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1、L1-L1-导航原理导航原理( (哈工大导航哈工大导航原理、惯性技术课件原理、惯性技术课件) )课程内容课程内容惯性导航：惯性导航：全球定位系统全球定位系统 (Global Positioning System GPS )惯性器件惯性器件:q 陀螺仪陀螺仪 (Gyroscopes)q 加速度计加速度计 (Accelerometers)惯性导航系统惯性导航系统( Inertial Navigation Systems INS):q 平台式惯导系统平台式惯导系统 ( Platform INS)q 捷联惯导系统捷联惯导系统 (Strapdown INS SINS)2Lecture 1 - Intro
2、duction1.0 导航的概念导航的概念导航：导航：提供载体的运动信息提供载体的运动信息, 如位置、速度、姿态等如位置、速度、姿态等导航、制导与控制之间的关系导航、制导与控制之间的关系:控制器控制器执行器执行器位置位置速度速度姿态姿态导航（信息反馈）导航（信息反馈）3Lecture 1 - Introduction1.1 导航的类型导航的类型q 路标导航路标导航 (Landmark)远古时代就已存在，且不远古时代就已存在，且不限于人类限于人类q 天文导航天文导航 (Astronomical)通过观察天体通过观察天体 (celestial bodies), 如太阳、行星、月如太阳、行星、月球等
3、球等4Lecture 1 - Introduction1.1 导航的类型导航的类型q 卫星导航卫星导航 (Satellite Navigation) GPS, GLONASS, Galileo, 北斗北斗 (Northern Star) q 定位推算导航定位推算导航 (Dead Reckoning DR)当前位置当前位置 = 初始位置初始位置 + 经过的位移经过的位移(displacement)惯性导航就是一种定位推算导航惯性导航就是一种定位推算导航5Lecture 1 - Introduction2.1 惯性导航惯性导航: 惯性惯性惯性惯性物体保持静止或原来的运动状态不变物体保持静止或原来的
4、运动状态不变, 直到受到外界作用直到受到外界作用 - Collins Dictionary.q 质点的惯性质点的惯性 质量质量 (mass)q 刚体的惯性刚体的惯性 转动惯量转动惯量 (angular inertia)6Lecture 1 - Introduction2.2 牛顿运动定律牛顿运动定律 (Newtons Laws)惯性导航以牛顿运动定律为基础惯性导航以牛顿运动定律为基础 q 第一第一: 惯性定律惯性定律q 第二第二: 动力学动力学(dynamics)q 第三第三: 作用和反作用作用和反作用 惯性导航以对载体的加速度的测量为起点惯性导航以对载体的加速度的测量为起点 ( 使用加速度计
5、使用加速度计 accelerometers ).m敏感轴敏感轴万有引力的影响万有引力的影响7Lecture 1 - Introduction2.3*惯性导航的基本思想惯性导航的基本思想位置、速度和加速度之间的关系位置、速度和加速度之间的关系 :惯性导航的特点惯性导航的特点: q 自主自主 (Autonomous, self-contained)q 只依赖于对载体的惯性测量只依赖于对载体的惯性测量 (借助加速度计、陀螺仪借助加速度计、陀螺仪)q 连续稳定的输出连续稳定的输出 8Lecture 1 - Introduction2.4 二维导航例子二维导航例子 平面二维导航平面二维导航载体载体平台平
6、台加速度计的输出经过一次积加速度计的输出经过一次积分达到速度，二次积分得到分达到速度，二次积分得到位置位置.Acc. XAcc. Yq 导航过程中，平台需要跟踪导导航过程中，平台需要跟踪导航参考坐标系航参考坐标系 OXY.q 平台的稳定是借助于陀螺仪平台的稳定是借助于陀螺仪 (gyroscope) 实现的实现的. 平台式平台式 vs 捷联式捷联式9Lecture 1 - Introduction3.1 陀螺仪陀螺仪 广义的概念广义的概念 来自古希腊语来自古希腊语: : 旋转敏感器旋转敏感器 传统的概念传统的概念陀螺陀螺: 高速自旋的刚体高速自旋的刚体 陀螺仪陀螺仪:陀螺陀螺 + 支撑装置支撑装
7、置, 以便实现对以便实现对旋转的测量旋转的测量从玩具陀螺说起从玩具陀螺说起: q 高速自转的刚体具有定轴性高速自转的刚体具有定轴性q 定轴性易受破坏定轴性易受破坏 干扰因素干扰因素 q 摩擦摩擦 q 不平衡不平衡10Lecture 1 - Introduction3.2 支撑支撑支撑的改进支撑的改进 - 框架框架 (gimbals) Outer Ring axisOuter Ring Inner Ring Inner Ring axisRotor axisRotorBaseEquivalent supporting point 自由度自由度 (DOF) - 转子的转子的- 转子轴的转子轴的二自
8、由度陀螺仪二自由度陀螺仪 (自转轴自转轴) RotoraxisRotorBaseInnerringInnerringaxis单自由度陀螺仪单自由度陀螺仪11Lecture 1 - Introduction3.3 漂移和漂移率漂移和漂移率 q 漂移漂移 由干扰导致的转子轴相对惯由干扰导致的转子轴相对惯性空间缓慢的方向变化性空间缓慢的方向变化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 惯性导航的精度惯性导航的精度 惯性级惯性级: 0.01deg/hq 陀螺仪的历史陀螺仪的历史 设法减少有害力矩、降低漂移的历史设法减少有害力矩、降低漂移的历史1
9、2Lecture 1 - Introduction4.0 历史历史: BohnenbergerBohnenbergers Machine, 181313Lecture 1 - Introduction4.0 历史历史: 傅科傅科 傅科傅科 (Foucault) 的工作的工作法国物理学家法国物理学家 (1819-1868)为了验证地球的自转为了验证地球的自转傅科摆傅科摆Foucault Pendulum(1851)L = 67mM =28kgD = 6mPantheon in Paris14Lecture 1 - Introduction4.1 历史历史: 傅科陀螺仪傅科陀螺仪Foucault
10、gyroscope (1852)Earth利用陀螺验证地球自转利用陀螺验证地球自转 后期的技术改进后期的技术改进15Lecture 1 - Introduction4.2 历史历史: 在航海的应用在航海的应用q 磁罗盘磁罗盘 (Magnetic compass) 被用于早期的航海被用于早期的航海q 19世纪后期，大量的木质世纪后期，大量的木质轮船被钢铁材质的轮船取代，轮船被钢铁材质的轮船取代，使磁罗盘的效能受到影响使磁罗盘的效能受到影响. q 磁罗盘的使用在地球两极磁罗盘的使用在地球两极附近受到限制附近受到限制q 寻找替代的方向指示装置寻找替代的方向指示装置16Lecture 1 - Intr
11、oduction4.2 历史历史: 陀螺罗经陀螺罗经陀螺仪被寄予希望陀螺仪被寄予希望, 但面临着自动寻北但面临着自动寻北的挑战的挑战1908年年, Anschutz (德国德国) 发明了陀螺罗经发明了陀螺罗经 (gyro compass)1909年年, Sperry (美国美国) 也独也独立研制出陀螺罗经立研制出陀螺罗经. 陀螺罗经的出现标志着陀螺仪技术陀螺罗经的出现标志着陀螺仪技术的现代应用的发端的现代应用的发端17Lecture 1 - Introduction4.3 历史历史: 航空中的应用航空中的应用q 1920s, 应用于早期的飞机应用于早期的飞机 测量飞机的姿态测量飞机的姿态方位方
12、位滚动滚动 俯仰俯仰 q 陀螺地平仪陀螺地平仪q 陀螺航向仪陀螺航向仪18Lecture 1 - Introduction4.4 历史历史: 早期导弹中的应用早期导弹中的应用q 1930s, Goddard (US) 的先期研究的先期研究q 1940s, V-1、V-2 V-1: 巡航巡航 (cruising) 导弹导弹 (1942)二战中大量使用二战中大量使用1944.6 -1945.4，发射了，发射了10500 枚枚.V-2 : 弹道式弹道式 (ballistic) 发射发射 1700 枚枚19Lecture 1 - Introduction4.5 历史历史: 冷战阶段冷战阶段二战后，德国
13、导弹专家大量转移到美国和前苏联二战后，德国导弹专家大量转移到美国和前苏联 (Van Braun)冷战期间冷战期间苏美竞赛苏美竞赛Sputnik I, 1957Explorer I, 1958Braun20Lecture 1 - Introduction4.5 历史历史: 液浮陀螺液浮陀螺早期早期 1950s，MIT Draper 实验室研制出实验室研制出液浮陀螺液浮陀螺 (Fluid suspension gyro)rotorInner ring(Gyro chamber)Outer ring21Lecture 1 - Introduction4.6 历史历史: Argonaut 号之旅号之旅
14、1958，潜艇，潜艇 Argonaut 号之旅号之旅珍珠港珍珠港 白令海峡白令海峡 北极北极 Portland 港港21days，15000 Km 标志着惯性导航技术的成熟标志着惯性导航技术的成熟 22Lecture 1 - Introduction5.0 两种趋势两种趋势60年代后，陀螺仪的发展年代后，陀螺仪的发展趋势呈现出两种分支：趋势呈现出两种分支： 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 (for SINS)5.1 对更高精度的追求对更高精度的追求框架支撑系统的改进框架支撑系统的改进 液浮液浮, 气浮气浮, 磁悬浮磁悬浮精度优于精度优于 10 e-7 deg/h
15、23Lecture 1 - Introduction5.1 高精度高精度: 静电陀螺静电陀螺静电悬浮陀螺静电悬浮陀螺 (ESG)：采用非接：采用非接触式支撑触式支撑 陶瓷陶瓷壳体壳体球形球形转子转子自转轴自转轴球形电极球形电极钛离子泵钛离子泵q 1952 Nordsieck 提出提出q 1970s 后期投入实用后期投入实用q 用于惯导，优于用于惯导，优于 10e-7 deg/h q 用于太空望远镜用于太空望远镜 10e-11 deg/h缺陷缺陷：结构复杂、昂贵：结构复杂、昂贵24Lecture 1 - Introduction5.2 低成本、小型化低成本、小型化环形激光陀螺环形激光陀螺 (Ri
16、ng laser gyro - RLG) 1960s 早期开始研制早期开始研制, 1970s 后期进入实用后期进入实用光纤陀螺光纤陀螺 (Fiber Optical Gyro FOG)1970s 开始研制开始研制, 1980s 早期进入实用早期进入实用25Lecture 1 - Introduction5.2 光纤陀螺光纤陀螺 (FOG)1970s 开始研制开始研制, 1980s 早期达到实用早期达到实用光纤陀螺应用的快速增长光纤陀螺应用的快速增长Mech.RLGFOG26Lecture 1 - Introduction5.2 振动陀螺振动陀螺振动振动 (vibratory) 陀螺陀螺q 音叉
17、音叉 (Tuning fork) q 压电压电 (Piezoelectric) 陀螺陀螺q 半球谐振陀螺半球谐振陀螺 (Hemi-spherical resonant gyro, HRG )q 微机电微机电 (MEMS)Micro Electro-Mechanical SystemsMicromachined Electro-Mechanical Systems27Lecture 1 - Introduction6.0 惯性导航系统的发展惯性导航系统的发展平台式平台式惯导系统惯导系统 (PINS, or INS)(后来的后来的 Draper 实验室实验室)1950s - MIT 仪器实验室研制
18、出首套惯导系统仪器实验室研制出首套惯导系统1960s 平台式惯导系统得到广泛应用平台式惯导系统得到广泛应用1980s 应用领域开始收缩应用领域开始收缩捷联式捷联式惯导系统惯导系统 (SINS)1960s 思想提出思想提出1970s 理论已完善，产品还不成熟理论已完善，产品还不成熟1980s 应用迅速增长应用迅速增长. 28Lecture 1 - Introduction课程资源课程资源PPT downloading:http:/ (仅校园网访问仅校园网访问)Textbooks： Strapdown Inertial Navigation Technology- 电子版电子版惯导系统陀螺仪原理惯导系统陀螺仪原理 - 电子版电子版Exam: Close book, close noteContact: 1520469466229Lecture 1 - Introduction结束结束
