《陀螺仪与惯导》PPT课件.ppt

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1、陀螺仪惯性导航的核心器件,导航(Navigation)：,获取航行中载体的运动信息的技术,基本类型：,陆标导航（Landmark),推算定位导航（Dead Reckoning）,天文导航（Astronomical Navigation）,无线电导航（Radio Navigation）,惯性导航（Inertial Navigation System，INS）,卫星定位导航（GPS,GLONASS,Galileo,北斗）,惯性导航的基本思想,以牛顿第二定律为基础,第二定律,加速度(Acceleration)、速度（velocity）和位置（Position）之间的关系：,加速度可以由加速度计测量(

2、accelerometer),惯性(inertial)导航：以加速度测量为基础的导航定位方法,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 OXY导航参考坐标系在工程上通过陀螺稳定平台来实现对导航参考坐标系的模拟,陀螺仪：定义、缘起,广义概念,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

3、+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

4、度：0.01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),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,L=67mM=28kgA=6m,原理？,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）,19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,1908年，德国人安休茨（Anschutz）研制成陀螺罗经,1909年，美国人斯佩里（Spe

5、rry）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,1920s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 Goddard 用于火箭试验 二战中用于导弹：V1、V2,1942年12月，德国首次试射V1,V1 巡航导弹V2 弹道导弹,V1 被大量投入到二战,1944年6月，德国从法国北部向英国发射V1，10500枚,落到英国 3200 枚,伦敦 2500 枚,德国战败后，导弹技术人员大量流向苏美,冯布劳恩

6、,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（布劳恩Vs 科罗廖夫）,50年代初，美国 MIT Draper 实验室研制出达到惯性级精度的液浮陀螺仪,1958年，美国“舡鱼”号潜艇之旅,珍珠港-白令海峡-北极-波特兰 历时 21天，航程 15000 Km,标志着以陀螺仪为核心的惯性导航技术在 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：,1、高精度2、低成本、小型化,三浮陀螺（液浮、气浮、磁悬浮）,最高精度10e-7度/小时,静电陀螺：转子无接触悬浮,1952 提出方案1970s 末进入实用最高精度 10e-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,60年代初开始研制，70年代进入实用,光纤陀螺,70年代开始研制，80年代初进入实用,1983-1994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,END,参考教材：陀螺仪原理及应用（郭素云 哈工大出版社）惯导系统陀螺仪原理（郭秀中 国防工业出版社）,