of INS17當(dāng)載體從當(dāng)載體從 A 移動(dòng)到移動(dòng)到 B, 4.3 重力加速度的分量重力加速度的分量APXPZPXPZBxzggxg重力加速度重力加速度 g 的分量的分量 hRxggxhRyggyhRRggzg 的大小也和載體距地面的高度有關(guān)的大小也和載體距地面的高度有關(guān)220)(hRRggLecture 6 - Basic types of INS184.3 重力加速度的分量重力加速度的分量320)(hRxRggx320)(hRyRggy330)(hRRgg

11、z則則并假設(shè)并假設(shè) h RRxggx0Ryggy0002gRzggzg 的分量取決于載體的位置的分量取決于載體的位置 x, y 和和 z Lecture 6 - Basic types of INS194.4 測(cè)量和計(jì)算測(cè)量和計(jì)算RxgxtfX0)( RygytfY0)( 002)(gRzgztfZ RxgtfxX0)( RygtfyY0)( 002)(gRzgtfzZ tXXdtxVtV00)( tYYdtyVtV00)( tZZdtzVtV00)( tXdttVxtx00)()(tYdttVyty00)()(tZdttVztz00)()(Lecture 6 - Basic types of

12、 INS204.5 方框圖方框圖無(wú)修正回路無(wú)修正回路 M2M13MPXPYXAYAZGYGXG)(tax)(tayZA)(tazx Rg0 xyRg0y 0gz zRg02dt0YVdt0XVXVYV0ZVZVdtdt0Xdt0Ydt0Z引入了引入了 g 的分量的補(bǔ)償?shù)姆至康难a(bǔ)償Lecture 6 - Basic types of INS21Outline慣導(dǎo)系統(tǒng)的分類(lèi)慣導(dǎo)系統(tǒng)的分類(lèi)基于當(dāng)?shù)氐乩碜鴺?biāo)系的基于當(dāng)?shù)氐乩碜鴺?biāo)系的INS - 穩(wěn)定與修正穩(wěn)定與修正基于慣性坐標(biāo)系的基于慣性坐標(biāo)系的INS 重力補(bǔ)償重力補(bǔ)償框架系統(tǒng)框架系統(tǒng)Lecture 6 - Basic types of INS225.0

13、 框架系統(tǒng)框架系統(tǒng): 功能功能q 支撐平臺(tái)支撐平臺(tái)q 隔離平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)和載體的轉(zhuǎn)動(dòng)隔離平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)和載體的轉(zhuǎn)動(dòng)q 測(cè)量載體相對(duì)慣性平臺(tái)的姿態(tài)測(cè)量載體相對(duì)慣性平臺(tái)的姿態(tài)Lecture 6 - Basic types of INS235.1 框架框架: 三環(huán)三環(huán)三環(huán)式框架系統(tǒng)三環(huán)式框架系統(tǒng): 使用最普遍使用最普遍包含包含:q 內(nèi)部臺(tái)體內(nèi)部臺(tái)體q 內(nèi)環(huán)內(nèi)環(huán)q 外環(huán)外環(huán)限制限制: 載體無(wú)法實(shí)現(xiàn)全姿態(tài)載體無(wú)法實(shí)現(xiàn)全姿態(tài)Lecture 6 - Basic types of INS24俯仰軸俯仰軸方位軸方位軸滾動(dòng)軸滾動(dòng)軸5.2 框架框架: 三環(huán)的閉鎖三環(huán)的閉鎖三環(huán)系統(tǒng)的限制：三環(huán)系統(tǒng)的限制：外框架軸外框架軸 /

14、 載體的俯仰軸載體的俯仰軸載體可繞方位軸和俯仰軸任意載體可繞方位軸和俯仰軸任意轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)載體繞滾動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)只能限于載體繞滾動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)只能限于 90 度之間度之間 Lecture 6 - Basic types of INS25俯仰軸俯仰軸方位軸方位軸滾動(dòng)軸滾動(dòng)軸5.3*框架框架: 三環(huán)的閉鎖三環(huán)的閉鎖當(dāng)滾動(dòng)角為當(dāng)滾動(dòng)角為 90 度度, 框架系統(tǒng)框架系統(tǒng)無(wú)法再隔離載體繞其新方位無(wú)法再隔離載體繞其新方位軸（原俯仰軸）的轉(zhuǎn)動(dòng)軸（原俯仰軸）的轉(zhuǎn)動(dòng) 閉鎖閉鎖 必須適當(dāng)選擇三環(huán)平臺(tái)的安裝必須適當(dāng)選擇三環(huán)平臺(tái)的安裝方式并限制載體的姿態(tài)范圍以方式并限制載體的姿態(tài)范圍以避免閉鎖現(xiàn)象避免閉鎖現(xiàn)象 四環(huán)系統(tǒng)四環(huán)系統(tǒng)

15、- 通常只要載體的滾動(dòng)角超過(guò)通常只要載體的滾動(dòng)角超過(guò) 70 度就需要采用四環(huán)度就需要采用四環(huán)Lecture 6 - Basic types of INS265.4 框架框架: 四環(huán)系統(tǒng)四環(huán)系統(tǒng)potentiometer2nd ring3rd ring4th ring四環(huán)系統(tǒng)特點(diǎn)四環(huán)系統(tǒng)特點(diǎn):q 引入了四環(huán)引入了四環(huán)q 避免二環(huán)和三環(huán)之間共面避免二環(huán)和三環(huán)之間共面原理原理：A: 當(dāng)載體水平飛行時(shí)當(dāng)載體水平飛行時(shí), 二環(huán)垂直于三環(huán)二環(huán)垂直于三環(huán)這時(shí)四環(huán)和三環(huán)在同一個(gè)平面內(nèi)這時(shí)四環(huán)和三環(huán)在同一個(gè)平面內(nèi)載體可以繞任何軸任意旋轉(zhuǎn)載體可以繞任何軸任意旋轉(zhuǎn)Lecture 6 - Basic types of INS275.4 框架框架: 四環(huán)四環(huán)當(dāng)載體繞滾動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)當(dāng)載體繞滾動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)由于穩(wěn)定回路，平臺(tái)仍保持在由于穩(wěn)定回路，平臺(tái)仍保持在水平位置水平位置. 四環(huán)和三環(huán)則可能因?yàn)檩d體的四環(huán)和三環(huán)則可能因?yàn)檩d體的旋轉(zhuǎn)也產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)也產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)B:這時(shí)二環(huán)和三環(huán)之間不再相互垂直這時(shí)二環(huán)和三環(huán)之間不再相互垂直.電位計(jì)將產(chǎn)生輸出電位計(jì)將產(chǎn)生輸出.Lecture 6 - Basic types of INS285.4 框架框架: 四環(huán)四環(huán)電機(jī)利用電位計(jì)的輸出驅(qū)動(dòng)電機(jī)利用電位計(jì)的輸出驅(qū)動(dòng)四環(huán)四環(huán)C: