哈工大导航原理、惯性技术课件1.ppt

Lecture 1 -- Introduction,1,Inertial Navigation,导航原理,付振宪,School of Astronautics, HIT,Lecture 1 -- Introduction,2,课程内容,惯性导航：,全球定位系统 (Global Positioning System – GPS ),陀螺仪 (Gyroscopes),加速度计 (Accelerometers),平台式惯导系统 ( Platform INS),捷联惯导系统 (Strapdown INS – SINS),,Lecture 1 -- Introduction,3,1.0 导航的概念,导航、制导与控制之间的关系:,Lecture 1 -- Introduction,4,1.1 导航的类型,Lecture 1 -- Introduction,5,1.1 导航的类型,Lecture 1 -- Introduction,6,2.1 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 Dictionary.,质点的惯性 – 质量 (mass),Lecture 1 -- Introduction,7,2.2 牛顿运动定律 (Newton’s Laws),惯性导航以牛顿运动定律为基础,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 ).,万有引力的影响,Lecture 1 -- Introduction,8,2.3*惯性导航的基本思想,位置、速度和加速度之间的关系 :,惯性导航的特点: 自主 (Autonomous, self-contained) 只依赖于对载体的惯性测量 (借助加速度计、陀螺仪) 连续稳定的输出,Lecture 1 -- Introduction,9,2.4 二维导航例子,平面二维导航,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.,导航过程中，平台需要跟踪导航参考坐标系 OXY. 平台的稳定是借助于陀螺仪 (gyroscope) 实现的.,平台式 vs 捷联式,Lecture 1 -- Introduction,10,3.1 陀螺仪,广义的概念,传统的概念,从玩具陀螺说起:,高速自转的刚体具有定轴性,定轴性易受破坏,干扰因素,摩擦,不平衡,Lecture 1 -- Introduction,11,3.2 支撑,支撑的改进 -- 框架 (gimbals),自由度 (DOF),--- 转子轴的,二自由度陀螺仪 (自转轴),单自由度陀螺仪,Lecture 1 -- Introduction,12,3.3 漂移和漂移率,漂移 – 由干扰导致的转子轴相对惯性空间缓慢的方向变化 漂移率 – 漂移的快慢 （deg/h）,漂移 (Drift) 和漂移率,惯性导航的精度 – 惯性级: 0.01deg/h,陀螺仪的历史 – 设法减少有害力矩、降低漂移的历史,Lecture 1 -- Introduction,13,4.0 历史: Bohnenberger,Bohnenberger’s Machine, 1813,Lecture 1 -- Introduction,14,4.0 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 = 67m M =28kg D = 6m,Pantheon in Paris,Lecture 1 -- Introduction,15,4.1 历史: 傅科陀螺仪,Foucault gyroscope (1852),利用陀螺验证地球自转 后期的技术改进,Lecture 1 -- Introduction,16,4.2 历史: 在航海的应用,磁罗盘 (Magnetic compass) 被用于早期的航海,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.,磁罗盘的使用在地球两极附近受到限制,寻找替代的方向指示装置,Lecture 1 -- Introduction,17,4.2 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,Lecture 1 -- Introduction,18,4.3 历史: 航空中的应用,1920s, 应用于早期的飞机,测量飞机的姿态,陀螺地平仪 陀螺航向仪,Lecture 1 -- Introduction,19,4.4 历史: 早期导弹中的应用,1930s, Goddard (US) 的先期研究 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,Lecture 1 -- Introduction,20,4.5 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, 1957,Explorer I, 1958,Braun,Lecture 1 -- Introduction,21,4.5 历史: 液浮陀螺,早期 1950s，MIT Draper 实验室研制出液浮陀螺 (Fluid suspension gyro),Lecture 1 -- Introduction,22,4.6 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,Lecture 1 -- Introduction,23,5.0 两种趋势,60年代后，陀螺仪的发展趋势呈现出两种分支：,追求更高的精度 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,Lecture 1 -- Introduction,24,5.1 高精度: 静电陀螺,静电悬浮陀螺 (ESG)：采用非接触式支撑,1952 Nordsieck 提出 1970s 后期投入实用 用于惯导，优于 10e-7 deg/h 用于太空望远镜 10e-11 deg/h,缺陷：结构复杂、昂贵,Lecture 1 -- Introduction,25,5.2 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,Lecture 1 -- Introduction,26,5.2 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,Lecture 1 -- Introduction,27,5.2 振动陀螺,振动 (vibratory) 陀螺,音叉 (Tuning fork),压电 (Piezoelectric) 陀螺,半球谐振陀螺 (Hemi-spherical resonant gyro, HRG ),微机电 (MEMS),Micro Electro-Mechanical Systems Micromachined Electro-Mechanical Systems,Lecture 1 -- Introduction,28,6.0 惯性导航系统的发展,平台式惯导系统 (PINS, or INS),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),1970s – 理论已完善，产品还不成熟,1980s – 应用迅速增长.,Lecture 1 -- Introduction,29,课程资源,PPT downloading:, (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 note Contact: 15204694662,。