P01導(dǎo)航、慣導(dǎo)、陀螺儀緒論

1、導(dǎo)航原理導(dǎo)航原理Navigation導(dǎo)航的概念及分類導(dǎo)航的概念及分類導(dǎo)航：導(dǎo)航： 把航行的載體從起始點(diǎn)引導(dǎo)到目的地的技術(shù)把航行的載體從起始點(diǎn)引導(dǎo)到目的地的技術(shù)基本類型：基本類型： 陸標(biāo)導(dǎo)航（陸標(biāo)導(dǎo)航（Landmark)推算定位導(dǎo)航（推算定位導(dǎo)航（Dead Reckoning）天文導(dǎo)航（天文導(dǎo)航（Astronomical Navigation）衛(wèi)星導(dǎo)航（衛(wèi)星導(dǎo)航（Satellite Navigation） 慣性導(dǎo)航慣性導(dǎo)航 （Inertial Navigation System，INS） 衛(wèi)星定位導(dǎo)航（衛(wèi)星定位導(dǎo)航（GPS, GLONASS, Galileo , 北斗北斗 ）GPS 導(dǎo)航概述導(dǎo)航

2、概述提出：始于美國國防部的提出：始于美國國防部的 NAVSTAR 計(jì)劃計(jì)劃GPS 衛(wèi)星及軌道衛(wèi)星及軌道24顆衛(wèi)星，位于顆衛(wèi)星，位于6個(gè)個(gè)軌道平面軌道平面每個(gè)軌道與地球赤每個(gè)軌道與地球赤道夾角道夾角55度度各軌道與地球赤道各軌道與地球赤道的交線夾角的交線夾角60度度定位思想：定位思想：用戶通過接收機(jī)接收衛(wèi)星信號(hào)，提取衛(wèi)星的距離、方位等信用戶通過接收機(jī)接收衛(wèi)星信號(hào)，提取衛(wèi)星的距離、方位等信息，利用幾何方法解算出用戶當(dāng)前的位置、速度等參數(shù)息，利用幾何方法解算出用戶當(dāng)前的位置、速度等參數(shù)慣性導(dǎo)航的基礎(chǔ)慣性導(dǎo)航的基礎(chǔ)慣性導(dǎo)航是以牛頓定律為基礎(chǔ)慣性導(dǎo)航是以牛頓定律為基礎(chǔ) 第一定律第一定律 慣性定律慣性定律

3、第二定律第二定律 maF 第三定律第三定律 作用力與反作用力作用力與反作用力 任何運(yùn)動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)都可以用加速度（任何運(yùn)動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)都可以用加速度（Acceleration）來表征）來表征 加速度、速度（加速度、速度（ velocity ）和航程（）和航程（Position）之間的關(guān)系）之間的關(guān)系：加速度可以由加速度計(jì)加速度可以由加速度計(jì) ( (accelerometer) )測量測量慣性導(dǎo)航：以加速度測量為基礎(chǔ)的導(dǎo)航定位方法慣性導(dǎo)航：以加速度測量為基礎(chǔ)的導(dǎo)航定位方法 慣性導(dǎo)航的基本思想慣性導(dǎo)航的基本思想加速度、速度（加速度、速度（ velocity ）和航程（）和航程（Position）之

4、間的關(guān)系）之間的關(guān)系：dtdVa tadtVV00tVdtSS00這種不依賴外界信息，只靠對載體這種不依賴外界信息，只靠對載體( (vehicle) )本身的慣性測量本身的慣性測量來完成導(dǎo)航任務(wù)的技術(shù)稱作慣性導(dǎo)航來完成導(dǎo)航任務(wù)的技術(shù)稱作慣性導(dǎo)航 dtdsV 平面上的慣性導(dǎo)航平面上的慣性導(dǎo)航在平面上的導(dǎo)航在平面上的導(dǎo)航 (Two-Dimensional Navigation)對加速度計(jì)的輸出信號(hào)進(jìn)行對加速度計(jì)的輸出信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，就可以實(shí)時(shí)計(jì)算出載計(jì)算，就可以實(shí)時(shí)計(jì)算出載體在坐標(biāo)系中的位置和瞬時(shí)體在坐標(biāo)系中的位置和瞬時(shí)速度速度 平臺(tái)在整個(gè)導(dǎo)航過程中，始平臺(tái)在整個(gè)導(dǎo)航過程中，始終模擬平面坐標(biāo)系終模擬

5、平面坐標(biāo)系 OXY在工程上通過陀螺穩(wěn)定平臺(tái)在工程上通過陀螺穩(wěn)定平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)來實(shí)現(xiàn)陀螺儀：定義、緣起陀螺儀：定義、緣起廣義概念廣義概念 Gyroscope 古希臘語：古希臘語： 旋轉(zhuǎn)敏感器旋轉(zhuǎn)敏感器 狹義概念狹義概念 陀螺：陀螺： 繞自身對稱軸高速旋轉(zhuǎn)的剛體繞自身對稱軸高速旋轉(zhuǎn)的剛體 陀螺儀陀螺儀：陀螺陀螺 + 支撐及輔助裝置，支撐及輔助裝置，實(shí)現(xiàn)某種測量功能實(shí)現(xiàn)某種測量功能 從玩具陀螺說起從玩具陀螺說起 高速旋轉(zhuǎn)的陀螺具有定軸性高速旋轉(zhuǎn)的陀螺具有定軸性 定軸性易被破壞定軸性易被破壞 破壞（干擾）因素破壞（干擾）因素 非對稱支撐帶來的干擾力矩非對稱支撐帶來的干擾力矩 旋轉(zhuǎn)受到的摩擦力旋轉(zhuǎn)受到的摩擦

6、力 支承改進(jìn)：框架、支點(diǎn)、自由度支承改進(jìn)：框架、支點(diǎn)、自由度改變支點(diǎn)位置，引入改變支點(diǎn)位置，引入框架支撐框架支撐 框架嵌套式支承的實(shí)現(xiàn)框架嵌套式支承的實(shí)現(xiàn) 等效支點(diǎn)（萬向支點(diǎn)、定點(diǎn)）等效支點(diǎn)（萬向支點(diǎn)、定點(diǎn)） 轉(zhuǎn)子的自由度轉(zhuǎn)子的自由度轉(zhuǎn)子軸的自由度轉(zhuǎn)子軸的自由度二自由度陀螺儀二自由度陀螺儀（對轉(zhuǎn)子軸）（對轉(zhuǎn)子軸） 單自由度陀螺儀單自由度陀螺儀 摩擦及對策、漂移率摩擦及對策、漂移率 摩擦力矩分類及影響摩擦力矩分類及影響轉(zhuǎn)子受到的摩擦（減速）轉(zhuǎn)子受到的摩擦（減速） 框架軸處的摩擦及影響框架軸處的摩擦及影響 解決措施解決措施維持轉(zhuǎn)子高速的旋轉(zhuǎn)：電機(jī)驅(qū)動(dòng)維持轉(zhuǎn)子高速的旋轉(zhuǎn)：電機(jī)驅(qū)動(dòng) 改進(jìn)支撐方式，降低

7、軸承摩擦改進(jìn)支撐方式，降低軸承摩擦 漂移、漂移率漂移、漂移率 漂移：受干擾影響，陀螺轉(zhuǎn)子軸相對慣性空間的轉(zhuǎn)動(dòng)漂移：受干擾影響，陀螺轉(zhuǎn)子軸相對慣性空間的轉(zhuǎn)動(dòng) 漂移率：陀螺轉(zhuǎn)子軸漂移的角速率（度漂移率：陀螺轉(zhuǎn)子軸漂移的角速率（度/小時(shí)）小時(shí)） 慣性級精度：慣性級精度：0.01度度/小時(shí)小時(shí) 陀螺的發(fā)展歷史：陀螺的發(fā)展歷史： 消除各種有害力矩、降低漂移率的歷史消除各種有害力矩、降低漂移率的歷史傅科陀螺儀傅科陀螺儀傅科：法國地球物理學(xué)家傅科：法國地球物理學(xué)家(1819-1868)(1819-1868)驗(yàn)證地球自轉(zhuǎn)驗(yàn)證地球自轉(zhuǎn) 傅科擺傅科擺(1851)傅科陀螺儀傅科陀螺儀 (1852)精度較低，無法驗(yàn)證

8、地球自轉(zhuǎn)精度較低，無法驗(yàn)證地球自轉(zhuǎn) 之后軸承工藝得到改進(jìn)之后軸承工藝得到改進(jìn)L=67mM=28kgA=6m陀螺陀螺羅經(jīng)羅經(jīng)航海方面的最早應(yīng)用航海方面的最早應(yīng)用 人類早期航海采用磁羅盤（指南針）人類早期航海采用磁羅盤（指南針）19世紀(jì)后期，鋼質(zhì)輪船逐漸取代世紀(jì)后期，鋼質(zhì)輪船逐漸取代木質(zhì)輪船，磁羅盤無法再保證精度木質(zhì)輪船，磁羅盤無法再保證精度 在極地附近磁羅盤也會(huì)失靈在極地附近磁羅盤也會(huì)失靈尋找能夠替代磁羅盤的方位指使儀尋找能夠替代磁羅盤的方位指使儀如果借助陀螺儀，需要解決實(shí)時(shí)、如果借助陀螺儀，需要解決實(shí)時(shí)、自主尋北的問題自主尋北的問題1908年，德國人安休茨年，德國人安休茨（Anschutz）研

9、制成陀螺羅經(jīng)）研制成陀螺羅經(jīng) 1909年，美國人斯佩里（年，美國人斯佩里（Sperry）也）也獨(dú)立研制成陀螺羅經(jīng)獨(dú)立研制成陀螺羅經(jīng) 陀螺儀實(shí)用技術(shù)形成和發(fā)展的開端陀螺儀實(shí)用技術(shù)形成和發(fā)展的開端 航空應(yīng)用航空應(yīng)用地平儀、航向儀地平儀、航向儀1920s后后 陀螺儀開始應(yīng)陀螺儀開始應(yīng)用在航空用在航空，用來測量飛，用來測量飛機(jī)的姿態(tài)角機(jī)的姿態(tài)角 飛行器的姿態(tài)角：飛行器的姿態(tài)角：航向軸航向軸橫滾軸橫滾軸俯仰軸俯仰軸地平儀：建立水平基地平儀：建立水平基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)對俯仰、橫滾準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)對俯仰、橫滾的測量的測量航向儀：建立方位基航向儀：建立方位基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)對航向角的測準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)對航向角的測量量 陀螺儀在導(dǎo)彈中的最早應(yīng)

10、用陀螺儀在導(dǎo)彈中的最早應(yīng)用 30 30年代被年代被 Goddard 用于火箭試驗(yàn)用于火箭試驗(yàn) 二戰(zhàn)中用于導(dǎo)彈：二戰(zhàn)中用于導(dǎo)彈： V1、V2 1942年年12月，德國首次試射月，德國首次試射 V1V1， 巡航導(dǎo)彈巡航導(dǎo)彈V2， 彈道導(dǎo)彈彈道導(dǎo)彈 V1 被被大量投入到二戰(zhàn)大量投入到二戰(zhàn)1944年年6月起，德國從法國北月起，德國從法國北部向英國發(fā)射部向英國發(fā)射V1 10500枚；枚；V2 1700枚。枚。 德國戰(zhàn)敗后，導(dǎo)彈技術(shù)人員大量流向蘇美，德國戰(zhàn)敗后，導(dǎo)彈技術(shù)人員大量流向蘇美， 馮馮布勞恩布勞恩陀螺儀的慣性級應(yīng)用陀螺儀的慣性級應(yīng)用“舡魚舡魚”之之旅旅二戰(zhàn)后，蘇美繼續(xù)大力發(fā)展導(dǎo)彈和二戰(zhàn)后，蘇美繼續(xù)

11、大力發(fā)展導(dǎo)彈和火箭技術(shù)火箭技術(shù) （布勞恩（布勞恩Vs 科羅廖夫）科羅廖夫）50年代初，美國年代初，美國 MIT Draper 實(shí)實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)室研制出達(dá)到慣性級精度的液研制出達(dá)到慣性級精度的液浮陀螺儀浮陀螺儀 1958年，美國年，美國“舡魚舡魚”號(hào)潛艇之號(hào)潛艇之旅旅珍珠港珍珠港 - 白令海峽白令海峽 - 北極北極 - 波特蘭波特蘭 歷時(shí)歷時(shí) 21天，航程天，航程 15000 Km 標(biāo)志著標(biāo)志著以陀螺儀為核心的慣性以陀螺儀為核心的慣性導(dǎo)航技術(shù)在導(dǎo)航技術(shù)在 50 年代已經(jīng)趨于成熟年代已經(jīng)趨于成熟 三浮、靜電陀螺三浮、靜電陀螺高精度的追逐高精度的追逐陀螺儀發(fā)展的兩個(gè)方向陀螺儀發(fā)展的兩個(gè)方向： 1、高精度、

12、高精度2、低成本、小型化、低成本、小型化三浮陀螺三浮陀螺 （液浮、氣浮、磁懸浮）（液浮、氣浮、磁懸?。┳罡呔茸罡呔?0e-7度度/小時(shí)小時(shí) 靜電陀螺靜電陀螺：轉(zhuǎn)子無接觸懸?。恨D(zhuǎn)子無接觸懸浮 1952 提出方案提出方案1970s 末進(jìn)入實(shí)用末進(jìn)入實(shí)用最高精度最高精度 10e-7度度/小時(shí)小時(shí) 國內(nèi)研制狀況國內(nèi)研制狀況缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高昂缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高昂 光學(xué)、振動(dòng)陀螺光學(xué)、振動(dòng)陀螺低成本小型化低成本小型化激光陀螺激光陀螺 60年代初開始研制，年代初開始研制，70年代進(jìn)年代進(jìn)入實(shí)用入實(shí)用 光纖陀螺光纖陀螺 70年代開始研制，年代開始研制，80年代初進(jìn)年代初進(jìn)入實(shí)用入實(shí)用 1983-1994美國各類陀螺比例美國各類陀螺比例 振動(dòng)陀螺、微機(jī)械陀螺振動(dòng)陀螺、微機(jī)械陀螺音叉振動(dòng)陀螺、壓電振動(dòng)陀螺、音叉振動(dòng)陀螺、壓電振動(dòng)陀螺、半球諧振陀螺半球諧振陀螺課程資源課