惯性导航系统原理_陀螺稳定平台工作原理
惯性导航系统原理_陀螺稳定平台工作原理(2)
4.2 力矩装置和平台台体的传递函数n4.2.1 力矩装置的传递函数n4.2.2 平台台体的传递函数4.2.1.力矩装置的传递函数工程上常采用直接驱动式和间接驱动式两类力矩驱动装置。
在稳定平台回路中,(1) 对平台施加的干扰力矩要小;(2) 传动应平稳可靠,定位分辨力要高,滞环要小;(3) 功耗小;(4) 对平台附加的转动惯量要小;(5) 体积小,重量轻,结构紧凑。
执行机构直接驱动式力矩装置的力矩马达驱动轴直接与稳定轴相联,力矩马达可以是交流的,也可以是直流的,但目前广泛使用直流型。
间接驱动式力矩装置的力矩电机驱动轴通过齿轮减速器与稳定轴相联,常采用交流伺服电机。
n1. 直流力矩电机的传递函数n 2 .基座旋转引起的平台干扰力矩分析平衡干扰力矩力矩装置应满足如下要求:按要求驱动平台旋转是依靠力矩装置实现的1. 直流力矩电机的传递函数e ：由ω′m 引起的反电势u a ：控制电压Φ：激磁磁通L a ：电枢绕组电感R a ：电枢绕组电阻R 1：串联电阻ω′m ：电机角速度1()a a a a a di u e i R R Ldt −=++记R =R a +R 1拉氏变换()()()()a a a a u s e s Ri s L si s =++()()()()1()1a a a a e u s e s u s e s i s sL R R s τ−−==++a e L Rτ=()()1m a e k u s e s R s τ−=+由i a 产生的电机输出扭矩为M ′m (s )=k m i a (s )：为电机的时间常数()1()()1m m a e M s k u s e s R s τ′=−+电枢回路电压平衡方程电磁转矩方程k m 为电机的扭矩系数,即电机的电流-力矩系数.1. 直流力矩电机的传递函数u a ：控制电压Φ：激磁磁通L a ：电枢绕组电感R a ：电枢绕组电阻R 1：串联电阻ω′m ：电机角速度(()1()1)m m a e e s M s k u s R s τ′=−+电机的传递函数为反电势由电机旋转引起。
惯性导航仪的工作原理
惯性导航仪的工作原理引言概述：惯性导航仪是一种用于飞行器、舰船、导弹等载具的导航设备，它能够通过测量载具的加速度和角速度来确定载具的位置、速度和方向。
惯性导航仪具有高精度、独立性强等优点，被广泛应用于航空航天领域。
一、惯性导航仪的基本原理1.1 惯性导航仪的加速度测量原理惯性导航仪内置加速度计，通过测量载具的加速度来确定载具的运动状态。
当载具发生加速度变化时，加速度计会产生相应的电信号，进而计算出载具的加速度值。
1.2 惯性导航仪的角速度测量原理惯性导航仪内置陀螺仪，通过测量载具的角速度来确定载具的旋转状态。
陀螺仪会产生相应的电信号，用于计算载具的角速度值。
1.3 综合加速度和角速度信息惯性导航仪会综合加速度和角速度信息，通过积分计算出载具的位置、速度和方向，从而实现导航功能。
二、惯性导航仪的误差补偿原理2.1 零偏误差补偿惯性导航仪存在零偏误差，需要进行零偏误差补偿。
通过定期校准零偏误差，可以提高导航仪的准确性。
2.2 温度漂移补偿惯性导航仪的性能会受到温度的影响，需要进行温度漂移补偿。
通过传感器内部的温度补偿电路，可以减小温度对导航仪的影响。
2.3 震动干扰抑制惯性导航仪在运动过程中会受到震动干扰，需要进行震动干扰抑制。
通过滤波算法和信号处理技术，可以减小震动对导航仪的影响。
三、惯性导航仪的工作模式3.1 静态模式在载具住手运动时，惯性导航仪处于静态模式。
此时，导航仪主要通过加速度计和陀螺仪测量载具的姿态和位置。
3.2 动态模式在载具运动时，惯性导航仪处于动态模式。
此时，导航仪主要通过积分计算出载具的位置、速度和方向。
3.3 切换模式惯性导航仪可以根据载具的运动状态自动切换不同的工作模式，以确保导航的准确性和稳定性。
四、惯性导航仪的应用领域4.1 航空领域惯性导航仪被广泛应用于飞机、直升机等航空器上，用于实现飞行导航和飞行控制。
4.2 舰船领域惯性导航仪也被应用于舰船上，用于实现航行导航和姿态控制。
惯性导航系统如何借助物理原理找到正确的方向
惯性导航系统如何借助物理原理找到正确的方向惯性导航系统是一种利用物理原理来确定正确方向的导航系统。
它主要依靠惯性传感器来测量导航系统的加速度和角速度，从而实现航向、位置和速度的准确计算。
本文将介绍惯性导航系统的原理以及它是如何借助物理原理找到正确的方向的。
一、惯性导航系统的工作原理惯性导航系统是基于牛顿第一定律的惯性原理工作的。
牛顿第一定律也被称为惯性定律，它表明物体在不受力的作用下将保持静止或匀速直线运动。
惯性导航系统利用这一原理，通过测量导航系统的加速度和角速度来计算位置和速度。
惯性导航系统主要包括三个核心组件：加速度计、陀螺仪和计算单元。
加速度计用于测量系统的加速度，陀螺仪用于测量系统的角速度，而计算单元则用于处理传感器的输出并计算位置和速度。
加速度计通过测量系统的加速度来确定系统的运动状态。
它基于牛顿第二定律，利用加速度与力的关系进行测量。
加速度计可以感知系统的线性加速度，并将测量结果传递给计算单元进行处理。
陀螺仪则通过测量系统的角速度来确定系统的旋转状况。
它基于角动量守恒定律，利用角速度与力矩的关系进行测量。
陀螺仪可以感知系统的角速度，并将测量结果传递给计算单元进行处理。
计算单元是惯性导航系统的核心部分，它接收加速度计和陀螺仪的输出，并进行复杂的计算以确定位置和速度。
计算单元会根据测量到的加速度和角速度对系统的运动状态进行积分处理，从而得到位置和速度的准确数值。
二、物理原理在惯性导航系统中的应用物理原理在惯性导航系统中扮演了重要的角色。
首先，惯性导航系统利用牛顿第一定律和角动量守恒定律来解决航向、位置和速度的计算问题。
这些定律是基于数学和物理原理的深度研究得出的，确保了导航系统的准确性和可靠性。
其次，惯性导航系统依赖惯性传感器来感知系统的加速度和角速度。
加速度计和陀螺仪作为惯性传感器，利用物理原理测量加速度和角速度的变化。
它们通过多个微小的物理过程，如斥力、角动量和振动等，来转化为可供系统理解和计算的电信号。
平台式惯性导航系统原理及应用
战车定位
在战场上，平台式惯性导 航系统可为战车提供实时 、准确的定位信息，提高 作战效率。
舰艇导航
平台式惯性导航系统可为 舰艇提供稳定的导航服务 ，确保舰艇在复杂海况下 的航行安全。
单兵定位
单兵携带的平台式惯性导 航系统可为其提供实时定 位信息，提高单兵作战能 力。
民用领域应用
自动驾驶
平台式惯性导航系统可为自动驾驶汽车提供准确的定位和导航信 息，提高自动驾驶的安全性和可靠性。
惯性测量元件工作原理
陀螺仪工作原理
陀螺仪基于角动量守恒原理工作，当陀螺仪绕自身轴线旋转 时，其输出轴将指向一个固定方向，即陀螺仪的定轴性。通 过测量输出轴的角速度，可以得到载体相对于惯性空间的角 速度信息。
加速度计工作原理
加速度计基于牛顿第二定律工作，通过测量载体上的加速度 并积分，可以得到载体的速度和位置信息。加速度计的输出 受到重力加速度的影响，因此需要进行相应的补偿和校正。
平台式惯性导航系统 原理及应用演讲人：日期：目录
• 惯性导航基本原理 • 平台式惯性导航系统组成 • 平台式惯性导航系统工作原理 • 平台式惯性导航系统应用领域
目录
• 平台式惯性导航系统性能评估与优化 • 平台式惯性导航系统实验与仿真分析
01
惯性导航基本原理
惯性导航定义及发展历程
惯性导航定义
高精度、高动态性能
满足高精度定位和高动态运动 控制需求，提升系统性能极限
。
06
平台式惯性导航系统实验 与仿真分析
实验设计思路及实施过程
实验目的
验证平台式惯性导航系统的性能，包 括定位精度、稳定性等。
实验设备
高精度惯性测量单元、转台、控制系 统、数据采集与处理系统等。
导航原理_陀螺稳定平台
相对惯性空间以该指令角速度旋转。 工作原理
cmd
ω
Tcmd
Mcmd
双自由度陀螺构成单轴稳定平台的原理 利用双自由 度陀螺构成单 轴稳定平台， 稳定轴可选为 与内环轴平行 或与外环轴平 行。 也可利用双自 x 由度陀螺构成 双轴稳定平台。
xr
M cmd
T
z
s
H
Md
y
稳定回路工作原理（稳定轴与外环轴平行）
地球上的定位参数
地球定位中两类坐标系
1，地球直角坐标系
（X，Y，Z） 2，地球球面坐标系 （经度、纬度、高度 ）
两类坐标参数的转换
极坐标和直角坐标的转换
式中e为旋转椭球扁率或称椭圆度对应的曲率为与纬度有关的计算用rm与经度有关的计算用rn414101467729211511地球周围空间的物体质量为m都受到地球的万有引力mg的作用该力指向地心同时维持质量m跟随地球旋转需要有外力提供向心力fc向心力实质上是万有引力的一个分量重力mg是万有引力的另一个分量根据平行四边形法则有mgmgfcggac式中向心加速度sin0000059sin0052884cos0000059cos0026373根据万有引力定律地球表面一点的重力加速度的近似值为式中k为单位质量的万有引力系数m为地球质量r为地球半径
参考椭球的赤道平面是圆平面，所以参考
椭球可以用赤道平面半径（即长半径）Re 和极轴半径（即短半径）Rp来描述，或用 长半径Re和椭圆度（扁率）e来描述。
e ( Re R p ) / Re
直到目前为止，各国选用的参考椭球已有十余种，但
大部分参考椭球都仅在局部地区测量大地水准面的基 础上确定的，因而仅适用于某些局部地区。
惯性导航的原理和应用
惯性导航的原理和应用1. 惯性导航的概述惯性导航是一种基于惯性测量单元（Inertial Measurement Unit, IMU）的导航技术。
IMU通常由加速度计和陀螺仪组成，通过测量物体的线性加速度和角速度来估计和预测姿态、位置和速度等导航参数。
2. 惯性导航的原理惯性导航基于牛顿力学定律和旋转运动定律，通过积分测量的加速度和角速度来更新导航参数。
惯性导航系统是一个闭环控制系统，其主要原理如下：•加速度计测量物体的线性加速度，陀螺仪测量物体的角速度。
•加速度计和陀螺仪的测量值在一定时间间隔内采样并进行积分，得到速度和位置的估计值。
•估计值由卡尔曼滤波器或其他滤波算法进行融合和校正，得到更精确的导航参数。
3. 惯性导航的优势惯性导航具有以下几点优势：•实时性高：惯性导航系统不需要外部信号的输入，可以即时获取和更新导航信息。
•精度较高：惯性导航系统通过积分加速度和角速度，可以提供相对较高的姿态、位置和速度测量精度。
•可靠性强：惯性导航独立于外界环境和对地基站的依赖，可以在恶劣条件下正常工作。
•应用范围广：惯性导航可以应用于航空航天、无人驾驶、船舶导航、运动追踪等领域。
4. 惯性导航的应用惯性导航在多个领域有广泛的应用，以下列举几个常见的应用场景：•航空航天：惯性导航在飞机、导弹和卫星等航空航天器中被广泛使用。
它可以提供飞行姿态、速度和位置的实时估计，为导航和姿态控制提供支持。
•无人驾驶：无人驾驶汽车、船舶和飞行器通常使用惯性导航系统进行实时定位和导航。
惯性导航可以为无人驾驶系统提供稳定的位置和姿态信息。
•运动追踪：惯性导航在运动追踪和运动分析领域也有广泛的应用。
例如，运动传感器可以用于定位和跟踪运动员或物体的姿态和运动轨迹。
•船舶导航：惯性导航在船舶导航中也是一种常见的技术。
它可以提供船舶的姿态、速度和位置信息，用于航行控制和航线规划。
5. 惯性导航的挑战和改进惯性导航也存在一些挑战和限制，例如测量误差的累积、漂移、传感器失准等。
惯性导航仪的工作原理
惯性导航仪的工作原理惯性导航仪（Inertial Navigation System，简称INS）是一种用于飞行器、船舶、导弹等运动物体导航的装置，它利用陀螺仪和加速度计等惯性传感器来测量物体的加速度和角速度，从而推算出物体的位置、速度和姿态信息。
惯性导航仪不依赖于外界的参考物体或信号源，因此具有独立性和高精度的特点。
一、陀螺仪原理陀螺仪是惯性导航仪的核心组件之一，用于测量物体的角速度。
陀螺仪基于角动量守恒定律，利用陀螺效应来测量物体的旋转。
当物体发生角速度时，陀螺仪内的转子会受到力矩的作用，从而产生预设方向上的转动。
通过测量转子的转动角度和时间，可以计算出物体的角速度。
二、加速度计原理加速度计用于测量物体的加速度。
加速度计基于牛顿第二定律，利用物体的质量和加速度之间的关系来测量加速度。
加速度计通常采用微机电系统（MEMS）技术，通过测量物体的惯性质量发生微小位移来计算加速度。
三、工作原理惯性导航仪的工作原理可以简单分为三个步骤：测量、积分和更新。
1. 测量：陀螺仪和加速度计通过连续测量物体的角速度和加速度来获取运动信息。
陀螺仪测量物体的角速度，加速度计测量物体的加速度。
这些测量值被称为姿态传感器数据。
2. 积分：通过对姿态传感器数据进行积分，可以得到物体的位置、速度和姿态信息。
对于位置和速度的计算，需要将加速度数据进行积分。
对于姿态信息的计算，需要将角速度数据进行积分。
3. 更新：为了保持精度，惯性导航仪需要进行定位误差的修正。
这通常通过与其他导航系统（如全球定位系统）进行数据融合来实现。
融合算法可以根据外部参考数据对惯性导航仪的测量结果进行修正，从而提高导航的精度和稳定性。
四、优点和应用惯性导航仪具有以下优点：1. 独立性：惯性导航仪不依赖于外界的参考物体或信号源，可以在无GPS信号或电磁干扰的环境下正常工作。
2. 高精度：惯性导航仪的测量精度高，可以达到亚米级或亚角度级别的精度要求。
3. 实时性：惯性导航仪的测量和计算过程非常快速，可以实时提供位置、速度和姿态等信息。
平台式惯性导航系统原理及应用
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17
（2）水平和方位修正 四套稳定系统使平台相对
惯性空间保持稳定，为使平 台跟踪地理坐标系，须对平 台实施水平和方位修正。即 利用地理坐标系运动规律给 平台各轴施加指令角速率 （施加到相应的陀螺力矩器 上）。
xt
V
cos
R
VN R
yt
e
cos
VE R
zt
e
sin
成任
8
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二 平台式惯导的基本组成 平台式惯导系统由三轴陀螺稳定平台（包含陀螺仪）、
加速度计、导航计算机、控制显示器等部分组成。
三 三种平台式惯导的特点(p299)
9
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10
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8.2 指北方位惯导系统
指北方位惯导系统是平台惯导中最基本的类型。陀 螺平台建立的理想坐标系与地理坐标系完全重合。这样 的平台需用一个三轴稳定平台，并对两个水平轴进行舒 勒调谐和积分修正控制其在水平面内，对方位轴系统施 以控制信号使其指向北方。
在矩阵计算中，减少繁琐的运算，提高计算性能。
32
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33
2.地球系与地理坐标系的关系（过程见p312） 这两个坐标系间关系与地理系原点所在经纬度有关，他们间的
电子信息工程学院31因为自由方位平台不施加方位指令dttgcossinsincos电子信息工程学院32cossinsincoscossinsincos为保持平台水平相应的控制指令角速率为电子信息工程学院33自由方位惯导系统原理电子信息工程学院34游动方位惯导系统与自由方位类似使平台的台面处于当地水平面方位轴只跟踪地球自转的分量
F惯
F弹
mgm
aip
陀螺的应用原理图解法
陀螺的应用原理图解法1. 介绍陀螺是一种利用物体旋转的原理实现稳定的设备。
它被广泛应用于航空航天、导航仪器、惯性导航系统等领域。
本文将通过图解的方式详细介绍陀螺的应用原理。
2. 陀螺的基本构造陀螺由外部支撑结构和内部旋转部分组成。
外部支撑结构用于固定陀螺的位置和姿态，保持其稳定性。
内部旋转部分则是实现陀螺稳定运动的关键。
3. 陀螺的稳定性原理陀螺的稳定性原理是基于角动量守恒定律。
当陀螺在没有外力作用下旋转时，其角动量大小和方向保持不变。
这使得陀螺能够保持旋转的稳定性。
4. 陀螺的应用陀螺在航空航天领域有广泛的应用。
以下是陀螺在导航仪器、惯性导航系统以及航空器稳定控制中的具体应用：•导航仪器：陀螺仪是船舶、飞机等导航仪器中的重要组成部分。
它能够测量并记录航向、加速度和角速度等参数，为导航提供准确的数据。
•惯性导航系统：惯性导航系统利用陀螺仪、加速度计等传感器获取飞行器的运动状态信息，从而实现无需依赖地面导航信号的导航定位功能。
•航空器稳定控制：陀螺仪在飞行器的稳定控制中起到关键作用。
通过感知飞行器的姿态变化，陀螺仪能够提供准确的控制反馈信号，帮助保持飞行器的平稳飞行。
5. 陀螺的优势和未来发展趋势陀螺作为一种稳定性强、可靠性高的设备，具有以下优势：•高精度：陀螺仪能够提供高精度的角速度测量和姿态估计，为导航和控制系统提供准确的数据。
•快速响应：陀螺仪具有快速响应的特点，能够在短时间内提供准确的姿态信息。
•高可靠性：陀螺仪采用机械结构，无需依赖外部信号，具有较高的可靠性和稳定性。
未来，随着科技的进步，在陀螺技术方面还有许多发展趋势，包括：•小型化：随着微纳技术的发展，陀螺仪将变得更加小型化，使其在更多领域的应用成为可能。
•集成化：将传感器和处理电路集成在一块芯片上，将陀螺的体积和功耗进一步减小。
•多功能化：通过引入新的材料和设计思路，使陀螺具备更多的功能，满足不同应用需求。
6. 总结本文通过图解的方式介绍了陀螺的应用原理。
陀螺仪原理与惯性导航
陀螺仪的原理陀螺仪简介绕一个支点高速转动的刚体称为陀螺(top)。
通常所说的陀螺是特指对称陀螺，它是一个质量均匀分布的、具有轴对称形状的刚体，其几何对称轴就是它的自转轴。
由苍蝇后翅（特化为平衡棒）仿生得来。
在一定的初始条件和一定的外在力矩作用下，陀螺会在不停自转的同时，还绕着另一个固定的转轴不停地旋转，这就是陀螺的旋进(preces sion)，又称为回转效应(gyrosc opiceffect)。
陀螺旋进是日常生活中常见的现象，许多人小时候都玩过的陀螺就是一例。
陀螺仪的原理我们不用一个完整的轮框，我们用四个质点ABCD来表示边上的区域，这个边对于用图来解释陀螺仪的工作原理是很重要的。
轴的底部被托住静止但是能够各个方向旋转。
当一个倾斜力作用在顶部的轴上的时候，质点A向上运动，质点C则向下运动，如其中的子图1。
因为陀螺仪是顺时针旋转，在旋转90度角之后，质点A将会到达质点B的位置。
CD两个质点的情况也是一样的。
子图2中质点A 当处于如图的90度位置的时候会继续向上运动，质点C也继续向下。
AC质点的组合将导致轴在子图2所示的运动平面内运动。
一个陀螺仪的轴在一个合适的角度上旋转，在这种情况下，如果陀螺仪逆时针旋转，轴将会在运动平面上向左运动。
如果在顺时针的情况中，倾斜力是一个推力而不是拉力的话，运动将会向左发生。
在子图3中，当陀螺仪旋转了另一个90度的时候，质点C在质点A受力之前的位置。
C质点的向下运动现在受到了倾斜力的阻碍并且轴不能在倾斜力平面上运动。
倾斜力推轴的力量越大，当边缘旋转大约180度时，另一侧的边缘推动轴向回运动。
万向节陀螺仪实际上，轴在这个情况下将会在倾斜力的平面上旋转。
轴之所以会旋转是因为质点AC在向上和向下运动的一些能量用尽导致轴在运动平面内运动。
惯性导航系统原理_三轴陀螺稳定平台(4)
ωr irz
sinθ f
cosθ f ωirrz 0
−ωirry sinθ f
+
ωr irz
cosθ f
zb θr
yf θf
yr 8
5.2.1角速度耦合关系分析
3.方位环a的角速度
xa
xf
θa
cosθa sinθa 0
C
a f
=
−
sin
θa
cosθa
0
0
0 1
ωωiiaaaaxy
2010.05.21
2
5.1三轴平台简介
为何需要在运载体内部建立起导航坐标系？
建立导航坐标系有哪些途径？
始终与载体
捷联式惯
直接固联在
一起变化指
导系统 平台式惯
陀螺和加 运载体上 速度计
数学平台 导航坐标系
在用三个
物理平台
向不定 敏感轴
始终与要求
导系统
环架支承
的导航坐标
起来的平
系重合
台台体上
平台的两种工作状态？
Mr
Hale Waihona Puke 制的，绕俯仰环轴的转动角度范围根
据需要而定。
方位坐标分解器
f为俯仰环
a为方位环
Mf Ma
r为横滚环 力矩马达
凡是要求转动角度超过360°的环架轴，输 电装置都要采用电刷-滑环组件，对转动角
小于180°的环架轴，通常采用软导线或其 他形式的输电装置。
2010.05.21
5
5.1三轴平台简介
(1)基座坐标系b:与机体固联，xb、 yb、zb分别指向飞机的右、前、上。
θr=0、θf=0、θa=0（即环架处于中立位置）时，才为正交坐标系。 6 2010.05.21
§3.7平台式惯导的基本原理
(2) 内环坐标系 OX Y pi piZpi (下标 pi 表示 pitch) ，简称 pi 系，与内环 固联， Zpi 轴为平台方位轴(同 Zp 轴) ， X pi 轴沿平台内环轴(俯仰（纵 摇）轴)指向平台右侧， Ypi 与 X pi 、 Zpi 垂直构成右手直角坐标系。
(3) 外环坐标系 OXrYrZr (下标 pi 表示 roll)，简称 r 系，与外环固连， X r 轴沿平台内环轴指向平台右侧 (同 X pi 轴) ，Yr 轴沿平台外环轴(横 滚（横摇）轴)指向平台前方， Zr 与 Xr 、Yr 垂直构成右手直角坐标系。 由于外环平面与内环平面不一定垂直，Zr 轴与方位轴指向并不始终一 致。
基座
外环
内环轴摩擦 内环 方位轴摩擦
刚性约束
刚性约束
刚性约束
方位环（台体）
2 惯性导航系统实现的基本思路 从加速度计的原理可知，加速度计的输出是沿加速度计敏感轴方
向的比力，比力中含有载体绝对加速度信息。如果在载体上能得到三
个敏感轴互相正交的加速度计输出信号同时又能获知各加速度计敏
感轴的准确指向的话，就可以完全掌握载体的运动加速度，结合载体
动，通过计算得到载体的姿态角，也就确定出了加速度计敏感轴的指
向。再通过坐标变换，将加速度计输出的比力信号转换到一导航计算
比较方便的导航坐标系上，进行导航计算。这种系统就是捷联式惯导
系统。该系统由于没有平台实体，结构简单、体积小、维护方便；但
惯性元件直接装在载体上，工作环境恶劣，对元件要求很高。同时，
导航系统要求其三轴平台相对惯性空间稳定，即平台工作于几何稳定 状态；有的惯性导航系统要求其三轴平台在保持稳定的同时还要跟踪 某个导航坐标系，即平台工作于空间积分状态。三轴平台可以看成是 由三个单轴陀螺稳定平台组合而成，单轴平台的工作原理、系统的基 本组成和传递函数、系统的性能指标等内容都适用于三轴平台。但三 轴平台不是三个单轴平台简单的叠加，三轴平台由于其结构和工作原 理方面的特点，在实现平台的稳定和修正两种工作状态时，有许多特 殊问题。如陀螺仪信号的合理分配，基座转动角速度到平台的耦合与 隔离，三轴平台的环架锁定等。
第8章平台式惯性导航系统原理及应用分解
第8章平台式惯性导航系统原理及应用分解导航系统是指通过利用一些特定设备和技术，能够确定用户在地球表面的位置、速度和方向等信息的系统。
其中，惯性导航系统是一种通过测量加速度和角速度来获得位置和姿态等信息的导航系统。
平台式惯性导航系统是一种常见的惯性导航系统，具有广泛的应用领域。
平台式惯性导航系统主要由陀螺仪和加速度计两部分组成。
陀螺仪用于测量角速度，而加速度计用于测量加速度。
通过分析和处理这些测量数据，可以计算出导航系统的位置、速度和姿态等信息。
在平台式惯性导航系统中，陀螺仪和加速度计通常被安装在一个机械平台上，该平台可以旋转和倾斜。
当导航系统发生运动时，陀螺仪和加速度计可以测量出相应的角速度和加速度，进而计算出导航系统的姿态和加速度。
平台式惯性导航系统的原理是基于牛顿力学中的惯性定律。
根据惯性定律，一个物体在没有外力作用时，将保持其匀速直线运动状态，或者保持其静止状态。
因此，当平台式惯性导航系统没有受到其他力的影响时，陀螺仪和加速度计的测量数据可以被用来计算导航系统的姿态和加速度。
平台式惯性导航系统具有广泛的应用领域。
首先，它被广泛应用于航空航天领域。
在飞机和航天器的飞行过程中，由于缺乏地面参考，惯性导航系统可以提供稳定和精确的位置和姿态信息，从而保证飞行的安全和稳定性。
其次，平台式惯性导航系统也被广泛应用于海洋领域。
在海上航行中，由于海上条件的复杂性，常规导航系统容易受到干扰和影响。
而平台式惯性导航系统可以通过测量姿态和速度等信息来提供可靠的导航支持。
另外，平台式惯性导航系统还被应用于无人驾驶车辆、船舶和机器人等领域，以及医疗设备和工业自动化等领域。
总结起来，平台式惯性导航系统是一种通过测量陀螺仪和加速度计的数据来计算导航系统姿态和加速度的导航系统。
它的工作原理基于惯性定律，广泛应用于航空航天、海洋、无人驾驶和医疗设备等领域。
惯性导航系统
惯性导航系统惯性导航系统（Inertial Navigation System，简称INS）是一种基于惯性测量单元（Inertial Measurement Unit，简称IMU）的导航系统，它利用加速度计和陀螺仪来计算和跟踪自身的位置、速度、姿态以及其他相关信息。
INS的主要优势在于其独立性、高精度和实时性。
一、惯性导航系统的原理及构成1.1 原理惯性导航系统基于牛顿力学的基本原理，根据物体在三维空间中的运动状态（位置、速度、姿态），利用加速度计测量加速度，陀螺仪测量角速度，从而获得物体的运动信息。
1.2 构成惯性导航系统由加速度计和陀螺仪构成。
加速度计用于测量物体的加速度，而陀螺仪则用于测量物体围绕轴的旋转角速度。
这两个组件通常被称为惯性测量单元（IMU）。
二、惯性导航系统的工作原理惯性导航系统通过对加速度和角速度的测量结果进行积分运算，得到物体的位置、速度和姿态等导航参数。
根据这些参数，可以进行航行过程中的定位、导航、控制等任务。
2.1 姿态测量加速度计和陀螺仪的输出信号经过信号处理后，可以计算出物体在空间中的姿态。
姿态测量是导航系统的基础，可以帮助确定物体的朝向和方向。
2.2 位置和速度测量根据加速度计测量的加速度和陀螺仪测量的角速度，可以利用运动学方程进行积分运算，从而得到物体的位置和速度信息。
2.3 系统校准惯性导航系统需要进行定期的校准，以确保其输出的数据准确可靠。
校准的主要目的是消除误差和漂移，并提高导航系统的精确度和稳定性。
三、惯性导航系统的应用领域3.1 轨道交通惯性导航系统在轨道交通领域的应用越来越广泛，如地铁列车、高铁等。
它能够提供高精度的位置和速度信息，帮助保证列车的安全性和准确性。
3.2 航空航天惯性导航系统是飞机和导弹等航空器的重要组成部分。
它可以在无GPS信号的情况下，仍然提供准确的导航信息，确保飞行器的航线精确和稳定。
3.3 海洋探测惯性导航系统在海洋探测中也有重要应用，如海洋调查船、潜艇等。
惯性导航系统原理_陀螺稳定平台工作原理(1)
& cos β + I ω & Hβ y y = M dy
& cos β Hβ
是由陀螺角动量H & 和进动角速度 β
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用动量矩定理分析
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直接式陀螺稳定平台的特点
& ≠ 0 时陀螺力矩才存在,如果倾倒力矩长时间存在,则β (1)只有当 β & cos β = 0 Hβ 将越来越大,当β =90°时,
第四章 陀螺稳定平台工作原理
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4.1 各类稳定平台简介 4.1.1 直接式陀螺稳定平台 4.1.2 间接式陀螺稳定平台 4.1.3 动力式陀螺稳定平台 4.1.4指示式陀螺稳定平台 4.1.5 用速率陀螺仪构成的稳定平台
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4.1 各类稳定平台简介
陀螺稳定平台的稳定作用之一是平台能自动产生卸荷力矩对消干扰力矩. 卸荷力矩由两类不同的力矩组成:
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间接式陀螺稳定平台的特点
间接式陀螺稳定平台在工程中的应用是很广泛的,其最大优点是 不同的被稳定对象可共用一个信息参考基准,这对降低成本,减少 重量和体积是十分有利的.但这类稳定平台达到的精度一般都不 高,图示双轴水平稳定平台,其精度很难达到0.2°.
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动力式陀螺稳定平台
ωx
Hsinβ
xb ( x )
&&) 0 I x (ω &x − β & & H β cos β + I ω y y + ωz & sin β + I ω − H β & z z −ω y
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−ωz 0 ωx
惯性导航仪的工作原理
惯性导航仪的工作原理惯性导航仪（Inertial Navigation System，简称INS）是一种利用惯性力学原理进行导航的设备。
它可以独立地测量和计算飞行器、舰船或车辆的位置、速度和方向，而无需依赖外部导航系统，如全球定位系统（GPS）或地面雷达。
惯性导航仪的工作原理基于牛顿第一定律，即物体在没有外力作用下保持匀速直线运动或静止的性质。
惯性导航仪通过测量和集成三个相互垂直的加速度计和三个相互垂直的陀螺仪的输出信号来实现导航。
加速度计用于测量加速度，而陀螺仪用于测量角速度。
加速度计的工作原理是利用物体的惯性来测量加速度。
它包含一个质量块和一个弹簧系统，当加速度作用于质量块时，它会相对于惯性坐标系发生位移，通过测量位移可以确定加速度的大小。
惯性导航仪通常使用三个加速度计，分别测量飞行器在三个坐标轴方向上的加速度。
陀螺仪的工作原理是利用陀螺效应来测量角速度。
陀螺仪包含一个旋转的转子，当飞行器发生旋转时，转子相对于惯性坐标系会保持不变的方向，通过测量转子相对于惯性坐标系的角位移可以确定角速度的大小。
惯性导航仪通常使用三个陀螺仪，分别测量飞行器绕三个坐标轴旋转的角速度。
惯性导航仪将加速度计和陀螺仪的输出信号进行集成和处理，通过积分加速度计的输出信号可以得到速度，再次积分得到位置。
同时，通过陀螺仪的输出信号可以得到飞行器的姿态信息，如俯仰角、横滚角和偏航角。
然而，惯性导航仪存在一定的误差累积问题。
加速度计会受到震动和振动的影响，导致加速度测量的误差。
陀螺仪会受到温度变化和机械振动的影响，导致角速度测量的误差。
为了解决这些问题，惯性导航仪通常会结合其他导航系统，如GPS，进行误差校正和更新。
总结起来，惯性导航仪的工作原理是通过测量和集成加速度计和陀螺仪的输出信号来实现导航。
它可以独立地测量和计算飞行器、舰船或车辆的位置、速度和方向，具有高精度和高可靠性的特点。
然而，由于误差累积的问题，惯性导航仪通常会与其他导航系统结合使用，以提高导航的准确性和稳定性。
惯性导航系统与陀螺仪
惯性导航系统与陀螺仪惯性导航系统(INS，以下简称惯导)是一种不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航系统。
其工作环境不仅包括空中、地面，还可以在水下。
惯导的基本工作原理是以牛顿力学定律为基础，通过测量载体在惯性参考系的加速度，将它对时间进行积分，且把它变换到导航坐标系中，就能够得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位置等信息。
属于一种推算导航方式.即从一已知点的位置根据连续测得的运载体航向角和速度推算出其下一点的位置.因而可连续测出运动体的当前位置。
惯性导航系统中的陀螺仪用来形成一个导航坐标系使加速度计的测量轴稳定在该坐标系中并给出航向和姿态角;加速度计用来测量运动体的加速度经过对时间的一次和分得到速度，速度再经过对时间的一次积分即可得到距离。
惯性导航系统有如下主要优点.(1)由于它是不依赖于任何外部信息.也不向外部辐射能量的自主式系统.故隐蔽性好，也不受外界电磁干扰的影响;(2)可全天流全球、全时间地工作于空中、地球表面乃至水下.(3)能提供位置、速度、航向和姿态角数据，所产生的导航信息连续性好而且噪声低.(4)数据更新率高、短期精度和稳定性好.其缺点是.(1)由于导航信息经过积分而产生，定位误差随时间而增大，长期精度差;(2)每次使用之前需要较长的初始对准时间;(3)设备的价格较昂贵;(4)不能给出时间信息但惯导有固定的漂移率，这样会造成物体运动的误差，因此射程远的武器通常会采用指令、GPS等对惯导进行定时修正，以获取持续准确的位置参数。
惯导系统目前已经发展出挠性惯导、光纤惯导、激光惯导、微固态惯性仪表等多种方式。
陀螺仪由传统的绕线陀螺发展到静电陀螺、激光陀螺、光纤陀螺、微机械陀螺等。
激光陀螺测量动态范围宽，线性度好，性能稳定，具有良好的温度稳定性和重复性，在高精度的应用领域中一直占据着主导位置。
由于科技进步，成本较低的光纤陀螺(FOG)和微机械陀螺(MEMS)精度越来越高，是未来陀螺技术发展的方向。
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第四章 陀螺稳定平台工作原理
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4.1 各类稳定平台简介 4.1.1 直接式陀螺稳定平台 4.1.2 间接式陀螺稳定平台 4.1.3 动力式陀螺稳定平台 4.1.4指示式陀螺稳定平台 4.1.5 用速率陀螺仪构成的稳定平台
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4.1 各类稳定平台简介
陀螺稳定平台的稳定作用之一是平台能自动产生卸荷力矩对消干扰力矩. 卸荷力矩由两类不同的力矩组成:
&×H M dy = β
Mg
Mdy
& β
& Mg = H ×β
ห้องสมุดไป่ตู้
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以框架组件为分析对象,框架组件的总动量矩为
b b HG = H b + [ I ](ωib + ω b bG )
zb β
z
0 I x +0 = H sin β H cos β 0
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该陀螺稳定系统,倾倒力矩的对消过程为:
在倾倒力矩Mdy (假设沿列车向前,即图中穿入纸面方向)作用下,
& 向左,即x 负方向, 陀螺发生进动,引起的进度角速度 β b
Up zb
& β
Mdy
yb
Forward
此进动角速度引起陀螺力矩 & M = H ×β
g
Mg方向沿列车后向,即图中穿出纸 面方向,因此陀螺力矩对倾倒力矩直 xb Right 接起到了对消作用.
&) M b ω y I x (ωx − β x −ωx H sin β + I yω y = M dy H cos β + I zωz M zb 0
&&) − ω ( H sin β + I ω ) + ω ( H cos β + I ω ) = M b &x − β I x (ω z y y y z z x & cos β + I ω & & Hβ y y + ωz I x (ωx − β ) − ωx ( H cos β + I zωz ) = M dy & sin β + I ω & ) + ω ( H sin β + I ω ) = M b & − ω I (ω − β −H β
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陀螺稳定平台 惯性平台
以陀螺为敏感元件,能隔离基座的角运动并 能使被控对象按指令旋转的机电控制系统.
如平台式惯导系统中使用的稳定平台，要求精确模拟惯导 系统所采用的导航坐标系,精度要求达到角分级甚至角秒级, 此类平台习惯上称之为惯性平台. 又如天线、炮塔等稳定系统,被控对象体积和重量都十分庞大, 精度要求不必像惯性平台那样高,控制的旋转轴也可能少于三 轴,此类稳定平台习惯上称之为陀螺稳定装置. 陀螺稳定平台的2个基本功能: 区别：1精度2体积3稳定的轴的数量 1）稳定功能,即对外界干扰起对消作用,如基座角运动是一种外界 干扰,在稳定平台与基座的轴承连接处将引起摩擦力矩作用在平台 上,或由于几何约束关系台体被强制带动跟随基座一起旋转,稳定 平台能自动产生卸荷力矩对消摩擦力矩,同时能产生适当的反旋转 对消被基座带动的强制旋转; 2）跟踪功能,即能跟踪指令,按要求的角速度旋转,确保平台的 2010-05 坐标轴指向要求的方位. 3
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直接式陀螺稳定平台
单轨列车设计方案
(1)干扰力矩全部由陀螺力矩对消的稳定平台.
zb
Up
zb
yb
Forward
ωz
β
z
车体坐标系与车厢固联,简记b
H
& β ωy β y
xb
Right
xb ( x )
yb
ωx
设车厢的旋转角速度沿xb, yb, zb的分量分别为ωx, ωy, ωz转子自转产生的角动量为H,框架组件(包括 转子和框架)的惯性张量为[I]=diag[Ix Iy Iz]。 xyz为陀螺框架坐标系,简记为G,相对车体坐标系绕xb有偏角β.
惯性导航系统原理
程向红 2010.05
2010-05
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第二篇 陀螺稳定平台
陀螺具有定轴性和进动性. 具有1)相对惯性空间指向保持不变的能力和2)按照要求 的规律相对惯性空间旋转的能力,因此可利用陀螺来控制 被控对象的角运动. 控制角运动包含2个含义: 一是隔离运载体的角运动对被控对象的角运动的影响,例如 船舶上的同步卫星接收天线,当船舶受风浪作用而摇晃时,天 线能始终指向同步卫星; 二是能使被控对象按指令即要求的规律旋转,指向始终跟踪 变动着的方向,例如监测火箭发射的地面光学跟踪系统,光轴 始终跟踪观察点与火箭的连线,而该连线的指向在不断地变 化着.
0 Iy 0
& 0 ω x − β 0 ω y Iz ωz
Hcosβ
ωz
H
& β ωy β y
yb
&) I x (ω x − β = H sin β + I yω y H cos β + I zωz
根据动量矩定理,并应用哥氏定理,得
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dH G b b + ωib × HG = Mb dt b
b
&&) 0 &x − β I x (ω & & cos + H β β I ω y y + ωz 展开上式得: & sin β + I ω − H β & z z −ω y
−ωz 0 ωx
ωx
Hsinβ
xb ( x )
&&) 0 I x (ω &x − β & & H β cos β + I ω y y + ωz & sin β + I ω − H β & z z −ω y
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−ωz 0 ωx
&) M b ω y I x (ωx − β x −ωx H sin β + I yω y = M dy H cos β + I zωz M zb 0
1）由固联在台体上的陀螺产生的陀螺力矩; 2）由平台的伺服回路产生的伺服力矩.
按两类力矩在卸荷力矩中所起作用的不同,对陀螺稳定平台分类:
(1)直接式陀螺稳定平台. (2)间接式陀螺稳定平台. (3)动力式陀螺稳定平台. (4)指示式陀螺稳定平台. (5)指示-动力式陀螺稳定平台.
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下面实例分析