导航原理之平台式惯导系统.ppt

Lecture 6 -- Basic types of INS * * Platform Inertial Navigation System 平台式惯导系统 Outline 惯导系统的分类 基于当地地理坐标系的INS -- 稳定与修正 基于惯性坐标系的INS – 重力补偿 框架系统 vehicle platform 1.0 惯导系统的任务 X Acc. Y Acc. 导航过程中, 平台必须模拟坐标系 XY, 这是借助于陀螺仪实现的. 所有惯导系统都需要解决的两个问题： 利用陀螺仪建立信号测量基准. 对加速度计的输出进行积分，获取速度和位置. 2.0*惯导系统的分类 依据对导航坐标系的选取和实现方式 INS 平台式 捷联式 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 选取地理坐标系为导航坐标系 自由或游动方位的水平坐标系 同上 力学编排 Outline 惯导系统的分类 基于当地地理坐标系的INS -- 稳定与修正 基于惯性坐标系的INS – 重力补偿 框架系统 3.1 惯性平台 – 立体示意图 电机 外环 传感 内环 电机 台体轴 电机 传感 放大、校正 台体 3.2 平台稳定回路 M2 M1 outer ring outer ring axis 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： 当平台绕外框架轴旋转 (由于干扰影响) 陀螺仪 Gy 进动并有输出 Gy 的输出被送到电机 M2 M2 驱动平台转回原来位置 3.3 坐标变换器 M2 M1 outer ring outer ring axis 当载体旋转 M2 M1 ? 需增加坐标变换器实现切换 3.4 平台修正（跟踪） 地理坐标系相对惯性空间的旋转 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。 控制电流施加到陀螺仪上, 使它们产生相应的进动。 陀螺仪的进动通过电机被传递给平台, 使得平台跟踪地理坐标系 (平台的修正) 3.5 东向修正回路 M2 M1 3.6 北向修正回路 M2 M1 3.7 方位修正回路 M2 M1 3.8*总结: 修正回路工作过程 加速度计 输出 有害加速度 补偿 一次 积分 计算地理坐标系相对 惯性空间的旋转角速度 陀螺力矩器 陀螺进动 力矩电机 平台转动 M2 M1 Outline 惯导系统的分类 基于当地地理坐标系的INS -- 稳定与修正 基于惯性坐标系的INS – 重力补偿 框架系统 4.1 基于惯性系的导航 选取惯性坐标系为导航坐标系 ： 平台相对惯性空间稳定 优点 平台只需要稳定 加速度计的输出中不含有害加速度 4.2 基于惯性系的导航: 缺点 缺点 对于地球表面的导航： 为了获取载体相对地球的位置和速度，需要进行变换 重力加速度 g 相对平台的方向在不断改变，因此沿着三个加速度计敏感轴方向的 g 的分量也不断在变，必须实时计算. 当载体从 A 移动到 B, 4.3 重力加速度的分量 重力加速度 g 的分量 g 的大小也和载体距地面的高度有关 4.3 重力加速度的分量 则 并假设 h R g 的分量取决于载体的位置 x, y 和 z 4.4 测量和计算 4.5 方框图 无修正回路 M2 M1 引入了 g 的分量的补偿 Outline 惯导系统的分类 基于当地地理坐标系的INS -- 稳定与修正 基于惯性坐标系的INS – 重力补偿 框架系统 5.0 框架系统: 功能 支撑平台 隔离平台的转动和载体的转动 测量载体相对惯性平台的姿态 5.1 框架: 三环 三环式框架系统: 使用最普遍 包含: 内部台体 内环 外环 限制: 载体无法实现全姿态 俯仰轴 方位轴 滚动轴 5.2 框架: 三环的闭锁 三环系统的限制： 外框架轴 // 载体的俯仰轴 载体可绕方位轴和俯仰轴任意转动 载体绕滚动轴的转动只能限于 ±90o 度之间 俯仰轴 方位轴 滚动轴 5.3*框架: 三环的闭锁 当滚动角为 90 度, 框架系统无法再隔离载体绕其俯仰轴的转动 —— 闭锁 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避免闭锁现象 四环系统 --- 通常只要载体的滚动角超过 70 度就需要采用四环 5.4 框架: 四环系统 potentiometer 2nd ring 3rd ring 4th ring 四环系统特点: 引入了四环 避免二环和三环之间共面 原理： A: 当载体水平飞行时, 二环垂直于三环 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 5.4 框架: 四环 当载体绕滚动轴旋转 由于稳定回路，平台仍保持在水平位置. 四环和三环则可能因为载体的旋转也产生旋转 B: 这