惯性技术7-惯导平台控制分析 (哈工大版1-16全)精品PPT课件
合集下载
惯性技术课件2 --陀螺力学基础(哈工大版,1-16全)教材
x1 X
z1 Z
y1 Y cos Z sin
z1 Y sin Z cos
Z cos
或 x1 1
y1
0
0
cos
0 X
sin
Y
y1
Y cos
Z sin
Y
z1 0 sin cos Z
X x1
Y sin
Lecture 2 -- Mechanical Fundmentals
R
d~R dt
R
d~ 2 R dt 2
d~ R
dt
2 d~R
dt
( R)
Ar
Ae
相对 牵连切向
Ak
苛氏
Ane
牵连法向
Lecture 2 -- Mechanical Fundmentals
18
3.5*苛氏加速度: 示例
~
Ak
2
dR dt
相对运动 -- 沿径向向外
牵连运动 -- 圆盘的转动
0 X 1 0 X
y
0
1
0
0
cos
sin
Y
0
1
Y
z sin 0 cos 0 sin cos Z 1 Z
（小角度近似）
Lecture 2 -- Mechanical Fundmentals
12
Outline
关于地球 相关的坐标系和坐标变换 柯氏定律和柯氏加速度 动量矩定理
则
d~B
dBx
i
dBy
j
dBz
k
dt dt dt dt
i jk
B x y z
Bx By Bz
Lecture 2 -- Mechanical Fundmentals
惯性导航原理课件
未来惯性导航系统将更加注重 小型化、低功耗和集成化设计 ，以满足各种便携式和嵌入式 设备的需求。
惯性导航技术与其他导航技术 的融合将进一步深化，形成更 加高效、精准、可靠的导航解 决方案。
THANKS 感谢观看
由于制造工艺和环境因素的影响，陀螺仪 的测量结果会存在误差，需要进行误差补 偿。
加速度计的测量结果也会受到多种因素的 影响，需要进行误差补偿。
积分误差
外部干扰误差
由于积分运算本身的误差累积效应，惯性 导航系统在长时间工作时误差会逐渐增大 ，需要进行定期校准。
载体运动过程中受到的外部干扰（如风、 水流等）会影响惯性导航系统的测量结果 ，需要进行相应的误差补偿。
06 总结与展望
本课程总结
01
介绍了惯性导航的基本原理和实现方法，包括陀螺仪
和加速度计的工作原理、误差模型和标定技术等。
02
重点讲解了卡尔曼滤波器在惯性导航系统中的应用，
以及如何进行系统状态估计和误差修正。
03
结合实际案例，分析了不同场景下惯性导航系统的优
缺点和适用性。
惯性导航技术发展趋势
随着传感器技术和微电子技术的不断发展，惯性导航系统的精度和稳定性将得到进 一步提升。
角速度测量
陀螺仪实时测量载体的角速度 ，并输出角速度数据。
加速度测量
加速度计实时测量载体的加速 度，并输出加速度数据。
运动参数计算
控制系统根据角速度和加速度 数据，通过积分运算计算载体 位置、姿态等运动参数。
控制输出
控制系统将计算得到的运动参 数输出到执行机构，以控制载
体运动。
误差分析
陀螺仪误差
加速度计误差
民用领域应用
01
02
ppt版本-哈工大版理论力学课件(全套)
理论力学课程的内容包括质点和刚体的运动、弹性力学、 流体力学、振动和波等，其体系由静力学、运动学和动力 学三个部分组成。
理论力学课程的内容非常广泛，主要包括质点和刚体的运 动、弹性力学、流体力学、振动和波等方面的知识。这些 内容在理论力学体系中占据着重要的地位，为后续的工程 技术和科学研究提供了重要的理论基础和应用方法。同时 ，理论力学体系由静力学、运动学和动力学三个部分组成 ，这三个部分相互联系、相互渗透，构成了完整的理论力 学体系。
详细描述
理论力学作为经典力学的一个重要分支，主要研究物体运动规律、力的作用机制以及它们之间的相互作用。通过 对质点和刚体的运动规律、力的合成与分解、动量守恒和能量守恒等基本原理的研究，理论力学为各种工程技术 和科学研究提供了重要的理论基础和应用方法。
理论力学课程的内容和体系
要点一
总结词
要点二
详细描述
置和速度。
刚体的转动
02
描述刚体绕固定点或轴线的旋转运动，通过角速度矢量和角加
速度矢量表示刚体的转动状态。
刚体的复合运动
03
描述刚体同时存在的平动和转动，通过平动和转动运动的合成
来描述。
刚体的动力学方程
牛顿第二定律
表述了物体运动与力的关系，即物体受到的合外力等 于其质量与加速度的乘积。
动量定理
表述了物体动量的变化率等于作用在物体上的力与时 间的乘积。
由于非惯性参考系中物体受到的力不是真实的外力，而是由于参考 系加速或旋转产生的惯性力。
非惯性参考系的应用
在研究地球上的物体运动时，常常需要用到非惯性参考系，例如研 究地球的自转和公转对物体运动的影响。
05
刚体的运动
01
描述刚体在空间中的位置和运动，通过平动矢量表示刚体的位
最新惯性导航原理精品课件
如果矢量 R 相对(xiāngduì)固定坐标系旋转，旋转四元数为 q，转动
后的矢量为 R’，则这种转动关系可通过(tōngguò)四元数旋转运算来
实现 R' qRq 1
含义：矢量 R 相对固定坐标系产生旋转， 转角和转轴由 q 决定
第十七页，共73页。
四元(sì yuán)数表示转动 坐标系旋转
第十九页，共73页。
四元(sì yuán)数表示转动 方向余弦
Ve ' q 1Ve q
将该投影变换式展开(zhǎn kāi)，也就 是把
Ve xi yj zk
Ve ' x'i y' j z' k
q P1i P2 j P3k q 1 P1i P2 j P3k
代入上述(shàngshù)投影 变换式
则表示该旋转的四元数可以写为
q cos sin cos i sin cos j sin cos k
22Βιβλιοθήκη 22cos sin n
22
为特征四元数 （范数为 1 ）
四元数既表示了转轴方向，又表示了转角大小（转动四元数）
第十六页，共73页。
四元数表示转动 矢量(shǐliàng)旋转
弦矩阵
2
2(
P12 P22 P32
P1P2 P3 )
2(P1P3 P2 )
2(P1P2 P3 ) 2 P22 P12 P32
2(P2 P3 P1)
2(P1P3 P2 ) 2(P2 P3 P1)
2 P32 P12 P22
第二十一页，共73页。
四元数表示转动(zhuàn dòng) 旋转合成
第十二页，共73页。
四元数基本(jīběn)性质 乘法
后的矢量为 R’，则这种转动关系可通过(tōngguò)四元数旋转运算来
实现 R' qRq 1
含义：矢量 R 相对固定坐标系产生旋转， 转角和转轴由 q 决定
第十七页，共73页。
四元(sì yuán)数表示转动 坐标系旋转
第十九页，共73页。
四元(sì yuán)数表示转动 方向余弦
Ve ' q 1Ve q
将该投影变换式展开(zhǎn kāi)，也就 是把
Ve xi yj zk
Ve ' x'i y' j z' k
q P1i P2 j P3k q 1 P1i P2 j P3k
代入上述(shàngshù)投影 变换式
则表示该旋转的四元数可以写为
q cos sin cos i sin cos j sin cos k
22Βιβλιοθήκη 22cos sin n
22
为特征四元数 （范数为 1 ）
四元数既表示了转轴方向，又表示了转角大小（转动四元数）
第十六页，共73页。
四元数表示转动 矢量(shǐliàng)旋转
弦矩阵
2
2(
P12 P22 P32
P1P2 P3 )
2(P1P3 P2 )
2(P1P2 P3 ) 2 P22 P12 P32
2(P2 P3 P1)
2(P1P3 P2 ) 2(P2 P3 P1)
2 P32 P12 P22
第二十一页，共73页。
四元数表示转动(zhuàn dòng) 旋转合成
第十二页，共73页。
四元数基本(jīběn)性质 乘法
惯性技术课件3-1 --二自由度陀螺(哈工大版,1-16全).
2
改写方程
M x1( s)
1 J xs2
Hs Hs
( s)
1 M x1 (s) Hs (s) 2 (s) J xs
1 M y ( s) Hs ( s) ( s) 2 J ys
M y ( s)
1 J y s2
(s)
Lecture 3 -- Gimbaled Gyro - 2DOF
22
5.1 建模: 工程参数
z Z
o
d x Jx H y M x dt d y Jy H x M y dt
y
y
框架坐标系中
x1
x , y , M x , M y 是表示在内
x
x
和沿着框架轴的力矩 , 工程中, 使用框架角变化 M x1, M y 来表示转子轴方向及其转动控制会更方便：
27
5.3 模型: 传递函数
根据
J x s 2 ( s) Hs ( s) M x1 ( s) J y s 2 ( s) Hs ( s) M y ( s)
H ( s) M x1 ( s) M y ( s) 2 2 2 2 JxJ ys H s( J x J y s H ) Jx H ( s) M y ( s) M x1 ( s) 2 2 2 2 JxJ ys H s( J x J y s H ) Jy
Lecture 3 -- Gimbaled Gyro - 2DOF
20
5.1 建模: 苛氏定律
其中相对变化率
~ d y ) d x dH d ( z Jx i Jy j Jz k dt dt dt dt
i
牵连变化率
改写方程
M x1( s)
1 J xs2
Hs Hs
( s)
1 M x1 (s) Hs (s) 2 (s) J xs
1 M y ( s) Hs ( s) ( s) 2 J ys
M y ( s)
1 J y s2
(s)
Lecture 3 -- Gimbaled Gyro - 2DOF
22
5.1 建模: 工程参数
z Z
o
d x Jx H y M x dt d y Jy H x M y dt
y
y
框架坐标系中
x1
x , y , M x , M y 是表示在内
x
x
和沿着框架轴的力矩 , 工程中, 使用框架角变化 M x1, M y 来表示转子轴方向及其转动控制会更方便：
27
5.3 模型: 传递函数
根据
J x s 2 ( s) Hs ( s) M x1 ( s) J y s 2 ( s) Hs ( s) M y ( s)
H ( s) M x1 ( s) M y ( s) 2 2 2 2 JxJ ys H s( J x J y s H ) Jx H ( s) M y ( s) M x1 ( s) 2 2 2 2 JxJ ys H s( J x J y s H ) Jy
Lecture 3 -- Gimbaled Gyro - 2DOF
20
5.1 建模: 苛氏定律
其中相对变化率
~ d y ) d x dH d ( z Jx i Jy j Jz k dt dt dt dt
i
牵连变化率
哈工大 惯性导航原理 课件
姿态计算 姿态航向角计算1
四、姿态和航向角的计算 根据载体和地理坐标系之间的方向余弦矩阵可确定姿态、航向角
cos cos b CE cos sin sin sin cos cos sin cos sin sin sin cos sin sin sin cos cos sin sin cos cos sin sin cos sin cos cos
其中：
t
x 0 z y
t2
1
b dt
z y x 0
0 x y z
y z 0 x
2 2 2 02 X Y Z
增量算法 矩阵方程1阶
将前式简写为： 或离散形式：
CbE (t t ) CbE (t )C
CbE (n 1) CbE (n)C
ΔC按 Cn、Sn 取不同的近似值，形成相应的一阶 ~ 四阶算法 一阶算法：
b CbE (n 1) CbE (n) I ib
1 X Y X 1
T11 T12 b CE T21 T22 T31 T32
T13 T23 T33
sin 1 (T13 )
T23 tg T 33
1
T12 tg T 11
1
姿态、航向角 真值的判断
sin 0 1 cos 0 b b 2 C (t t ) C (t ) I ib ( ib ) 2 0 0 展开合并上式，得 CbE (t t ) CbE (t )
E b E b
工学陀螺及惯性技术课件PPT56页
Kg
0
0 cos0t 0 Kg
T 2 1 84.4 min
Kg
1 R K
第54页，共56页。
舒拉调整平台
0 cos0t 0 Kg
T 2 1 84.4 min
Kg
1 R K
用积分陀螺代替积分器：
H R K
第55页，共56页。
作业
P117-1,2,5,7,8
第56页，共56页。
尺寸
重量
转速
动量矩H
阻尼系数C 输出轴惯量J
Ф4.6×9．8cm 522 gf
24000 r/min 151000
502 225
G(s)=1, C2=5, τ=1ms
SystemView仿真结果
第19页，共56页。
单轴平台系统方块图之二
Y (s)
JP J s4
JP (J
( s 1)(Js C) C)s3 (JPC H 2 )s2
二自由度陀螺仪平台的方程
K K1K2Kt H
K K2Kt H
K3 (s)
J ps2 KG(s) KG(s)
{s 2 [ J
ps2
KG(s)]
K
K1K2Kt K3 (s)KG(s)g }
HR
(s)
0
{s2[
J
p
s2
KG(s)]
(J
p
s
2
KGபைடு நூலகம்s))
g }
R
(s)
0
{(s2
g )[J R
ps2
(11s)(1 2s)K
JPs2 (1 T1s)(1 T2s)
第36页，共56页。
5.4 半解析式惯导系统的修正回路
惯性导航基本原理PPT课件
次积分而求得。要进行积分必须要知道初始条件: 初始速度，初始位置，初始姿态。而捷联惯导系统 中初始对准的另一个关键问题是要在较短的时间内 以一定的精度确定出从载体坐标系到地理坐标系的 初始变换矩阵。
21
2.对准要求 精确、快速。传感器精度高，同时对陀螺、加速
度计进行补偿
3.对准方法和过程 过程：分两步即粗对准和精对准 自主对准，不依赖外信息，受控式（依赖外信息） 方法：光的方法，天文的方法 粗对准：利用重力和地球自转角速率，直接估算
t
v i ( t ) v i ( t ) a i ( ) d 0 t0
t
r i ( t ) r i ( t ) v i ( u ) d u 0 t0
：视加速度，测量值；g ：引力加速度。
12
平台式惯导系统组成
13
5捷联惯性导航工作原理
陀螺、加速度计固联在载体上。 测量载体相对于惯性系的旋转角速度、加速 度矢量（在载体坐标系中的值）。然后依据初始 时刻载体的位置、速度及姿态，计算出载体坐标 系相对于惯性系的姿态角、加速度，对加速度一 次（二次）积分得到速度（位置）。
14
Ri (t) Ri (t) b (t)
b
b
ib
33
33
33
f i(t) R i (t) f b(t)
b
31
31
0
z
y
b ib
z
0 x
y
x
0
其中
R i ：b系至 i系的旋转变换矩阵； b
b ：捷联陀螺测得的 b系相对于i系旋转角速度矢 ib
量在 b系中的值，、、 为其轴向分量。
2
0
x 1 f (t t )3
6
21
2.对准要求 精确、快速。传感器精度高，同时对陀螺、加速
度计进行补偿
3.对准方法和过程 过程：分两步即粗对准和精对准 自主对准，不依赖外信息，受控式（依赖外信息） 方法：光的方法，天文的方法 粗对准：利用重力和地球自转角速率，直接估算
t
v i ( t ) v i ( t ) a i ( ) d 0 t0
t
r i ( t ) r i ( t ) v i ( u ) d u 0 t0
：视加速度，测量值；g ：引力加速度。
12
平台式惯导系统组成
13
5捷联惯性导航工作原理
陀螺、加速度计固联在载体上。 测量载体相对于惯性系的旋转角速度、加速 度矢量（在载体坐标系中的值）。然后依据初始 时刻载体的位置、速度及姿态，计算出载体坐标 系相对于惯性系的姿态角、加速度，对加速度一 次（二次）积分得到速度（位置）。
14
Ri (t) Ri (t) b (t)
b
b
ib
33
33
33
f i(t) R i (t) f b(t)
b
31
31
0
z
y
b ib
z
0 x
y
x
0
其中
R i ：b系至 i系的旋转变换矩阵； b
b ：捷联陀螺测得的 b系相对于i系旋转角速度矢 ib
量在 b系中的值，、、 为其轴向分量。
2
0
x 1 f (t t )3
6
惯性导航系统概论惯性导航ppt课件
8
2.4 第四代发展阶段 当前，惯性技术目标是实现高精度、高可靠性、低成本、
小型化、数字化、应用领域更加广泛的导航系统一方面，陀螺 的精度不断提高；另一方面，随着新型固态陀螺仪的逐渐成熟 ，以及高速大容量的数字计算机技术的进步。
9
10
2 我国惯导的发展历程 我国从“六五”开始，原国防科工委就把惯性技术纳人预先
11
3 惯性导航系统的发展方向
惯性导航系统的设计和发展须要考虑权衡的主要因素： 1)必须针对并满足应用的需求。其中导航性能和价格成本是
首要的两个特性指标。价格成本包含系统自身成本、维护 成本和使用寿命。因此对于很多导航应用，合理的价格仍 然被置于应用要求的最前面。导航性能包括：导航的精确 性、连续性、完整性、易用性。易用性是指系统易于使用 和维护、系统的自主性等。 2)实际的应用环境是最大的挑战。系统的体积、功耗、可靠 性和可用性会关系到惯性导航系统能否在具体的应用环境 中被采用。
基本导航参数即时位臵地速航向角航迹角航迹误差偏流角风速风向待飞时间待飞距离飞机姿态角角速率52惯性导航系统基本功能电子信息工程学院15基本导航参数电子信息工程学院16惯性导惯性导航组件航组件自动驾驶仪自动驾驶仪气象雷达气象雷达自动信自动信号引进号引进组件组件更新更新不更新不更新信号器信号器真航向磁航向真航向磁航向备用电池组件备用电池组件大气数据系统大气数据系统调协头调协头航路航路进近转换进近转换测距器测距器dmedme全向信标全向信标vorvor控制显控制显示组件示组件方式选方式选择组件择组件水平状水平状态指示态指示姿态指引姿态指引指示器指示器惯导系统与飞机其它系统的连接电子信息工程学院1753惯性导航系统基本组成和简要原理1
惯性导航原理
1
第五章惯导系统概论
2.4 第四代发展阶段 当前，惯性技术目标是实现高精度、高可靠性、低成本、
小型化、数字化、应用领域更加广泛的导航系统一方面，陀螺 的精度不断提高；另一方面，随着新型固态陀螺仪的逐渐成熟 ，以及高速大容量的数字计算机技术的进步。
9
10
2 我国惯导的发展历程 我国从“六五”开始，原国防科工委就把惯性技术纳人预先
11
3 惯性导航系统的发展方向
惯性导航系统的设计和发展须要考虑权衡的主要因素： 1)必须针对并满足应用的需求。其中导航性能和价格成本是
首要的两个特性指标。价格成本包含系统自身成本、维护 成本和使用寿命。因此对于很多导航应用，合理的价格仍 然被置于应用要求的最前面。导航性能包括：导航的精确 性、连续性、完整性、易用性。易用性是指系统易于使用 和维护、系统的自主性等。 2)实际的应用环境是最大的挑战。系统的体积、功耗、可靠 性和可用性会关系到惯性导航系统能否在具体的应用环境 中被采用。
基本导航参数即时位臵地速航向角航迹角航迹误差偏流角风速风向待飞时间待飞距离飞机姿态角角速率52惯性导航系统基本功能电子信息工程学院15基本导航参数电子信息工程学院16惯性导惯性导航组件航组件自动驾驶仪自动驾驶仪气象雷达气象雷达自动信自动信号引进号引进组件组件更新更新不更新不更新信号器信号器真航向磁航向真航向磁航向备用电池组件备用电池组件大气数据系统大气数据系统调协头调协头航路航路进近转换进近转换测距器测距器dmedme全向信标全向信标vorvor控制显控制显示组件示组件方式选方式选择组件择组件水平状水平状态指示态指示姿态指引姿态指引指示器指示器惯导系统与飞机其它系统的连接电子信息工程学院1753惯性导航系统基本组成和简要原理1
惯性导航原理
1
第五章惯导系统概论
最新惯性技术课件7--惯导平台控制分析 (哈工大版,1-16全)教程文件
惯性技术课件7--惯导平台 控制分析 (哈工大版,1-16
全)
Outline
惯导平台的单轴稳定与跟踪 惯导平台的修正回路 – 舒拉调谐
Lecture 8 -- Inertial Platform Control
2
1.0 平台控制: 介绍
平台控制的目的: 在空间中实现稳定及跟踪 简化的分析方法: : 单通道
M f( x S )S [ J P J S 4 J P ( J C ) S 3 ( J P C H 2 ) S 2 H 2 S G ( S ) C 2 H ]
Y ( S )
G ( S ) C 2 (S 1 ) HS
M f( x S )J P J S 4 J P ( J C ) S 3 ( J P C H 2 ) S 2 H 2 S G ( S ) C 2 H
Me
1
M fb
J pS 2
Y
陀螺力矩
HS
M fx
C2 s 1
G(S)
1
JS 2 CS
HS
设 Mfx = 0
M fY
Me
1
Y
M fb
J pS 2
G(s)C2 HS
s 1
H JS C
Lecture 8 -- Inertial Platform Control
10
1.6 静态刚度
M fY
Me
M fx
1
JS 2 CS
HS
1 Y
J pS 2
Lecture 8 -- Inertial Platform Control
13
1.7 陀螺干扰力矩的影响
M fx
1
JS 2 CS
HS
G(S)
全)
Outline
惯导平台的单轴稳定与跟踪 惯导平台的修正回路 – 舒拉调谐
Lecture 8 -- Inertial Platform Control
2
1.0 平台控制: 介绍
平台控制的目的: 在空间中实现稳定及跟踪 简化的分析方法: : 单通道
M f( x S )S [ J P J S 4 J P ( J C ) S 3 ( J P C H 2 ) S 2 H 2 S G ( S ) C 2 H ]
Y ( S )
G ( S ) C 2 (S 1 ) HS
M f( x S )J P J S 4 J P ( J C ) S 3 ( J P C H 2 ) S 2 H 2 S G ( S ) C 2 H
Me
1
M fb
J pS 2
Y
陀螺力矩
HS
M fx
C2 s 1
G(S)
1
JS 2 CS
HS
设 Mfx = 0
M fY
Me
1
Y
M fb
J pS 2
G(s)C2 HS
s 1
H JS C
Lecture 8 -- Inertial Platform Control
10
1.6 静态刚度
M fY
Me
M fx
1
JS 2 CS
HS
1 Y
J pS 2
Lecture 8 -- Inertial Platform Control
13
1.7 陀螺干扰力矩的影响
M fx
1
JS 2 CS
HS
G(S)
《惯性导航系统》课件
轨道监测。
惯较高的测量精度，适用于精密导航和定位。
可靠性
不受外界环境干扰，适用于复杂环境和恶劣条件。
鲁棒性
不受信号遮挡和干扰，适用于密集城市和山区等特殊环境。
惯性导航系统的发展趋势
1
集成化
将惯性传感器和导航算法集成在一起，提高系统性能。
2
精度提升
《惯性导航系统》PPT课
件
本课件介绍了惯性导航系统的定义、组成和原理，以及在航空、航海、矿业
和地震勘探等领域的应用场景。
什么是惯性导航系统
惯性导航系统是一种利用惯性传感器测量和计算对象运动状态和位置的系统。
惯性导航系统的应用场景
1
航空 ✈️
2
飞机、无人机等飞行器的导航和姿态控
航海 ⛵️
船舶的导航、位置定位和目标跟踪。
引入更精密的传感器技术和导航算法，提高导航精度。
3
多源数据融合
融合其他导航系统数据，提高位置和姿态的准确性。
惯性导航系统的应用前景
航空航天领域
工业制造领域
军事领域
飞行器导航、姿态控制和自主
机器人导航、定位和轨迹规划
武器系统导航、目标跟踪和战
导航技术的重要组成部分。
的关键技术。
场监测的重要手段。
结论
惯性导航系统在现代导航领域具有重要作用，随着技术的不断发展，其应用
前景将更加广泛。
制。
3
矿业 ⛏️
地下矿场的测量和导航。
4
地震勘探
地震仪的定位和震源分析。
惯性导航系统与其他导航系统的比较
GPS
北斗卫星导航系统
轨道测量系统
全球卫星定位系统，依赖卫
中国自主建设的卫星导航系
惯性技术课件16--振动陀螺(哈工大版,1-16全)概要
Vibratory Gyro
振动陀螺
Lecture 15 -- Vibratory Gyro
1
Outline
1. 振动陀螺概述 2. 音叉陀螺 3. MEMS 陀螺
4. 半球谐振陀螺
Lecture 15 -- Vibratory Gyro
2
1.1 振动陀螺: 概述
机械陀螺 转子陀螺 ---- 基于牛顿运动定律 ---- 液浮，静电 ---- 结构复杂、昂贵 振动陀螺: 原理 ---- 利用振动的质量随着基座旋转 时产生的苛氏加速度
敏感质量绕外框架轴振动， 具有线速度 v
激振电极
外框架
驱动轴
Lecture 15 -- Vibratory Gyro
15
3.2 MEMS 陀螺
Fc
输入 轴 敏感质量
敏感质量绕外框架轴振 动，具有线速度 v
v ac
读取电 极
和输入角速度 ω 耦合 产生苛氏惯性力 Fc
引起绕内框架轴的振动 由内框架上的电极读取输出
Lecture 15 -- Vibratory Gyro
4
Outline
1. 振动陀螺概述 2. 音叉陀螺 3. MEMS 陀螺
4. 半球谐振陀螺
Lecture 15 -- Vibratory Gyro
5
2.1 音叉陀螺: 结构
原理: 振动的端部质量和基座的转动耦合产生的苛氏效应 结构:
U 型的弹性臂.
某个时刻，两个端部质量以速度 v 相向运动
每个质量距离中心轴的瞬时距离为 s
基座绕中心轴以角速度 ω 旋转
Lecture 15 -- Vibratory Gyro
7
2.3*质量的苛氏分析
振动陀螺
Lecture 15 -- Vibratory Gyro
1
Outline
1. 振动陀螺概述 2. 音叉陀螺 3. MEMS 陀螺
4. 半球谐振陀螺
Lecture 15 -- Vibratory Gyro
2
1.1 振动陀螺: 概述
机械陀螺 转子陀螺 ---- 基于牛顿运动定律 ---- 液浮，静电 ---- 结构复杂、昂贵 振动陀螺: 原理 ---- 利用振动的质量随着基座旋转 时产生的苛氏加速度
敏感质量绕外框架轴振动， 具有线速度 v
激振电极
外框架
驱动轴
Lecture 15 -- Vibratory Gyro
15
3.2 MEMS 陀螺
Fc
输入 轴 敏感质量
敏感质量绕外框架轴振 动，具有线速度 v
v ac
读取电 极
和输入角速度 ω 耦合 产生苛氏惯性力 Fc
引起绕内框架轴的振动 由内框架上的电极读取输出
Lecture 15 -- Vibratory Gyro
4
Outline
1. 振动陀螺概述 2. 音叉陀螺 3. MEMS 陀螺
4. 半球谐振陀螺
Lecture 15 -- Vibratory Gyro
5
2.1 音叉陀螺: 结构
原理: 振动的端部质量和基座的转动耦合产生的苛氏效应 结构:
U 型的弹性臂.
某个时刻，两个端部质量以速度 v 相向运动
每个质量距离中心轴的瞬时距离为 s
基座绕中心轴以角速度 ω 旋转
Lecture 15 -- Vibratory Gyro
7
2.3*质量的苛氏分析
平台式惯性导航系统原理及应用课件
Part
03
平台式惯性导航系统关键技术
陀螺仪技术
机械陀螺仪
利用角动量守恒原理，通 过转子高速旋转来测量角 度和方向的变化。
光纤陀螺仪
采用光学干涉原理，具有 精度高、稳定性好的优点 ，但成本较高。
微机械陀螺仪
基于微电子机械系统（ MEMS）技术，具有体积 小、成本低、易于集成等 优点。
加速度计技术
惯性导航系统概述
惯性导航系统的基本原理 和组成。
平台式惯性导航系统的特 点和优势。
惯导系统的误差来源和精 度评估。
Part
02
平台式惯性导航系统原理
惯性导航系统基本原理
利用陀螺仪和加速度计测量运动 物体的角速度和加速度，从而计 算出物体在空间中的位置、速度
和姿态。
惯性导航系统不受外界干扰，自 主性强，适用于各种复杂环境。
平台式惯性导航系统面临的挑战
技术瓶颈
虽然平台式惯性导航系统已经取得了很大的进展，但是在 高精度、高稳定性、小型化等方面仍然存在一定的技术瓶 颈。
替代技术
随着卫星导航系统、无线电导航等技术的发展，平台式惯 性导航系统的应用受到了一定的挑战，需要不断进行技术 更新和市场拓展。
成本压力
由于平台式惯性导航系统研发和生产成本较高，对于一些 需要大量使用该系统的领域来说，成本压力较大，需要寻 求更加经济可行的解决方案。
地。
无人机航拍
将平台式惯性导航系统应用于无人 机航拍中，可实现高精度航拍图像 采集，为城市规划、资源调查等领 域提供重要数据支持。
救援任务
在救援任务中采用平台式惯性导航 系统，可快速定位失踪人员或物资 ，提高救援效率。
商业领域应用
物流配送
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
沿平台稳定轴的干扰力矩会导致平台产生转动，角速度： Y
Lecture 8 -- Inertial Platform Control
4
1.2 单轴稳定
Z
Y
T
S
X
M
G(S)
Y
Y 被陀螺仪敏感：
J y c H y
➢ 陀螺绕输出轴转过角度θ ➢ 被角度传感器测得，输出 S ➢ S 被放大，送到 Y-轴电机 M ➢ 产生反馈力矩 Mfb ➢ Mfb 持续增加，直到绕着 Y-轴 达到力矩平衡
9
1.6 平台干扰力矩的影响
M fY
Me
1
M fb
J pS 2
Y
陀螺力矩
HS
M fx
C2
s 1
G(S)
1
JS 2 CS
HS
设 Mfx = 0
M fY M e
1
Y
M fb
J pS 2
G(s)C2 HS
s 1
H JS C
Lecture 8 -- Inertial Platform Control
➢ 平台绕 Y-轴停止旋转 最终: 陀螺存在一个小转角θ，平 台存在一个小转角 αy
Lecture 8 -- Inertial Platform Control
5
1.3 单轴跟踪
给陀螺的力矩器施加电流 It , 产生控制力矩 Mb
J y c M b
It Z
Y
T
S
X
M
G(S)
Y
θ→ 电机 M → 平台 → y
M fx (S ) J P JS 4 J P (J C)S 3 (J PC H 2 )S 2 H 2 S G(S )C2 H
对阶跃输入 Mfx, 其稳态响应 影响: 平台的漂移 (角速度)
Y
M fx H
or
Y
M fx t H
Lecture 8 -- Inertial Platform Control
14
1.8 陀螺控制力矩的响应
对于阶跃形式的干扰力矩 Mfx, 稳态误差:
Ye
M fx H
用施加在陀螺仪力矩器上的电流 It 所产生的控制力矩 Mb 替代 Mfx, 得
It Z T
Y
S
X
Ys
Mb H
或写成
Y (S) 1
M b (S) HS
M
G(S)
Lecture 8 -- Inertial Platform Control
控制器
传递函数 平台
陀螺
(S) M e (S)
JPS2
(S) H (S) JS C
控制器
G(S)
---- 静态增益 C1
电机
M fb (S ) C2
ein (S ) S 1
Lecture 8 -- Inertial Platform Control
7
1.5 单轴系统方框图
M fY M e 平台 陀螺
M
fY
M fY C1C2H / C
平台的静态刚度
减小稳态误差的途径: ↑C1 ↓ M fY
Lecture 8 -- Inertial Platform Control
11
1.6 动态刚度
M fY M e
1
Y
M fb
J pS 2
G(s)C2 HS
s 1
H JS C
Y (S)
M fY (S )
J P JS 4
1.5 陀螺力矩及陀螺干扰力矩
M fY
Me
M fb
陀螺力矩
C2
s 1
1 J pS 2
HS G(S)
1 JS 2 CS
M fx HS
It Z
陀螺力矩 HS (s) H
T
陀螺干扰力矩 M fx
Y
H
Y
S
X M fx
M
G(S)
Lecture 8 -- Inertial Platform Control
Inertial Platform Control
惯导平台的控制
Lecture 8 -- Inertial Platform Control
1
Outline
惯导平台的单轴稳定与跟踪 惯导平台的修正回路 – 舒拉调谐
Lecture 8 -- Inertial Platform Control
2
1.0 平台控制: 介绍
因此, 对陀螺来说
J y c H y M b
稳态时
H ys M b 0
所以
ys
Mb H
稳定器, 跟踪器和惯性平台
Lecture 8 -- Inertial Platform Control
6
1.4 单轴系统组件
系统组件:
陀螺
H
平台
控制器
电机
M fY M e
平台
陀螺
M fb
电机 ein
M fx
1 JS 2 CS
HS
G(S)
C2
s 1
HS
1 Y
J pS 2
Y (S)
G(S)C2 (S 1)HS
M fx (S ) S[J P JS 4 J P (J C)S 3 (J PC H 2 )S 2 H 2 S G(S )C2 H ]
Y (S)
G(S)C2 (S 1)HS
JP(J
(S 1)(JS C) C)S 3 (J PC H 2 )S 2
H 2S
G(S)C2H
当 MfY 为正弦函数时：动态刚度（令 S = jω） Jp 对平台动态刚度的影响
Lecture 8 -- Inertial Platform Control
12
1.7 陀螺干扰力矩的影响
M fY
10
1.6 静态刚度
M fY M e
1
Y
M fb
J pS 2
G(s)C2 HS
s 1
H JS C
Y (S)
M fY (S )
J P JS 4
JP(J
(S 1)(JS C) C)S 3 (J PC H 2 )S 2
H 2S
G(S)C2H
阶跃干扰 MfY 导致 的稳态误差：
YS
C C1C2 H
M fb
电机 ein
控制器
M fY M e 1
H
JPS2
JS C
M fb
C2 ein G(S )
S 1
M fY
Me
1
或更详 细地
M fb
J pS 2
Y
陀螺力矩
HS
M fx
C2
s 1
G(S)
1
JS 2 CS
HS
Lecture 8 -- Inertial Platform Control
8
平台控制的目的: 在空间中实现稳定及跟踪 简化的分析方法: : 单通道
coordinate converter
torque motor
Lecture 8 -- Inertial Platform Control
3
1.1 单轴系统
利用单自由度积分陀螺仪实现的单轴稳定器
Z
Y
T
S
X
M
G(S)
Y
初始：陀螺输入轴 // 平台的稳定轴
Me
1
M fb
பைடு நூலகம்
J pS 2
Y
陀螺力矩
HS
M fx
C2
s 1
G(S)
1
JS 2 CS
HS
由陀螺仪的干扰力矩导致的平台静态误差角
M fx
1 JS 2 CS
HS
G(S)
C2
s 1
HS
1 Y
J pS 2
Lecture 8 -- Inertial Platform Control
13
1.7 陀螺干扰力矩的影响
Lecture 8 -- Inertial Platform Control
4
1.2 单轴稳定
Z
Y
T
S
X
M
G(S)
Y
Y 被陀螺仪敏感：
J y c H y
➢ 陀螺绕输出轴转过角度θ ➢ 被角度传感器测得，输出 S ➢ S 被放大，送到 Y-轴电机 M ➢ 产生反馈力矩 Mfb ➢ Mfb 持续增加，直到绕着 Y-轴 达到力矩平衡
9
1.6 平台干扰力矩的影响
M fY
Me
1
M fb
J pS 2
Y
陀螺力矩
HS
M fx
C2
s 1
G(S)
1
JS 2 CS
HS
设 Mfx = 0
M fY M e
1
Y
M fb
J pS 2
G(s)C2 HS
s 1
H JS C
Lecture 8 -- Inertial Platform Control
➢ 平台绕 Y-轴停止旋转 最终: 陀螺存在一个小转角θ，平 台存在一个小转角 αy
Lecture 8 -- Inertial Platform Control
5
1.3 单轴跟踪
给陀螺的力矩器施加电流 It , 产生控制力矩 Mb
J y c M b
It Z
Y
T
S
X
M
G(S)
Y
θ→ 电机 M → 平台 → y
M fx (S ) J P JS 4 J P (J C)S 3 (J PC H 2 )S 2 H 2 S G(S )C2 H
对阶跃输入 Mfx, 其稳态响应 影响: 平台的漂移 (角速度)
Y
M fx H
or
Y
M fx t H
Lecture 8 -- Inertial Platform Control
14
1.8 陀螺控制力矩的响应
对于阶跃形式的干扰力矩 Mfx, 稳态误差:
Ye
M fx H
用施加在陀螺仪力矩器上的电流 It 所产生的控制力矩 Mb 替代 Mfx, 得
It Z T
Y
S
X
Ys
Mb H
或写成
Y (S) 1
M b (S) HS
M
G(S)
Lecture 8 -- Inertial Platform Control
控制器
传递函数 平台
陀螺
(S) M e (S)
JPS2
(S) H (S) JS C
控制器
G(S)
---- 静态增益 C1
电机
M fb (S ) C2
ein (S ) S 1
Lecture 8 -- Inertial Platform Control
7
1.5 单轴系统方框图
M fY M e 平台 陀螺
M
fY
M fY C1C2H / C
平台的静态刚度
减小稳态误差的途径: ↑C1 ↓ M fY
Lecture 8 -- Inertial Platform Control
11
1.6 动态刚度
M fY M e
1
Y
M fb
J pS 2
G(s)C2 HS
s 1
H JS C
Y (S)
M fY (S )
J P JS 4
1.5 陀螺力矩及陀螺干扰力矩
M fY
Me
M fb
陀螺力矩
C2
s 1
1 J pS 2
HS G(S)
1 JS 2 CS
M fx HS
It Z
陀螺力矩 HS (s) H
T
陀螺干扰力矩 M fx
Y
H
Y
S
X M fx
M
G(S)
Lecture 8 -- Inertial Platform Control
Inertial Platform Control
惯导平台的控制
Lecture 8 -- Inertial Platform Control
1
Outline
惯导平台的单轴稳定与跟踪 惯导平台的修正回路 – 舒拉调谐
Lecture 8 -- Inertial Platform Control
2
1.0 平台控制: 介绍
因此, 对陀螺来说
J y c H y M b
稳态时
H ys M b 0
所以
ys
Mb H
稳定器, 跟踪器和惯性平台
Lecture 8 -- Inertial Platform Control
6
1.4 单轴系统组件
系统组件:
陀螺
H
平台
控制器
电机
M fY M e
平台
陀螺
M fb
电机 ein
M fx
1 JS 2 CS
HS
G(S)
C2
s 1
HS
1 Y
J pS 2
Y (S)
G(S)C2 (S 1)HS
M fx (S ) S[J P JS 4 J P (J C)S 3 (J PC H 2 )S 2 H 2 S G(S )C2 H ]
Y (S)
G(S)C2 (S 1)HS
JP(J
(S 1)(JS C) C)S 3 (J PC H 2 )S 2
H 2S
G(S)C2H
当 MfY 为正弦函数时：动态刚度（令 S = jω） Jp 对平台动态刚度的影响
Lecture 8 -- Inertial Platform Control
12
1.7 陀螺干扰力矩的影响
M fY
10
1.6 静态刚度
M fY M e
1
Y
M fb
J pS 2
G(s)C2 HS
s 1
H JS C
Y (S)
M fY (S )
J P JS 4
JP(J
(S 1)(JS C) C)S 3 (J PC H 2 )S 2
H 2S
G(S)C2H
阶跃干扰 MfY 导致 的稳态误差：
YS
C C1C2 H
M fb
电机 ein
控制器
M fY M e 1
H
JPS2
JS C
M fb
C2 ein G(S )
S 1
M fY
Me
1
或更详 细地
M fb
J pS 2
Y
陀螺力矩
HS
M fx
C2
s 1
G(S)
1
JS 2 CS
HS
Lecture 8 -- Inertial Platform Control
8
平台控制的目的: 在空间中实现稳定及跟踪 简化的分析方法: : 单通道
coordinate converter
torque motor
Lecture 8 -- Inertial Platform Control
3
1.1 单轴系统
利用单自由度积分陀螺仪实现的单轴稳定器
Z
Y
T
S
X
M
G(S)
Y
初始：陀螺输入轴 // 平台的稳定轴
Me
1
M fb
பைடு நூலகம்
J pS 2
Y
陀螺力矩
HS
M fx
C2
s 1
G(S)
1
JS 2 CS
HS
由陀螺仪的干扰力矩导致的平台静态误差角
M fx
1 JS 2 CS
HS
G(S)
C2
s 1
HS
1 Y
J pS 2
Lecture 8 -- Inertial Platform Control
13
1.7 陀螺干扰力矩的影响