慣性導(dǎo)航基本原理

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