惯性导航系统中矩阵应用的讨论.ppt

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惯性导航系统中矩阵应用的讨论

惯性导航系统中矩阵应用的讨论 讨论组:高鑫 张翔 专业: 光学工程 惯性导航 重要组件 分类 陀螺仪 加速度计 捷联式惯导系统 坐标系变换 算法对比 惯性导航的 基本原理 内容框架: 矩阵的应用 1.惯性导航系统的基本原理 导航信息 陀螺仪 加速度计 计 算 机 加速度a 角速度Ω 导航计算公式 描述了加速度、速度和航程之间的关系,可以确定机体的位置 2.激光陀螺中矩阵的应用 激光陀螺的基本原理 矩阵应用举例 1、光偏振态的矩阵表示 2、各个光学元件矩阵表示 1/2波片和1/4波片 法拉第室(旋光器) 线偏振器 3、光路矩阵运算 4、晶体的光轴 5、本征偏振态求法 2.1.激光陀螺的基本原理 利用Sagnac效应来测量物体相对于惯性空间的角速度。 Sagnac效应:当光学环路转动时,在不同的前进方向上,光学环路的光程相对于环路在静止时的光程都会产生变化。 频差 2.2.矩阵应用举例 2.2.1.偏振态的琼斯矩阵表示 光的偏振态就是在垂直于传播方向的平面内 ,光矢量可能有的各种不同的振动状态。 设一椭圆偏振光沿 z 轴方向传播,光矢量在 x , y 平面内的两个相互垂直的分量的复数形式表示为: 2.2.2.光学元件的矩阵表示 1/2波片和1/4波片,使沿快、慢轴的光分别产生π 和1/2π相位差 1/2波片 ¼波片 法拉第室(磁致旋光):使光的偏振面旋转Ω角 线偏振器:使通过的光变成线偏振光,与x轴成θ角 其它光学元件如反射镜、透镜等都可以用矩阵表示。 2.2.3.光路矩阵计算 当光依次通过若干器件时,只要依次将表示各个器件光学性质的矩阵相乘,就可以方便地求出透射光的偏振状态,即: 若光E1一次通过琼斯矩阵为G1,G2,...,GN的器件序列,则出射光E2可表示为 E2=GN·...·G2·G1·E1 2.2.4.晶体的光轴 晶体的光轴方向即为晶体不发生双折射现象的光的入射方向。晶体的光学性质与该晶体的介电张量有关。 由介电张量求主光轴和主折射率: 例如,在 坐标系下 求出该矩阵特征值与对应特征向量分别为: 主光轴即为 ,可以看出该晶体为单轴晶体,光轴沿z方向 2.2.5.求本征偏振态 求本征偏振态就是琼斯矩阵求特征值和特征向量的过程。 例如上述旋光片, 其特征向量分别为 ,分别对应特征值 本征偏振为 由前面所述,可知其分别为左旋光和右旋光。 3.加速度计的基本原理 1.测弹簧秤形变 2.根据公式求得加速度a 3.分别求三个方向的加速度 加速度计原理图 4.惯导系统的分类 平台式,捷联式,两大类 平台式惯导系统原理:平台相对惯性空间不变 捷联式惯导系统原理:与机体固联 机体坐标系 惯性坐标系 4.1.坐标系旋转基本思想 基本公式: 求旋转矩阵: 3·1 3·3 3·1 惯性坐标系 机体坐标系 方法一:方向余弦矩阵 方法二:欧拉角矩阵 方法三:四元数矩阵 4.2三种算法思想介绍及对比: 方向余弦矩阵:体坐标轴旋转后在惯性坐标轴上的投影。 欧拉角矩阵:按给定顺序对研究参考系做三次欧拉角的基本旋转。 四元数:将旋转过程描述成绕任意轴做有限角度的一次旋转。 方向余弦矩阵: 旋转矩阵: 解微分方程可得C,其中: 需要解9个微分方程 欧拉角定义: 欧拉角矩阵: 旋转矩阵: 旋转顺序: Ψ →θ →γ 通过矩阵运算求解角速率过程中得出: 得出结论:当 θ= 90 度时,方程出现奇点 深入分析得到万向轴锁现象 四元数方法: 可由四元数q求的: 旋 转 矩 阵: q可由微分方程求得: 可以观察出:只需解四个一阶微分方程即可 转轴: 转角: 三种算法的对比 由以上过程可见 矩阵分析可以方便的将三种坐标旋转方法进行对比! 坐标旋转算法 计算复杂度 易理解性 完备性 方向余弦矩阵 相对复杂 表达简单容易理解 完备 欧拉角矩阵 相对复杂 直观性好容易理解 不完备 四元数矩阵 相对简单 思想新颖不易理解 完备 重要组件 分类 陀螺仪 加速度计 捷联式惯导系统 坐标系变换 算法对比 内容回顾: 惯性导航的基本原理 5.讨论结果: 矩阵表示的优点 清晰易懂,方便计算,信息量大,器件特征明显 矩阵分析的优点 计算机应用,计算过程简明,处理方法多样 矩阵对比的优点 易于分析各种算法的优劣 谢谢大家 欢迎批评指正!

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