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基于三维旋转混合式惯性导航装置设计.doc

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基于三维旋转混合式惯性导航装置设计.doc

上传人:麒麟才子 2022/12/4 文件大小:1.42 MB

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基于三维旋转混合式惯性导航装置设计.doc

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毕业设计(论文)
课题名称基于三维旋转混合式惯性导航装置设计
学生姓名
I
内容提要
牛顿定律是惯性导航系统的理论基础,是通过测量惯性参考系的加速度矢量,确定其时间的一阶导数,并将其转换为导航框架,可以得到导航坐标系的速度、偏航角和位置信息。在惯性导航中,光纤陀螺和加速度计是最常用的惯性器件。我们可以使用灵活的石英光纤陀螺和加速度计测量数据,然后使用导航算法来处理这些数据。主要算法是介绍了方向余弦法、欧拉角法、四元数法等旋转惯性法,通过角度编码器反馈的角速度信息经滤波器处理数据连接到电路板,最后显示在控制台,基于以上信息现设计三维旋转混合式惯性导航装置。
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Summary
Newton'slawisthetheoreticalbasisofinertialnavigationsystems,inertialreferencesystembymeasuringtheaccelerationvector,determiningafirstderivativeofitstime,andconvertittothenavigationframe,speedcangetnavigationcoordinates,,,,Euleranglemethod,quaternionmethodrotationalinertiamethod,theangularvelocityinformationbyprocessingthedatathroughthefilterangleencoderfeedbackconnectedtothecircuitboard,andfinallydisplayedontheconsole,basedontheaboveinformationnowdesignthree-dimensionalrotationhybridinertialnavigationdevice.
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目录
内容提要 I
Summary II
1绪论 1
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2惯性导航的系统原理 8
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3导航解算 16
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4三维旋转式惯导设计 22
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5结论 29
参考文献 30
图纸目录 31
致谢 32
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绪论
课题前景
在现在这个大数据的时代,人们的日常生活已经离不开导航两个字了。导航是用于引导飞机、船舶、车辆等载体,准确到达目的地的手段,随之而来的是陀螺仪、加速度计等惯性传感器的发展。随后光纤陀螺的研制成功,光纤与激光陀螺是基于同一原理支撑的光学陀螺。光纤陀螺具有比激光陀螺仪体积更小,功耗更低,更便于批量成产和价格低廉的特点,发展非常迅速。随着半导体工艺逐步成熟,微机电系统开始出现,微机电惯性传感器相比传统传感器:体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高,被广泛应用于惯导系统中。
陀螺仪的国内外研究现状
陀螺的发展大致分为4个阶段,自1910以来的第一次,指北为船舶电罗经陀螺以来,已有近100年的历史,其发展过程可分为四个阶段:第一阶段是由一个球轴承陀螺陀螺马达和框架的支持;第二阶段是40年代末到50年代初开发的液浮浮选陀螺仪;第三阶段是1960年干式电力弹性支承陀螺仪转子后发达;陀螺仪的发展已进入第四阶段,静电陀螺、激光陀螺、光纤、振动陀螺。
光纤陀螺是Sagnac效应测量角速度旋转的使用。光纤陀螺的概念由shoahil在1976年首先提出的,它引起了人们极大的关注和浓厚的兴趣,在国内和国外,相比于机电陀螺和激光陀螺、光纤陀螺具有许多优点,如体积小、质量轻、成本低,特别是在军事领域引起了人们的关注。在短短的20年里,在国内外的发展中,高精度的光纤陀螺逐步满足了日益成熟的发展。,是目前已知最高精度的报告。
法国的光子公司是世界上最早开始光纤陀螺研制的公司之一,°/h的光纤陀螺,精度不断提高,光纤陀螺在该公司的发展是以数字台阶反馈电路成功为基础,成功实现了从实验室样机到工程机的转变。
自20世纪80年代初开发工作以来,基本上是开环和闭环回路的并行程序,其发展水平与该国的光纤陀螺惯性导航系统的精度要求较低,但是,大多数还没达到工程使用阶段,也没有可靠性的数据。与国外相比还是存在这相当大的差距,对光纤陀螺的理论研究和基础开发不够,国内的光纤陀螺产品的种类非常不规范,没有统一的技术指标和标准。光纤陀螺仪的研究在国内的技术环境现状中,很难从国外得到更多的借鉴与参考,所以,自主研发,克服困难是唯一的出路。
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从陀螺的发展过程不难看出,国内外光纤陀螺都实现了不同程度的发展,尤其是国外,精度提高了3个数量级。
加速度计的国内外研究现状
MEMS微机电系统基于集成电路技术的发展,始于上世纪80年代,经过30多年的发展现在已经成为当下的高新技术产业,这项技术发展直接关乎国家的科技发展、经济繁荣和国防事业。据有关数据统计截止2014年MEMS器件的市场规模达到111亿美元,并且在未来还会继续保持增长。而微加速度计是MEMS的重要组成部分,一直是国内外炙手可热的项目。
相比于普通加速度计,微加速度计具备成本低,重量轻,体积小,能耗低,可靠性好等诸多优点,广泛应用于汽车工业,工业自动化,航空航天事业以及机器人等领域。对应不同的分类方式有不同的形式,例如按照测试方式的不同有压电式,压阻式,谐振式,电容式,光学式,热对流式等等。
1977年,美国斯坦福大学采用微机械加工技术,制造出开环硅加速度计。
1979年,Roylance和Angell开始研制微机械压阻式加速度计。
1993年,美国ADI公司实现加速度计结构和电路的单片集成。
1994年,美国Draper实验室研制出MIMU,由三只微机械陀螺仪和三只微机械加速度计在立方体的三个正交平面上构成。
1997年,Takao和Lemkin分别提出采用体硅工艺和表面工艺的三轴集成检测方法。
上世纪90年代,中国开始MEMS惯性技术研究,得到中国科学院、国家自然科学基金委、科技部、教育部和原国防科工委等部们的大力支持。,硅陀螺仪漂移处于10~50(°)/h水平,无论在性能还是工程化水平上与国外还是存在着一定的差距。
惯性导航装置的国内外研究现状
惯性导航系统是一种不依赖于外部信息的自助式导航系统,属于推算导航方式,通过陀螺仪形成导航坐标系,让加速度计的测量轴在该坐标系中给出航向和姿态角;加速度计用来测量运动体的加速度,加速度对时间的一阶导数即速度,速度对时间的一阶导数即位移。根据国内外的发展状况大致可分为
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4个阶段。
第一阶段:物理学研究是现代惯性技术发展的基础。1687年,牛顿的运动规律成为惯性技术的理论基础;1852年,法国科学家福柯提出了陀螺仪的概念、原理和应用假想,他惯性技术的初步理论研究和探索已成为惯性技术真正出现的一个标志。1907,德国安休茨创造了世界上第一个摆式陀螺;1910,德国科学家舒拉提出的舒拉原理,奠定了惯性技术的研究和发展的基础。此阶段惯性技术主要集中于理论研究和时间,技术的发展还比较慢。
第二阶段:军事需要是惯性技术的快速发展契机。自上世纪40年代,到了第二次世界大战制导弹药的刺激,以德国为首的军事力量已经开始发展火箭技术,正式在军事领域的应用打开了惯性技术的时代,德国在40年代发射火箭首次应用惯性技术,惯性技术此后发展迅速;1954,配备惯性导航系统的飞机飞行测试成功,在不久后又应用于潜艇。在此期间,出现了各种传统的机械陀螺,并开始了激光陀螺。
第三阶段:惯性技术的应用在现代科学技术的推广中出现。自二十世纪以来,随着科技的发展和进步,新的惯性器件和惯性系统的出现,促进了惯性技术的转变。主要特点是以下特点:
(1)在现代技术推广的惯性技术,加快发展步伐,技术改造时,新的设计概念,这个概念的一个个新的应用程序,一个个新的惯性器件相继出现;
(2)惯性技术开始向两个不同的方向,一是继续完善满足一些高精度工程需要的精度;另一方面是让惯性技术的推广和应用在许多方面,开始探索新技术的应用和新的方向的惯性;
(3)惯性技术开始走向融合的多传感器惯性方向从一个单一的惯性传感器,以及各种组合导航技术的出现,惯性技术的成本使这一转型产品大幅下降,和更广泛的应用,使惯性技术产品进入人们的日常生活,直接促成了惯性技术的发展。
第四阶段:惯性技术市场的繁荣。在第二十一世纪,随着新的微机械惯性器件和光学仪器的迅速发展,惯性技术在技术和应用领域的发展都发生了巨大的变化,惯性技术的市场前景,主要体现在以下几个方面:
(1)微机电惯性器件取代传统惯性器件成为主流产品,随着组合滤波算法和全球卫星导航系统的出现,使惯性技术得到了进一步的拓展,应用领域拓宽;
(2)应用惯性技术的应用范围变广泛,从最初的航空航天、海洋资源勘探到现在的隧道施工,甚至手机中也得到了广泛的应用。惯性技术从军事到民用的革命性转变,使惯性技术产业化稳步推进,市场出现上升。
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三维旋转式惯性导航装置的国内外研究现状
旋转式惯导系统起源于最早的海洋导航,虽然时间不长,但旋转惯性导航系统的发展表现出极大的实用性和魅力,较长的研究期间出国惯性误差调制技术,技术是目前国内较为成熟。据统计,美国在上世纪80年代,先后开发了单轴,双轴回转惯性导航系统。此外,大量的北约海军潜艇的背面,船上装有惯性导航系统。1980年,斯佩里公司在开发导航激光陀螺导航系统,就采用斯佩里公司的愿景提高磁镜偏RLG开发的单轴旋转系统和相关实验。它的单轴系统采用四个单轴位置来停止程序打开补偿环形激光陀螺(RLG)漂移,四个位置的旋转(-135°,+45°,+135°,-45°),这也成为了节目的旋转都成熟了单轴旋转惯性导航在世界体系。由于低频磁镜偏向的激光陀螺仪的精度,斯佩里开始在随后的机械抖动单轴旋转式激光陀螺惯性导航系统的发展,在20世纪90年代开发的MK39Mod3C单轴旋转系统(),接着通过无线传感器网络的发展WSN-7B系统()的MK39Mod3C基础。这两种类型的产品,优良的性能和低廉的价格,已成为应用最广泛的转动惯性导航系统,是很多设备到许多国家和水面舰艇和潜艇的地区。MK39Mod3C和美国WSN-7B能满足冲击,振动,噪声和其他军事环保要求,其惯性敏感元件采用霍尼韦尔的三角形数字积分陀螺DIG-20,三DIG-20型激光摇机陀螺抖动频率525Hz,565Hz,620Hz,°/h时。它们全部采用了单个轴旋转四位置转停方案,旋转之后自动补偿后,自主导航系统精度1N英里/24小时内,。
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-7B和其局部结构
1982年,霍尼韦尔公司研制的SLN舰船用激光陀螺导航系统,使用三个GGI342激光陀螺仪和三个Q型挠性加速度计,采用双轴转位的方案,控制大约每个绕轴转±180°。为了消除所有的错误惯性对称元素。上世纪80年代后期,美国曾使用过三腔长度为68厘米三角肌机械抖动GG-1389激光陀螺导航系统开发的双轴旋转。较大的系统,曾希望以取代ESG导航系统战略核潜艇,90年代初,它已经生产了超过10套,仅用于攻击潜艇。1989年11月,斯佩里的MK49型双轴旋转激光陀螺惯性导航海试后的系统,被选为北约船用惯性导航的标准体系,配备了大批潜艇和水面舰艇。MK49系统使用三个霍尼韦尔公司的GG-1342激光陀螺机械抖动,抖动频率为320Hz,370Hz,420Hz。分度机构也可用于自校准系统,隔离从滚动运动和方向等,在90年代初外报道,。20世纪90年代,斯佩里
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