平台式惯导系统

1、Lecture 6 - Basic types of INS1Platform Inertial Navigation System平台式惯导系统平台式惯导系统Lecture 6 - Basic types of INS2Outline惯导系统的分类惯导系统的分类基于当地地理坐标系的基于当地地理坐标系的INS - 稳定与修正稳定与修正基于惯性坐标系的基于惯性坐标系的INS 重力补偿重力补偿框架系统框架系统Lecture 6 - Basic types of INS3vehicleplatform1.0 惯导系统的任务惯导系统的任务X Acc.Y Acc.xaxaxVxSyayayVyS导航过程

2、中导航过程中, 平台必须模拟坐标系平台必须模拟坐标系 XY, 这是借助这是借助于陀螺仪实现的于陀螺仪实现的.所有惯导系统都需要解决的两个问题：所有惯导系统都需要解决的两个问题： q 利用陀螺仪建立信号测量基准利用陀螺仪建立信号测量基准.q 对加速度计的输出进行积分，获取速度和位置对加速度计的输出进行积分，获取速度和位置.Lecture 6 - Basic types of INS42.0*惯导系统的分类惯导系统的分类依据对导航坐标系的选取和实现方式依据对导航坐标系的选取和实现方式INS平台式平台式捷联式捷联式选取惯性坐标系为导航坐标系选取惯性坐标系为导航坐标系选取地球坐标系为导航坐标系选取地球

3、坐标系为导航坐标系选取地理坐标系为导航坐标系选取地理坐标系为导航坐标系自由或游动方位的水平坐标系自由或游动方位的水平坐标系 同上同上力学编排力学编排Lecture 6 - Basic types of INS5Outline惯导系统的分类惯导系统的分类基于当地地理坐标系的基于当地地理坐标系的INS - 稳定与修正稳定与修正基于惯性坐标系的基于惯性坐标系的INS 重力补偿重力补偿框架系统框架系统Lecture 6 - Basic types of INS63.1 惯性平台惯性平台 立体示意图立体示意图电机电机外环外环传感传感内环内环电机电机台体轴台体轴电机电机传感传感放大、校正放大、校正台体台体

4、Lecture 6 - Basic types of INS73.2 平台稳定回路平台稳定回路M2M1outer ringouter ring axisPXPYXAYAZGYGXG当惯导平台跟踪当地地理坐标系时需要有稳定回路和修正回路当惯导平台跟踪当地地理坐标系时需要有稳定回路和修正回路 稳定回路的机制：稳定回路的机制：q 当平台绕外框架轴旋转当平台绕外框架轴旋转 (由于由于干扰影响干扰影响)q 陀螺仪陀螺仪 Gy 进动并有输出进动并有输出q Gy 的输出被送到电机的输出被送到电机 M2 q M2 驱动平台转回原来位置驱动平台转回原来位置3MLecture 6 - Basic types of

5、 INS83.3 坐标变换器坐标变换器M2M1outer ringouter ring axisPXPYXAYAZGYGXG3M当载体旋转当载体旋转M2M1PXPYXAYAZGYGXG?需增加坐标变换器实现切换需增加坐标变换器实现切换 Lecture 6 - Basic types of INS93.4 平台修正（跟踪）平台修正（跟踪）地理坐标系相对惯性空间的旋转地理坐标系相对惯性空间的旋转 RVNEcoseENRVsineEtgRV为了使平台跟踪地理坐标系，应使为了使平台跟踪地理坐标系，应使其以同样角速度相对惯性空间旋转。其以同样角速度相对惯性空间旋转。控制电流施加到陀螺仪上控制电流施加到陀

6、螺仪上, 使它们产生相应的进动。使它们产生相应的进动。陀螺仪的进动通过电机被陀螺仪的进动通过电机被传递给平台传递给平台, 使得平台跟踪使得平台跟踪地理坐标系地理坐标系 (平台的修正平台的修正)eRNEEVNVLecture 6 - Basic types of INS103.5 东向修正回路东向修正回路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*总结总结: 修正回路工作过程修正回路工作过程加速度计加速度计 输出输出有害加速度有害加速度 补偿补偿 一次一次积分积分计算地理坐

8、标系相对计算地理坐标系相对惯性空间的旋转角速度惯性空间的旋转角速度陀螺力矩器陀螺力矩器陀螺进动陀螺进动力矩电机力矩电机平台转动平台转动M2M1PXPYXAYAZGYGXG3MNBANVdtNV0NVR1dt0)(t1CELecture 6 - Basic types of INS14Outline惯导系统的分类惯导系统的分类基于当地地理坐标系的基于当地地理坐标系的INS - 稳定与修正稳定与修正基于惯性坐标系的基于惯性坐标系的INS 重力补偿重力补偿框架系统框架系统Lecture 6 - Basic types of INS154.1 基于惯性系的导航基于惯性系的导航选取惯性坐标系为导航坐标系

9、选取惯性坐标系为导航坐标系 ：平台相对惯性空间稳定平台相对惯性空间稳定PXPZPXPZAB优点优点q 平台只需要稳定平台只需要稳定q 加速度计的输出中不含有加速度计的输出中不含有害加速度害加速度Lecture 6 - Basic types of INS164.2 基于惯性系的导航基于惯性系的导航: 缺点缺点缺点缺点PXPZPXPZAB对于地球表面的导航：对于地球表面的导航：q 为了获取载体相对地球的位为了获取载体相对地球的位置和速度，需要进行变换置和速度，需要进行变换 q 重力加速度重力加速度 g 相对平台的方向在不断改变，因此沿着三个加相对平台的方向在不断改变，因此沿着三个加速度计敏感轴方

10、向的速度计敏感轴方向的 g 的分量也不断在变，必须实时计算的分量也不断在变，必须实时计算.Lecture 6 - Basic types of INS17当载体从当载体从 A 移动到移动到 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 的大小也和载体距地面的高度有关的大小也和载体距地面的高度有关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则则并假设并假设 h RRxggx0Ryggy0002gRzggzg 的分量取决于载体的位置的分量取决于载体的位置 x, y 和和 z Lecture 6 - Basic types of INS194.4 测量和计算测量和计算RxgxtfX0)( RygytfY0)( 002)(gRzgztfZ RxgtfxX0)( RygtfyY0)( 002)(gRzgtfzZ tXXdtxVtV00)( tYYdtyVtV00)( tZZdtzVtV00)( tXdttVxtx00)()(tYdttVyty00)()(tZdttVztz00)()(Lecture 6 - Basic types of

12、 INS204.5 方框图方框图无修正回路无修正回路 M2M13MPXPYXAYAZGYGXG)(tax)(tayZA)(tazx Rg0 xyRg0y 0gz zRg02dt0YVdt0XVXVYV0ZVZVdtdt0Xdt0Ydt0Z引入了引入了 g 的分量的补偿的分量的补偿Lecture 6 - Basic types of INS21Outline惯导系统的分类惯导系统的分类基于当地地理坐标系的基于当地地理坐标系的INS - 稳定与修正稳定与修正基于惯性坐标系的基于惯性坐标系的INS 重力补偿重力补偿框架系统框架系统Lecture 6 - Basic types of INS225.0

13、 框架系统框架系统: 功能功能q 支撑平台支撑平台q 隔离平台的转动和载体的转动隔离平台的转动和载体的转动q 测量载体相对惯性平台的姿态测量载体相对惯性平台的姿态Lecture 6 - Basic types of INS235.1 框架框架: 三环三环三环式框架系统三环式框架系统: 使用最普遍使用最普遍包含包含:q 内部台体内部台体q 内环内环q 外环外环限制限制: 载体无法实现全姿态载体无法实现全姿态Lecture 6 - Basic types of INS24俯仰轴俯仰轴方位轴方位轴滚动轴滚动轴5.2 框架框架: 三环的闭锁三环的闭锁三环系统的限制：三环系统的限制：外框架轴外框架轴 /

14、 载体的俯仰轴载体的俯仰轴载体可绕方位轴和俯仰轴任意载体可绕方位轴和俯仰轴任意转动转动载体绕滚动轴的转动只能限于载体绕滚动轴的转动只能限于 90 度之间度之间 Lecture 6 - Basic types of INS25俯仰轴俯仰轴方位轴方位轴滚动轴滚动轴5.3*框架框架: 三环的闭锁三环的闭锁当滚动角为当滚动角为 90 度度, 框架系统框架系统无法再隔离载体绕其新方位无法再隔离载体绕其新方位轴（原俯仰轴）的转动轴（原俯仰轴）的转动 闭锁闭锁 必须适当选择三环平台的安装必须适当选择三环平台的安装方式并限制载体的姿态范围以方式并限制载体的姿态范围以避免闭锁现象避免闭锁现象 四环系统四环系统

15、- 通常只要载体的滚动角超过通常只要载体的滚动角超过 70 度就需要采用四环度就需要采用四环Lecture 6 - Basic types of INS265.4 框架框架: 四环系统四环系统potentiometer2nd ring3rd ring4th ring四环系统特点四环系统特点:q 引入了四环引入了四环q 避免二环和三环之间共面避免二环和三环之间共面原理原理：A: 当载体水平飞行时当载体水平飞行时, 二环垂直于三环二环垂直于三环这时四环和三环在同一个平面内这时四环和三环在同一个平面内载体可以绕任何轴任意旋转载体可以绕任何轴任意旋转Lecture 6 - Basic types of INS275.4 框架框架: 四环四环当载体绕滚动轴旋转当载体绕滚动轴旋转由于稳定回路，平台仍保持在由于稳定回路，平台仍保持在水平位置水平位置. 四环和三环则可能因为载体的四环和三环则可能因为载体的旋转也产生旋转旋转也产生旋转B:这时二环和三环之间不再相互垂直这时二环和三环之间不再相互垂直.电位计将产生输出电位计将产生输出.Lecture 6 - Basic types of INS285.4 框架框架: 四环四环电机利用电位计的输出驱动电机利用电位计的输出驱动四环四环C: