13惯性测量与导航系统详解.ppt

一. 惯性导航系统简介 1、惯性导航的发展历程 2、惯性导航的基本原理 3、惯性导航的特点 4、惯性导航的分类 二. 惯性测量原理和惯性器件 1、陀螺的基本原理 2、陀螺的类型和特点 3、陀螺仪的发展历程 4、加速度计的基本原理 5、加速度计的类型和特点 1、平台惯性导航系统原理 2、平台惯性导航系统特点 一种利用质量作加速度的敏感元件，以陀螺平台为支承的完全自主式导航系统。 这种新兴的导航系统是在20世纪初出现的。 陀螺平台稳定在惯性空间，而加速度计平台则用精密的时钟机构（精确度高达几百万分之一秒的晶体振荡器）跟随地球转动，使之跟上当地的重力方向。这种系统构造复杂，体积和重量都较大。但由于加速度计的方位是受机械平台控制的，精确度较高，因而能用于船舰、潜艇、飞机和飞航式导弹等的导航。 1、捷联惯性导航系统原理 2、捷联惯性导航系统特点 3、捷联惯性导航系统的发展 4、捷联惯性导航系统的设计 5、捷联惯性导航系统的工作流程 1、组合导航系统原理 2、组合导航系统的功能 3、几种常见的组合导航系统 4、加速度计的基本原理 根据牛顿第二定律，敏感载体的加速度。 测量的是比力，不是运动加速度。 5、加速度计的类型和特点 摆式加速度计 挠性加速度计 振动加速度计 MEMS加速度计 摆式加速度计 通过摆偏离平衡位置的程度检测加速度大小。 精度高，量程小。 5、加速度计的类型和特点 挠性加速度计 通过挠性头偏离平衡位置的程度检测加速度大小。或者平衡控制，实现零位法测量。 精度高，量程大。 5、加速度计的类型和特点 振动式加速度计 通过振弦的振动特性测量载体加速度。 精度中等，简单。 5、加速度计的类型和特点 MEMS加速度计 应变式、电容式、振梁式 5、加速度计的类型和特点 三. 平台惯性导航系统 1、平台惯性导航系统原理 1、平台惯性导航系统原理 基本原理： 用加速度积分得到位置。用陀螺测定重力加速度方向，去除重力加速度。用精确时钟计算地球的自转角度，消除地球自转影响。 2、平台惯性导航系统特点 三. 捷联惯性导航系统 1、捷联惯性导航系统原理 “捷联（Strapdown）”这一术语的英文原义就是“捆绑”的意思。因此，所谓捷联惯性系统也就是将惯性敏感元件（陀螺和加速度计）直接“捆绑”在运载体的机体上，从而完成制导和导航任务的系统。 1）没有机械式陀螺稳定平台 2）陀螺和三个加速度计直接固连在载体上 3）对陀螺敏感的角速度积分，得到载体相对参考坐标系的角位置（方向余弦矩阵） 4)加速度计提供载体沿着横滚、俯仰和偏航轴的加速度分量，在通过方向余弦矩阵变换到参考坐标系 5）对变换后的加速度积分，得到南北地速分量及经纬度参数 1、捷联惯性导航系统原理 捷联惯导的数学平台 便于安装、维修和更换； 可以直接给出舰船坐标系的所有导航参数； 易于重复布置，在惯性敏感元件级别上实现冗余技术，提高可靠性； 捷联系统去掉了常平架平台，消除了稳定平台稳定过程的各种误差同时减小系统体积。 优点 缺点 敏感元件直接固定在载体上，工作环境恶化，降低了系统的精度。因此，必须采取误差补偿措施，或采用新型的光学陀螺。 2、捷联惯性导航系统特点 3、捷联惯性导航系统的发展 捷联惯导技术最早可以追溯到18世纪50年代，德国著名科学家博耐伯格（Johann Gottlob Friedrich von Bohnenberger）发明了带有稳定平台的陀螺仪（gyroscope）模型。 二战时期，在V-2火箭上装载的导航系统就是最原始的捷联惯性导航系统，该火箭从当时纳粹德国飞越过英吉利海峡准确命中伦敦，震惊世界。 随着激光、光纤等新型固态陀螺仪的逐渐成熟，捷联惯导的应用日趋广泛。 在欧洲，军用飞机中的所有新型以及改进型飞机大部分是用激光陀螺仪惯导装置；在美国军用惯导系统1984年全部为平台式，到1989年已有一半改为捷联式，1994年捷联式已占有90%。 新的捷联惯性系统产品普遍用于各种战术武器和飞机航姿系统中，随着固态仪表精度的不断提高，误差补偿技术的逐渐完善，捷联系统将逐步取代平台系统。 3、捷联惯性导航系统的发展 捷联惯导信息处理硬件框图 4、捷联惯性导航系统的设计 算法：从惯性仪表输出到导航与控制信息 捷联惯导算法的基本内容： 一、系统初始化 二、惯性仪表的误差补偿 三、姿态矩阵的计算 四、导航计算 五、导航控制信息的提取 5、捷联惯性导航系统的工作流程 系统初始化： 1、惯性仪表的校准：对陀螺的刻度系数进行标定，对陀螺的漂移进行标定。对加速度计标定刻度系数。 2、数学平台的初始对准：确定姿态矩阵的初始值，是在计算机中用对准程序来完成的。在物理概念上就是把“数学平台