P01导航、惯导、陀螺仪绪论

1、导航原理导航原理Navigation导航的概念及分类导航的概念及分类导航：导航： 把航行的载体从起始点引导到目的地的技术把航行的载体从起始点引导到目的地的技术基本类型：基本类型： 陆标导航（陆标导航（Landmark)推算定位导航（推算定位导航（Dead Reckoning）天文导航（天文导航（Astronomical Navigation）卫星导航（卫星导航（Satellite Navigation） 惯性导航惯性导航 （Inertial Navigation System，INS） 卫星定位导航（卫星定位导航（GPS, GLONASS, Galileo , 北斗北斗 ）GPS 导航概述导航

2、概述提出：始于美国国防部的提出：始于美国国防部的 NAVSTAR 计划计划GPS 卫星及轨道卫星及轨道24颗卫星，位于颗卫星，位于6个个轨道平面轨道平面每个轨道与地球赤每个轨道与地球赤道夹角道夹角55度度各轨道与地球赤道各轨道与地球赤道的交线夹角的交线夹角60度度定位思想：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础惯性导航的基础惯性导航是以牛顿定律为基础惯性导航是以牛顿定律为基础 第一定律第一定律 惯性定律惯性定律

3、第二定律第二定律 maF 第三定律第三定律 作用力与反作用力作用力与反作用力 任何运动体的运动状态都可以用加速度（任何运动体的运动状态都可以用加速度（Acceleration）来表征）来表征 加速度、速度（加速度、速度（ velocity ）和航程（）和航程（Position）之间的关系）之间的关系：加速度可以由加速度计加速度可以由加速度计 ( (accelerometer) )测量测量惯性导航：以加速度测量为基础的导航定位方法惯性导航：以加速度测量为基础的导航定位方法 惯性导航的基本思想惯性导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、间的关系）之间的关系：dtdVa tadtVV00tVdtSS00这种不依赖外界信息，只靠对载体这种不依赖外界信息，只靠对载体( (vehicle) )本身的惯性测量本身的惯性测量来完成导航任务的技术称作惯性导航来完成导航任务的技术称作惯性导航 dtdsV 平面上的惯性导航平面上的惯性导航在平面上的导航在平面上的导航 (Two-Dimensional Navigation)对加速度计的输出信号进行对加速度计的输出信号进行计算，就可以实时计算出载计算，就可以实时计算出载体在坐标系中的位置和瞬时体在坐标系中的位置和瞬时速度速度 平台在整个导航过程中，始平台在整个导航过程中，始终模拟平面坐标系终模拟

5、平面坐标系 OXY在工程上通过陀螺稳定平台在工程上通过陀螺稳定平台来实现来实现陀螺仪：定义、缘起陀螺仪：定义、缘起广义概念广义概念 Gyroscope 古希腊语：古希腊语： 旋转敏感器旋转敏感器 狭义概念狭义概念 陀螺：陀螺： 绕自身对称轴高速旋转的刚体绕自身对称轴高速旋转的刚体 陀螺仪陀螺仪：陀螺陀螺 + 支撑及辅助装置，支撑及辅助装置，实现某种测量功能实现某种测量功能 从玩具陀螺说起从玩具陀螺说起 高速旋转的陀螺具有定轴性高速旋转的陀螺具有定轴性 定轴性易被破坏定轴性易被破坏 破坏（干扰）因素破坏（干扰）因素 非对称支撑带来的干扰力矩非对称支撑带来的干扰力矩 旋转受到的摩擦力旋转受到的摩擦

6、力 支承改进：框架、支点、自由度支承改进：框架、支点、自由度改变支点位置，引入改变支点位置，引入框架支撑框架支撑 框架嵌套式支承的实现框架嵌套式支承的实现 等效支点（万向支点、定点）等效支点（万向支点、定点） 转子的自由度转子的自由度转子轴的自由度转子轴的自由度二自由度陀螺仪二自由度陀螺仪（对转子轴）（对转子轴） 单自由度陀螺仪单自由度陀螺仪 摩擦及对策、漂移率摩擦及对策、漂移率 摩擦力矩分类及影响摩擦力矩分类及影响转子受到的摩擦（减速）转子受到的摩擦（减速） 框架轴处的摩擦及影响框架轴处的摩擦及影响 解决措施解决措施维持转子高速的旋转：电机驱动维持转子高速的旋转：电机驱动 改进支撑方式，降低

7、轴承摩擦改进支撑方式，降低轴承摩擦 漂移、漂移率漂移、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：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（度漂移率：陀螺转子轴漂移的角速率（度/小时）小时） 惯性级精度：惯性级精度：0.01度度/小时小时 陀螺的发展历史：陀螺的发展历史： 消除各种有害力矩、降低漂移率的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陀螺仪傅科：法国地球物理学家傅科：法国地球物理学家(1819-1868)(1819-1868)验证地球自转验证地球自转 傅科摆傅科摆(1851)傅科陀螺仪傅科陀螺仪 (1852)精度较低，无法验证

8、地球自转精度较低，无法验证地球自转 之后轴承工艺得到改进之后轴承工艺得到改进L=67mM=28kgA=6m陀螺陀螺罗经罗经航海方面的最早应用航海方面的最早应用 人类早期航海采用磁罗盘（指南针）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、如果借助陀螺仪，需要解决实时、自主寻北的问题自主寻北的问题1908年，德国人安休茨年，德国人安休茨（Anschutz）研

9、制成陀螺罗经）研制成陀螺罗经 1909年，美国人斯佩里（年，美国人斯佩里（Sperry）也）也独立研制成陀螺罗经独立研制成陀螺罗经 陀螺仪实用技术形成和发展的开端陀螺仪实用技术形成和发展的开端 航空应用航空应用地平仪、航向仪地平仪、航向仪1920s后后 陀螺仪开始应陀螺仪开始应用在航空用在航空，用来测量飞，用来测量飞机的姿态角机的姿态角 飞行器的姿态角：飞行器的姿态角：航向轴航向轴横滚轴横滚轴俯仰轴俯仰轴地平仪：建立水平基地平仪：建立水平基准，实现对俯仰、横滚准，实现对俯仰、横滚的测量的测量航向仪：建立方位基航向仪：建立方位基准，实现对航向角的测准，实现对航向角的测量量 陀螺仪在导弹中的最早应

10、用陀螺仪在导弹中的最早应用 30 30年代被年代被 Goddard 用于火箭试验用于火箭试验 二战中用于导弹：二战中用于导弹： V1、V2 1942年年12月，德国首次试射月，德国首次试射 V1V1， 巡航导弹巡航导弹V2， 弹道导弹弹道导弹 V1 被被大量投入到二战大量投入到二战1944年年6月起，德国从法国北月起，德国从法国北部向英国发射部向英国发射V1 10500枚；枚；V2 1700枚。枚。 德国战败后，导弹技术人员大量流向苏美，德国战败后，导弹技术人员大量流向苏美， 冯冯布劳恩布劳恩陀螺仪的惯性级应用陀螺仪的惯性级应用“舡鱼舡鱼”之之旅旅二战后，苏美继续大力发展导弹和二战后，苏美继续

11、大力发展导弹和火箭技术火箭技术 （布劳恩（布劳恩Vs 科罗廖夫）科罗廖夫）50年代初，美国年代初，美国 MIT Draper 实实验室验室研制出达到惯性级精度的液研制出达到惯性级精度的液浮陀螺仪浮陀螺仪 1958年，美国年，美国“舡鱼舡鱼”号潜艇之号潜艇之旅旅珍珠港珍珠港 - 白令海峡白令海峡 - 北极北极 - 波特兰波特兰 历时历时 21天，航程天，航程 15000 Km 标志着标志着以陀螺仪为核心的惯性以陀螺仪为核心的惯性导航技术在导航技术在 50 年代已经趋于成熟年代已经趋于成熟 三浮、静电陀螺三浮、静电陀螺高精度的追逐高精度的追逐陀螺仪发展的两个方向陀螺仪发展的两个方向： 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、气浮、磁悬浮）（液浮、气浮、磁悬浮）最高精度最高精度10e-7度度/小时小时 静电陀螺静电陀螺：转子无接触悬浮：转子无接触悬浮 1952 提出方案提出方案1970s 末进入实用末进入实用最高精度最高精度 10e-7度度/小时小时 国内研制状况国内研制状况缺点：结构复杂，成本高昂缺点：结构复杂，成本高昂 光学、振动陀螺光学、振动陀螺低成本小型化低成本小型化激光陀螺激光陀螺 60年代初开始研制，年代初开始研制，70年代进年代进入实用入实用 光纤陀螺光纤陀螺 70年代开始研制，年代开始研制，80年代初进年代初进入实用入实用 1983-1994美国各类陀螺比例美国各类陀螺比例 振动陀螺、微机械陀螺振动陀螺、微机械陀螺音叉振动陀螺、压电振动陀螺、音叉振动陀螺、压电振动陀螺、半球谐振陀螺半球谐振陀螺课程资源课