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1、4.14.1 引言引言4.2 4.2 單自由度陀螺測(cè)量原理單自由度陀螺測(cè)量原理4.3 4.3 加速度計(jì)測(cè)量原理加速度計(jì)測(cè)量原理4.4 4.4 平臺(tái)式慣性導(dǎo)航基本原理平臺(tái)式慣性導(dǎo)航基本原理4.5 4.5 捷聯(lián)慣性導(dǎo)航基本原理捷聯(lián)慣性導(dǎo)航基本原理4.6 4.6 慣性導(dǎo)航誤差分析慣性導(dǎo)航誤差分析4.14.1 引言引言4.2 4.2 單自由度陀螺測(cè)量原理單自由度陀螺測(cè)量原理4.3 4.3 加速度計(jì)測(cè)量原理加速度計(jì)測(cè)量原理4.4 4.4 平臺(tái)式慣性導(dǎo)航基本原理平臺(tái)式慣性導(dǎo)航基本原理4.5 4.5 捷聯(lián)慣性導(dǎo)航基本原理捷聯(lián)慣性導(dǎo)航基本原理4.6 4.6 慣性導(dǎo)航誤差分析慣性導(dǎo)航誤差分析(1 1)慣性導(dǎo)航系
2、統(tǒng)功能)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)功能 測(cè)量載體相對(duì)于慣性坐標(biāo)系的加速度、角速度,通過(guò)積分計(jì)算獲取載體的導(dǎo)航信息。(2 2)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展以機(jī)械陀螺為敏感器件的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展;以光學(xué)或微機(jī)電陀螺為敏感器件的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展。(3 3)系統(tǒng)分類)系統(tǒng)分類平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)、捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)陀螺加速度計(jì)計(jì)算機(jī)導(dǎo)航信息(4 4)系統(tǒng)組成)系統(tǒng)組成(5 5)慣導(dǎo)優(yōu)點(diǎn))慣導(dǎo)優(yōu)點(diǎn) 依靠自身測(cè)量信息進(jìn)行連續(xù)定位; 不需接收外部信息,不受外界干擾; 不向外部輻射能量,具有隱蔽性; 可同時(shí)確定載體位置/速度/姿態(tài)信息。4.1 4.1 引言引言4.24.2 單自由度陀螺測(cè)量原理單自由度陀螺測(cè)量原理4.3 4
3、.3 加速度計(jì)測(cè)量原理加速度計(jì)測(cè)量原理4.4 4.4 平臺(tái)式慣性導(dǎo)航基本原理平臺(tái)式慣性導(dǎo)航基本原理4.5 4.5 捷聯(lián)慣性導(dǎo)航基本原理捷聯(lián)慣性導(dǎo)航基本原理4.6 4.6 慣性導(dǎo)航誤差分析慣性導(dǎo)航誤差分析(2 2)陀螺分類)陀螺分類 按測(cè)量物理機(jī)制分:機(jī)械陀螺(液浮、撓性、靜電) 光學(xué)陀螺(激光、光纖) 微機(jī)電陀螺 按自由度個(gè)數(shù)分:按自由度個(gè)數(shù)分: 單(雙、三)自由度(1 1)陀螺功能)陀螺功能敏感載體相對(duì)于慣性坐標(biāo)系的角速度。(3 3)機(jī)械式單自由度撓性陀螺)機(jī)械式單自由度撓性陀螺(M)I撓性桿測(cè)角器H HOI I結(jié)構(gòu)示意圖內(nèi)環(huán)外環(huán)機(jī)械式單自由度陀螺測(cè)量原理機(jī)械式單自由度陀螺測(cè)量原理 若載體(
4、外環(huán))相對(duì)于慣性坐標(biāo)系,繞 I(Input) 軸以角速度勻速旋轉(zhuǎn),則轉(zhuǎn)子繞 O(Output)軸進(jìn)動(dòng),測(cè)角儀測(cè)出相應(yīng)進(jìn)動(dòng)角度(與成正比)。單自由度單自由度 轉(zhuǎn)子相對(duì)于載體(外環(huán)),除了可以繞 H 軸轉(zhuǎn)動(dòng)外,還可繞 O 軸轉(zhuǎn)動(dòng)小角度。而自轉(zhuǎn)軸僅能繞 O 軸旋轉(zhuǎn),并根據(jù)其相對(duì)載體的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度定義陀螺儀的自由度。機(jī)械式雙自由度陀螺結(jié)構(gòu)示意圖機(jī)械式雙自由度陀螺結(jié)構(gòu)示意圖外環(huán)內(nèi)環(huán)外環(huán)軸測(cè)角器內(nèi)環(huán)軸測(cè)角器轉(zhuǎn)子HSagnac效應(yīng)效應(yīng)(1913年)年)1Lr光束 1 的行程/tr c 傳播時(shí)間12() (/ )ALrr cc旋轉(zhuǎn)條件下的行程差4ALsc光束 1、2 的行程差(4 4)激光陀螺)激光陀螺r光束1
5、光束2檢測(cè)點(diǎn)測(cè)量原理示意圖ABB激光陀螺結(jié)構(gòu)示意圖諧振腔激光束激光管平面鏡光電讀出器光纖陀螺結(jié)構(gòu)示意圖激光陀螺國(guó)內(nèi):0.002 /h光纖陀螺國(guó)外:0.001 /h4.1 4.1 引言引言4.2 4.2 單自由度陀螺測(cè)量原理單自由度陀螺測(cè)量原理4.34.3 加速度計(jì)測(cè)量原理加速度計(jì)測(cè)量原理4.4 4.4 平臺(tái)式慣性導(dǎo)航基本原理平臺(tái)式慣性導(dǎo)航基本原理4.5 4.5 捷聯(lián)慣性導(dǎo)航基本原理捷聯(lián)慣性導(dǎo)航基本原理4.6 4.6 慣性導(dǎo)航誤差分析慣性導(dǎo)航誤差分析(1 1)加速度計(jì)功能)加速度計(jì)功能測(cè)量載體相對(duì)于慣性坐標(biāo)系的視加速度在體坐標(biāo)系中的值。(2 2)加速度計(jì)分類)加速度計(jì)分類擺式、擺式積分陀螺加速度
6、計(jì)0 刻劃0 刻劃SSfag(不受外力)(3)加速度計(jì)測(cè)量原理)加速度計(jì)測(cè)量原理S0地球加速度計(jì)不能敏感引力加速度S0加速度計(jì)4.1 4.1 引言引言4.2 4.2 單自由度陀螺測(cè)量原理單自由度陀螺測(cè)量原理4.3 4.3 加速度計(jì)測(cè)量原理加速度計(jì)測(cè)量原理4.44.4 平臺(tái)式慣性導(dǎo)航基本原理平臺(tái)式慣性導(dǎo)航基本原理4.5 4.5 捷聯(lián)慣性導(dǎo)航基本原理捷聯(lián)慣性導(dǎo)航基本原理4.6 4.6 慣性導(dǎo)航誤差分析慣性導(dǎo)航誤差分析平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)示意圖Y平平Z平平X平平ayaxaz0000( )( )( )( )( )( )( )( )( )iiitiiittiiita tftg tv tv tadr tr tv
7、 u du其中 :視加速度,測(cè)量值; :引力加速度。fg平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)組成4.1 4.1 引言引言4.2 4.2 單自由度陀螺測(cè)量原理單自由度陀螺測(cè)量原理4.3 4.3 加速度計(jì)測(cè)量原理加速度計(jì)測(cè)量原理4.4 4.4 平臺(tái)式慣性導(dǎo)航基本原理平臺(tái)式慣性導(dǎo)航基本原理4.54.5 捷聯(lián)慣性導(dǎo)航基本原理捷聯(lián)慣性導(dǎo)航基本原理4.6 4.6 慣性導(dǎo)航誤差分析慣性導(dǎo)航誤差分析( )( )( )( )( )( )3 33 33 33 13 1iibbbibiibbR tR ttftR tft 000zybibzxyx其中 :b系至 i系的旋轉(zhuǎn)變換矩陣; :捷聯(lián)陀螺測(cè)得的 b系相對(duì)于i系旋轉(zhuǎn)角速度矢 量在 b系
8、中的值, 為其軸向分量。ibbibR 、xyz i i系:系: “數(shù)學(xué)平臺(tái)”坐標(biāo)系,b 系中的視加速度 測(cè)量值轉(zhuǎn)換至該系,位置、速度參數(shù)在該 系中計(jì)算。 由角速度測(cè)量值及初始時(shí)刻轉(zhuǎn)換矩陣、姿態(tài)角,可以計(jì)算任意時(shí)刻轉(zhuǎn)換矩陣、姿態(tài)角。捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的特點(diǎn):捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的特點(diǎn):n 陀螺儀動(dòng)態(tài)范圍大;n 導(dǎo)航計(jì)算量大;n 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、成本低等。4.1 4.1 引言引言4.2 4.2 單自由度陀螺測(cè)量基本原理單自由度陀螺測(cè)量基本原理4.3 4.3 加速度計(jì)測(cè)量原理加速度計(jì)測(cè)量原理4.4 4.4 平臺(tái)式慣性導(dǎo)航基本原理平臺(tái)式慣性導(dǎo)航基本原理4.5 4.5 捷聯(lián)慣性導(dǎo)航基本原理捷聯(lián)慣
9、性導(dǎo)航基本原理4.64.6 慣性導(dǎo)航誤差分析慣性導(dǎo)航誤差分析假設(shè)載體沿 y 軸方向做勻加速直線運(yùn)動(dòng)。 y x xyfo假設(shè)視加速度、角速度有常值誤差 ,則、f()1()0202yyafvfttyftt()()1()1()00203026xxttafttvfttxftt結(jié)論:慣導(dǎo)誤差隨時(shí)間迅速增加。三類誤差:靜態(tài)、動(dòng)態(tài)、隨機(jī)誤差。誤差原因:慣性元件不盡完善,安裝誤差,溫度 變化等。應(yīng)對(duì)措施:建立慣導(dǎo)誤差模型,測(cè)試標(biāo)定模型參 數(shù),然后對(duì)慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償。加速度計(jì)靜態(tài)誤差模型: 0222xxxxyyzzxyxyzyzyxzxzxxxyyyzzzfKKfKfKfKffKffKffKfKfKf 加速度計(jì)
10、動(dòng)態(tài)誤差模型: 222xxxyyzzxyxyzyzyxzxzxxxyyyzzzfKKKKKKKKK陀螺儀靜態(tài)飄移誤差數(shù)學(xué)模型: 陀螺儀動(dòng)態(tài)誤差的數(shù)學(xué)模型: 0222xxxxyyzzxyxyyzzyzxxzxxxyyyzzzDDfDfDfDffDffDffDfDfDf 222xxxyyzzxxyyzzxyxyxzxzzyzyxxxyyyzzzDDDEEEEEEEEE011101110111bbbxxxxyxyzxzbbbbyxyxyyyzyzbbbzxzxyzyzzzKKfKfKffKKfKfKfKKfKfKf 012311101231110123111bbbbbbxxxxyxzxxxyxyzxzbbbbbbbyyxyyyzxyxyyy
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