InertialTechnology慣性技術付振憲SchoolofAstronautics,HIT1Lecture1--Introduction課程內容慣性導航：器件:陀螺儀(Gyroscopes)加速度計(Accelerometers)系統(InertialNavigationSystems–INS):平臺式慣導系統(PlatformINS)捷聯慣導系統(StrapdownINS–SINS)2Lecture1--Introduction1.0導航的概念導航：提供載體的運動信息,如位置、速度、姿態等導航、制導與控制之間的關系:控制器執行器位置速度姿態導航（信息反饋）3Lecture1--Introduction2.1慣性導航的基礎慣性導航以牛頓第二定律為基礎動力學(dynamics)慣性導航以對載體的加速度的測量為起點(使用加速度計–accelerometers).m敏感軸萬有引力的影響4Lecture1--Introduction2.2*慣性導航的基本思想位置、速度和加速度之間的關系:慣性導航的特點:自主(Autonomous,

self-contained)

無需外部信息

只依賴于對載體的慣性測量(借助加速度計、陀螺儀)5Lecture1--Introduction2.3二維導航例子平面二維導航載體平臺加速度計的輸出經一次積分得速度，二次積分得位置.Acc.XAcc.Y

導航過程中，平臺需要跟蹤導航參考坐標系OXY.

平臺的穩定是借助于陀螺儀(gyroscope)實現的.平臺式vs捷聯式6Lecture1--Introduction3.1*陀螺儀廣義概念

來自古希臘語:

旋轉敏感器（相對慣性空間的絕對轉動）狹義概念陀螺:高速自旋的剛體陀螺儀:陀螺+支撐裝置,以便實現對旋轉的測量陀螺的定軸性:

高速自轉的剛體具有定軸性

定軸性易受破壞

7Lecture1--Introduction3.2支撐的改進框架(gimbals)

外環軸外環

內環

內環軸轉子軸轉子基座等效支撐點自由度(DOF)---轉子的---轉子軸的二自由度陀螺儀(自轉軸)轉子軸轉子基座內環內環軸單自由度陀螺儀8Lecture1--Introduction3.3漂移和漂移率

漂移–由干擾導致的轉子軸相對慣性空間緩慢的方向變化

漂移率–漂移的快慢（deg/h）漂移(Drift)和漂移率

慣性導航的精度–慣性級:0.01deg/h

陀螺儀的歷史–設法減少有害力矩、降低漂移的歷史9Lecture1--Introduction4.1歷史:傅科陀螺儀Foucaultgyroscope

(1852)Earth利用陀螺驗證地球自轉后期的技術改進10Lecture1--Introduction4.2歷史:在航海的應用磁羅盤(Magneticcompass)被用于早期的航海19世紀后期，大量的木質輪船被鋼鐵材質的輪船取代，使磁羅盤的效能受到影響.

磁羅盤的使用在地球兩極附近受到限制

尋找替代的方向指示裝置11Lecture1--Introduction4.2歷史:陀螺羅經陀螺儀被寄予希望,但面臨著自動尋北的挑戰1908年,Anschutz(德國)發明了陀螺羅經(gyrocompass)1909年,Sperry(美國)也獨立研制出陀螺羅經.——陀螺羅經的出現標志著陀螺儀技術現代應用的發端12Lecture1--Introduction4.3歷史:航空中的應用1920s,應用于早期的飛機測量飛機的姿態方位滾動俯仰

陀螺地平儀

陀螺航向儀13Lecture1--Introduction4.4歷史:早期導彈中的應用1930s,Goddard(US)的先期研究1940s,V-1、V-2V-1V-214Lecture1--Introduction4.5歷史:液浮陀螺二戰后，德國導彈專家大量轉移到美國和前蘇聯(VanBraun)冷戰期間蘇美競賽1950s早期，MITDraper實驗室研制出液浮陀螺(Fluidsuspensiongyro)轉子內環(陀螺房)外環15Lecture1--Introduction4.6歷史:Argonaut號之旅1958，潛艇Argonaut號之旅珍珠港–白令海峽–北極–Portland港21days，15000Km——標志著慣性導航技術的成熟16Lecture1--Introduction5.0兩種趨勢60年代后，陀螺儀的發展趨勢呈現出兩種分支：

追求更高的精度

低成本小型化(forSINS)5.1對更高精度的追求框架支撐系統的改進–液浮,氣浮,磁懸浮精度優于10e-7deg/h17Lecture1--Introduction5.1*高精度:靜電陀螺靜電懸浮陀螺：非接觸支撐陶瓷殼體球形轉子自轉軸球形電極鈦離子泵1952Nordsieck提出1970s后期投入實用

用于慣導，優于10e-7deg/h

用于太空望遠鏡10e-11deg/h18Lecture1--Introduction5.2低成本、小型化環形激光陀螺(Ringlasergyro--RLG)

1960s早期開始研制,1970s后期進入實用光纖陀螺(FiberOpticalGyro–FOG)1970s開始研制,1980s早期進入實用19Lecture1--Introduction5.2振動陀螺振動(vibratory)陀螺

音叉(Tuningfork)

壓電(Piezoelectric)陀螺

半球諧振陀螺(Hemi-sphericalresonantgyro,HRG)

微機電(MEMS)MicroElectro-MechanicalSystemsMicromachinedElectro-MechanicalSystems20Lecture1--Introduction6.0兩類慣導系統的發展平臺式慣導系統(PINS,orINS)(后來的Draper實驗室)1950s–MIT研制出首套慣導系統1960s,1970s–廣泛應用1980s–應用逐漸縮減，限于戰略高端捷聯式慣導系統(SINS)1960s–思想提出1970s–理論已完善，產品還不成熟1980s–應用迅速增長.21Lecture1--Introduction課程資源PPTdownloading:(僅校園網訪問)Textbooks：