陀螺仪导航

导航原理 NavigationNavigationNavigationNavigation 导航的概念及分类 导航： 把航行的载体从起始点引导到目的地的技术 基本类型：陆标导航（Landmark)Landmark)Landmark)Landmark) 推算定位导航（Dead ReckoningDead ReckoningDead ReckoningDead Reckoning） 天文导航（Celestial NavigationCelestial NavigationCelestial NavigationCelestial Navigation） 无线电导航（Radio NavigationRadio NavigationRadio NavigationRadio Navigation） ———————— 惯性导航 （Inertial Navigation SystemInertial Navigation SystemInertial Navigation SystemInertial Navigation System，INSINSINSINS） ———————— 卫星定位导航（GPS, GLONASSGPS, GLONASSGPS, GLONASSGPS, GLONASS，……………………） GPS GPS GPS GPS 导航概述 提出：始于美国国防部的 NAVSTAR NAVSTAR NAVSTAR NAVSTAR 计划 GPS GPS GPS GPS 卫星及轨道 24242424颗卫星，位于6666个 轨道平面 每个轨道与地球赤 道夹角55555555度 各轨道与地球赤道 的交线夹角60606060度 定位思想： 用户通过接收机接收卫星信号，提取卫星的距离、方位等信 息，利用几何方法解算出用户当前的位置、速度等参数 惯性导航的基本思想 惯性导航是以牛顿定律为基础 �第一定律 惯性定律 �第二定律 maF = �第三定律 作用力与反作用力 任何运动体的运动状态都可以用 加速度（AccelerationAccelerationAccelerationAcceleration）来表征 加速度、速度（ velocity velocity velocity velocity ）和航 程（PositionPositionPositionPosition）之间的关系： �加速度可以由加速度计测量 (accelerometer) �惯性导航：以加速度测量为 基础的导航定位方法 2 2 dt sd dt dV a == ∫+= t adtVV 00 ∫+= t VdtSS 00 ∫ ∫++= t t adttVS 0 0 2 00 这种不依赖外界信息，只靠对 载体(vehicle)本身的惯性测 量来完成导航任务的技术称作 惯性导航 平面上的惯性导航 在平面上的导航 (Two-Dimensional Navigation) 对加速度计的输出信号进行 计算，就可以实时计算出载 体在坐标系中的位置和瞬时 速度 平台在整个导航过程中，始 终模拟平面坐标系 OXYOXYOXYOXY 在工程上通过陀螺稳定平台 来实现 陀螺仪：定义、缘起 广义概念 Gyroscope Gyroscope Gyroscope Gyroscope 古希腊语： 旋转敏感器 狭义概念 陀螺： 绕自身对称轴高速旋转的刚体 陀螺仪：陀螺 + + + + 支撑及辅助装 置，实现某种测量功能 从玩具陀螺说起 高速旋转的陀螺具有定轴性 定轴性易被破坏 破坏（干扰）因素 非对称支撑带来的干扰力矩 旋转受到的摩擦力 支承改进：框架、支点、自由度 改变支点位置，引入框架支撑 框架嵌套式支承的实现 等效支点（万向支点、定点） 转子的自由度 转子轴的自由度 二自由度陀螺仪（对转子轴） 单自由度陀螺仪 摩擦及对策、漂移率 摩擦力矩分类及影响 转子受到的摩擦（减速） 框架轴处的摩擦及影响 解决措施 维持转子高速的旋转：电机驱动 改进支撑方式，降低轴承摩擦 漂移、漂移率 漂移：受干扰影响，陀螺转子轴相对惯性空间的转动 漂移率：陀螺转子轴漂移的角速率（度 ////小时） 惯性级精度：0.010.010.010.01度////小时 陀螺的发展历史： 消除各种有害力矩、降低漂移率的历史 傅科陀螺仪 傅科：法国地球物理学家(1819-1868) 验证地球自转 傅科摆 (1851) L=67mL=67mL=67mL=67m M=28kgM=28kgM=28kgM=28kg A=6mA=6mA=6mA=6m 傅科陀螺仪 (1852) 精度较低，无法验证地球自转 之后轴承工艺得到改进 陀螺罗经————————航海方面的最早应用 �人类早期航海采用磁罗盘（指南针） �19191919世纪后期，钢质轮船逐渐取代 木质轮船，磁罗盘无法再保证精度 �在极地附近磁罗盘也会失灵 �寻找能够替代磁罗盘的方位指使仪 �如果借助陀螺仪，需要解决实时、 自主寻北的问题 �1908190819081908年，德国人安休茨 （AnschutzAnschutzAnschutzAnschutz）研制成陀螺罗经 �1909190919091909年，美国人斯佩里（SperrySperrySperrySperry）也 独立研制成陀螺罗经 ———————— 陀螺仪实用技术形成和发展的开端 航空应用————————地平仪、航向仪 �1920192019201920ssss后 陀螺仪开始应 用在航空，用来测量飞 机的姿态角 �飞行器的姿态角：航 向、俯仰、横滚 �地平仪：建立水平基 准，实现对俯仰、横滚 的测量 �航向仪：建立方位基 准，实现对航向角的测 量 陀螺仪在导弹中的最早应用 � 30年代被 GoddardGoddardGoddardGoddard 用于火箭试验 �二战中用于导弹： V1V1V1V1、V2V2V2V2 � 1942194219421942年12121212月，德国首次试射V1V1V1V1 V1 V1 V1 V1 巡航导弹 V2 V2 V2 V2 弹道导弹 � V1 V1 V1 V1 被大量投入到二战 1944194419441944年6666月，德国从法国北部 向英国发射V1V1V1V1 10500105001050010500 落到英国 3200 3200 3200 3200 枚 伦敦 2500 2500 2500 2500 枚 � 德国战败后，导弹技术人员大量流向苏美 冯····布劳恩 杨格尔 陀螺仪的惯性级应用——“——“——“——“舡鱼””””之旅 二战后，苏美继续大力发展导弹 和火箭技术 50505050年代初，美国MITMITMITMIT研制出达到 惯性级精度的液浮陀螺仪 美国的““““NavahoNavahoNavahoNavaho””””计划 1958195819581958年，美国““““舡鱼””””号潜艇之旅 珍珠港 - - - - 白令海峡 - - - - 北极 - - - - 波特兰 历时 21212121天，航程 15000 15000 15000 15000 Km Km Km Km ———————— 标志着以陀螺仪为核心的惯性 导航技术在 50 50 50 50 年代已经趋于成熟 三浮、静电陀螺————————高精度的追逐 陀螺仪发展的两个方向： 1111、高精度 2222、低成本、小型化 三浮陀螺 （液浮、气浮、磁悬浮） 最高精度10101010eeee-7-7-7-7度////小时 静电陀螺：转子无接触悬浮 1952 1952 1952 1952 提出 1970197019701970s s s s 末进入实用 最高精度 10101010eeee-7-7-7-7度////小时 国内研制状况 缺点：结构复杂，成本高昂 光学、振动陀螺————————低成本小型化 激光陀螺 60606060年代初开始研制，70707070年代进 入实用 光纤陀螺 70707070年代开始研制，80808080年代初进 入实用 1983-19941983-19941983-19941983-1994美国各类陀螺比例 振动陀螺、微机械陀螺 音叉振动陀螺、压电振动陀螺、 半球谐振陀螺 ENDENDENDEND