1、Lecture 6 - Basic types of INS1Platform Inertial Navigation System平臺式慣導系統平臺式慣導系統Lecture 6 - Basic types of INS2Outline慣導系統的分類慣導系統的分類基于當地地理坐標系的基于當地地理坐標系的INS - 穩定與修正穩定與修正基于慣性坐標系的基于慣性坐標系的INS 重力補償重力補償框架系統框架系統Lecture 6 - Basic types of INS3vehicleplatform1.0 慣導系統的任務慣導系統的任務X Acc.Y Acc.xaxaxVxSyayayVyS導航過程

2、中導航過程中, 平臺必須模擬坐標系平臺必須模擬坐標系 XY, 這是借助這是借助于陀螺儀實現的于陀螺儀實現的.所有慣導系統都需要解決的兩個問題：所有慣導系統都需要解決的兩個問題： q 利用陀螺儀建立信號測量基準利用陀螺儀建立信號測量基準.q 對加速度計的輸出進行積分，獲取速度和位置對加速度計的輸出進行積分，獲取速度和位置.Lecture 6 - Basic types of INS42.0*慣導系統的分類慣導系統的分類依據對導航坐標系的選取和實現方式依據對導航坐標系的選取和實現方式INS平臺式平臺式捷聯式捷聯式選取慣性坐標系為導航坐標系選取慣性坐標系為導航坐標系選取地球坐標系為導航坐標系選取地球

3、坐標系為導航坐標系選取地理坐標系為導航坐標系選取地理坐標系為導航坐標系自由或游動方位的水平坐標系自由或游動方位的水平坐標系 同上同上力學編排力學編排Lecture 6 - Basic types of INS5Outline慣導系統的分類慣導系統的分類基于當地地理坐標系的基于當地地理坐標系的INS - 穩定與修正穩定與修正基于慣性坐標系的基于慣性坐標系的INS 重力補償重力補償框架系統框架系統Lecture 6 - Basic types of INS63.1 慣性平臺慣性平臺 立體示意圖立體示意圖電機電機外環外環傳感傳感內環內環電機電機臺體軸臺體軸電機電機傳感傳感放大、校正放大、校正臺體臺體

4、Lecture 6 - Basic types of INS73.2 平臺穩定回路平臺穩定回路M2M1outer ringouter ring axisPXPYXAYAZGYGXG當慣導平臺跟蹤當地地理坐標系時需要有穩定回路和修正回路當慣導平臺跟蹤當地地理坐標系時需要有穩定回路和修正回路 穩定回路的機制：穩定回路的機制：q 當平臺繞外框架軸旋轉當平臺繞外框架軸旋轉 (由于由于干擾影響干擾影響)q 陀螺儀陀螺儀 Gy 進動并有輸出進動并有輸出q Gy 的輸出被送到電機的輸出被送到電機 M2 q M2 驅動平臺轉回原來位置驅動平臺轉回原來位置3MLecture 6 - Basic types of

5、 INS83.3 坐標變換器坐標變換器M2M1outer ringouter ring axisPXPYXAYAZGYGXG3M當載體旋轉當載體旋轉M2M1PXPYXAYAZGYGXG?需增加坐標變換器實現切換需增加坐標變換器實現切換 Lecture 6 - Basic types of INS93.4 平臺修正（跟蹤）平臺修正（跟蹤）地理坐標系相對慣性空間的旋轉地理坐標系相對慣性空間的旋轉 RVNEcoseENRVsineEtgRV為了使平臺跟蹤地理坐標系，應使為了使平臺跟蹤地理坐標系，應使其以同樣角速度相對慣性空間旋轉。其以同樣角速度相對慣性空間旋轉。控制電流施加到陀螺儀上控制電流施加到陀

6、螺儀上, 使它們產生相應的進動。使它們產生相應的進動。陀螺儀的進動通過電機被陀螺儀的進動通過電機被傳遞給平臺傳遞給平臺, 使得平臺跟蹤使得平臺跟蹤地理坐標系地理坐標系 (平臺的修正平臺的修正)eRNEEVNVLecture 6 - Basic types of INS103.5 東向修正回路東向修正回路M2M1PXPYXAYAZGYGXG3MNBANVdtNV0NVtNBNNNdtAAVtV00)()(R1dt0)(ttNdttVRt00)(1)(RVNCE1CELecture 6 - Basic types of INS113.6 北向修正回路北向修正回路M2M1PXPYXAYAZGYGXG

7、3MNBANVdtNV0NVR1dt0)(t1CEEBAEVdtEV0EVcos1Rdt0)(tcoseECNRVcoseR/1CNLecture 6 - Basic types of INS123.7 方位修正回路方位修正回路M2M1PXPYXAYAZGYGXG3MNBANVdtNV0NVR1dt0)(t1CEEBAEVdtEV0EVcos1Rdt0)(tsineECtgRVsineR/tanCLecture 6 - Basic types of INS133.8*總結總結: 修正回路工作過程修正回路工作過程加速度計加速度計 輸出輸出有害加速度有害加速度 補償補償 一次一次積分積分計算地理坐

8、標系相對計算地理坐標系相對慣性空間的旋轉角速度慣性空間的旋轉角速度陀螺力矩器陀螺力矩器陀螺進動陀螺進動力矩電機力矩電機平臺轉動平臺轉動M2M1PXPYXAYAZGYGXG3MNBANVdtNV0NVR1dt0)(t1CELecture 6 - Basic types of INS14Outline慣導系統的分類慣導系統的分類基于當地地理坐標系的基于當地地理坐標系的INS - 穩定與修正穩定與修正基于慣性坐標系的基于慣性坐標系的INS 重力補償重力補償框架系統框架系統Lecture 6 - Basic types of INS154.1 基于慣性系的導航基于慣性系的導航選取慣性坐標系為導航坐標系

9、選取慣性坐標系為導航坐標系 ：平臺相對慣性空間穩定平臺相對慣性空間穩定PXPZPXPZAB優點優點q 平臺只需要穩定平臺只需要穩定q 加速度計的輸出中不含有加速度計的輸出中不含有害加速度害加速度Lecture 6 - Basic types of INS164.2 基于慣性系的導航基于慣性系的導航: 缺點缺點缺點缺點PXPZPXPZAB對于地球表面的導航：對于地球表面的導航：q 為了獲取載體相對地球的位為了獲取載體相對地球的位置和速度，需要進行變換置和速度，需要進行變換 q 重力加速度重力加速度 g 相對平臺的方向在不斷改變，因此沿著三個加相對平臺的方向在不斷改變，因此沿著三個加速度計敏感軸方

10、向的速度計敏感軸方向的 g 的分量也不斷在變，必須實時計算的分量也不斷在變，必須實時計算.Lecture 6 - Basic types of INS17當載體從當載體從 A 移動到移動到 B, 4.3 重力加速度的分量重力加速度的分量APXPZPXPZBxzggxg重力加速度重力加速度 g 的分量的分量 hRxggxhRyggyhRRggzg 的大小也和載體距地面的高度有關的大小也和載體距地面的高度有關220)(hRRggLecture 6 - Basic types of INS184.3 重力加速度的分量重力加速度的分量320)(hRxRggx320)(hRyRggy330)(hRRgg

11、z則則并假設并假設 h RRxggx0Ryggy0002gRzggzg 的分量取決于載體的位置的分量取決于載體的位置 x, y 和和 z Lecture 6 - Basic types of INS194.4 測量和計算測量和計算RxgxtfX0)( RygytfY0)( 002)(gRzgztfZ RxgtfxX0)( RygtfyY0)( 002)(gRzgtfzZ tXXdtxVtV00)( tYYdtyVtV00)( tZZdtzVtV00)( tXdttVxtx00)()(tYdttVyty00)()(tZdttVztz00)()(Lecture 6 - Basic types of

12、 INS204.5 方框圖方框圖無修正回路無修正回路 M2M13MPXPYXAYAZGYGXG)(tax)(tayZA)(tazx Rg0 xyRg0y 0gz zRg02dt0YVdt0XVXVYV0ZVZVdtdt0Xdt0Ydt0Z引入了引入了 g 的分量的補償的分量的補償Lecture 6 - Basic types of INS21Outline慣導系統的分類慣導系統的分類基于當地地理坐標系的基于當地地理坐標系的INS - 穩定與修正穩定與修正基于慣性坐標系的基于慣性坐標系的INS 重力補償重力補償框架系統框架系統Lecture 6 - Basic types of INS225.0

13、 框架系統框架系統: 功能功能q 支撐平臺支撐平臺q 隔離平臺的轉動和載體的轉動隔離平臺的轉動和載體的轉動q 測量載體相對慣性平臺的姿態測量載體相對慣性平臺的姿態Lecture 6 - Basic types of INS235.1 框架框架: 三環三環三環式框架系統三環式框架系統: 使用最普遍使用最普遍包含包含:q 內部臺體內部臺體q 內環內環q 外環外環限制限制: 載體無法實現全姿態載體無法實現全姿態Lecture 6 - Basic types of INS24俯仰軸俯仰軸方位軸方位軸滾動軸滾動軸5.2 框架框架: 三環的閉鎖三環的閉鎖三環系統的限制：三環系統的限制：外框架軸外框架軸 /

14、 載體的俯仰軸載體的俯仰軸載體可繞方位軸和俯仰軸任意載體可繞方位軸和俯仰軸任意轉動轉動載體繞滾動軸的轉動只能限于載體繞滾動軸的轉動只能限于 90 度之間度之間 Lecture 6 - Basic types of INS25俯仰軸俯仰軸方位軸方位軸滾動軸滾動軸5.3*框架框架: 三環的閉鎖三環的閉鎖當滾動角為當滾動角為 90 度度, 框架系統框架系統無法再隔離載體繞其新方位無法再隔離載體繞其新方位軸（原俯仰軸）的轉動軸（原俯仰軸）的轉動 閉鎖閉鎖 必須適當選擇三環平臺的安裝必須適當選擇三環平臺的安裝方式并限制載體的姿態范圍以方式并限制載體的姿態范圍以避免閉鎖現象避免閉鎖現象 四環系統四環系統

15、- 通常只要載體的滾動角超過通常只要載體的滾動角超過 70 度就需要采用四環度就需要采用四環Lecture 6 - Basic types of INS265.4 框架框架: 四環系統四環系統potentiometer2nd ring3rd ring4th ring四環系統特點四環系統特點:q 引入了四環引入了四環q 避免二環和三環之間共面避免二環和三環之間共面原理原理：A: 當載體水平飛行時當載體水平飛行時, 二環垂直于三環二環垂直于三環這時四環和三環在同一個平面內這時四環和三環在同一個平面內載體可以繞任何軸任意旋轉載體可以繞任何軸任意旋轉Lecture 6 - Basic types of INS275.4 框架框架: 四環四環當載體繞滾動軸旋轉當載體繞滾動軸旋轉由于穩定回路，平臺仍保持在由于穩定回路，平臺仍保持在水平位置水平位置. 四環和三環則可能因為載體的四環和三環則可能因為載體的旋轉也產生旋轉旋轉也產生旋轉B:這時二環和三環之間不再相互垂直這時二環和三環之間不再相互垂直.電位計將產生輸出電位計將產生輸出.Lecture 6 - Basic types of INS285.4 框架框架: 四環四環電機利用電位計的輸出驅動電機利用電位計的輸出驅動四環四環C: