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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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