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哈工大导航原理、惯性技术课件1PPT
Lecture 1 -- Introduction * * Inertial Navigation 导航原理 付振宪 School of Astronautics, HIT 课程内容 惯性导航: 全球定位系统 (Global Positioning System – GPS ) 惯性器件: 陀螺仪 (Gyroscopes) 加速度计 (Accelerometers) 惯性导航系统( Inertial Navigation Systems – INS): 平台式惯导系统 ( Platform INS) 捷联惯导系统 (Strapdown INS – SINS) 1.0 导航的概念 导航: 提供载体的运动信息, 如位置、速度、姿态等 导航、制导与控制之间的关系: 控制器 执行器 位置 速度 姿态 导航(信息反馈) 1.1 导航的类型 路标导航 (Landmark) 远古时代就已存在,且不限于人类 天文导航 (Astronomical) 通过观察天体 (celestial bodies), 如太阳、行星、月球等 1.1 导航的类型 卫星导航 (Satellite Navigation) —— GPS, GLONASS, Galileo, 北斗 (Northern Star) … 定位推算导航 (Dead Reckoning – DR) 当前位置 = 初始位置 + 经过的位移(displacement) 惯性导航就是一种定位推算导航 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) 刚体的惯性 – 转动惯量 (angular inertia) 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 2.4 二维导航例子 平面二维导航 载体 平台 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. Acc. X Acc. Y 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 3.1 陀螺仪 广义的概念 来自古希腊语: 旋转敏感器 传统的概念 陀螺: 高速自旋的刚体 陀螺仪: 陀螺 + 支撑装置, 以便实现对旋转的测量 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 3.2 支撑 支撑的改进 -- 框架 (gimbals) Outer Ring axis Outer Ring Inner Ring Inner Ring axis Rotor axis Rotor Base Equivalent supporting point 自由度 (DOF) --- 转子的 --- 转子轴的 二自由度陀螺仪 (自转轴) Rotor axis Rotor Base Inner ring Inner ring axis 单自由度陀螺仪 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 4.0 历史: Bohnenberger Bohnenberger’s Machine, 1813 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 4.1 历史: 傅科陀螺仪 Foucault gyroscope (1852) Earth 利用陀螺验证地球自转 后期的技术改进 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 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
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