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惯性技术

惯性技术. 一 . 惯性技术简介. 惯性技术是惯性敏感器、惯性稳定、惯性导航和惯性测量等技术的统称。它既是一个综合性很强的学科，又是一门技术，在国防科技中占有重要地位，在国民经济某些部门中也有成功的应用，已成为衡量一个国家科学技术和军事实力的重要标志之一。. 惯性技术的核心：惯性敏感器（传感器） —— 陀螺和加速度计。 惯性技术的理论基础：三大牛顿运动定律，特别是牛顿第二定律 : f = m d 2 x /d t 2 , 故称为惯性技术。

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Presentation Transcript

  1. 惯性技术

  2. 一.惯性技术简介 • 惯性技术是惯性敏感器、惯性稳定、惯性导航和惯性测量等技术的统称。它既是一个综合性很强的学科，又是一门技术，在国防科技中占有重要地位，在国民经济某些部门中也有成功的应用，已成为衡量一个国家科学技术和军事实力的重要标志之一。

  3. 惯性技术的核心：惯性敏感器（传感器）——陀螺和加速度计。惯性技术的核心：惯性敏感器（传感器）——陀螺和加速度计。 • 惯性技术的理论基础：三大牛顿运动定律，特别是牛顿第二定律: f=md2x/dt2, 故称为惯性技术。 • 惯性技术的三大参考坐标系： １.惯性参考坐标系——即经典力学中的惯性坐标系,根据导航定位的具体要求，坐标原点可选在日心（太阳系内行星间导航）、地球地心（地球表面附近的导航定位问题）。 ２.地球坐标系——原点在地心，z轴沿地轴方向，x在赤道平面与本初子午面的交线上，y轴则与x和z轴成右手坐标系。导航定位中，运载体相对地球的位置通常不用直角坐标表示，而用经度、纬度和高度表示。用于表示地表附近运载体位置的还有地理坐标系、地平坐标系等。３.运载体坐标系——与运载体固连，其原点与运载体的质心重合，x轴沿运载体纵轴指向前，y 轴沿运载体横轴指右，z轴沿竖轴向上。运载体的俯仰、横滚和偏航等姿态角就是根据运载体坐标系相对于地理坐标系或地平坐标系的转角来确定的。

  4. 惯性敏感器的作用： １.惯性导航和惯性制导：在运载体上安装加速度计，得到加速度信号，经过计算（一次积分和二次积分），从而求出运动轨道（载体的运动速度），进行导航。陀螺仪则用于建立一个稳定的导航坐标系。 2. 惯性测量：其他领域中利用惯性敏感器进行的测量。如利用传统转子陀螺仪的定轴性和摆的重力线敏感能力来建立方向基准（陀螺罗经、测斜仪、地磁稳定器、陀螺经纬仪等），利用陀螺力矩（进动性）制成的陀螺测力计，以及惯性大地测量等。 ３.在航空、航天、航海、兵器、钻井勘探、机器人、生物医学、消费电子、汽车等领域内，惯性敏感器可以用于各种运动参数（包括姿态角、加速度（过载、振动、冲击））的测量和稳定。

  5. 二.加速度计 • 加速度计是一种利用敏感质量的惯性力来测量加速度的传感器。敏感质量体及其支承和信号检出装置是加速度计必需的组成部分。 • 原理 • 质量-弹簧-阻尼系统 • 性能要求 • 灵敏度 • 带宽 • 分辨率 • 量程 • 抗冲击 • 线性度

  6. 应用 • 汽车 • 军事 • 工业控制 • 虚拟现实

  7. 动态控制 商业 应用 安全气囊 悬挂系统 导向 飞机,汽车 惯性导航 1g 1mg 0.1mg 1ug 战术军事 应用 武器保险,引信 弹道修正 自动驾驶，飞行控制 惯性导航 军用飞机 地对地 战术导弹 地对空 空对地 空对空 弹道导弹惯性制导 战略导弹 保险和点火 巡航导弹 航天

  8. 压阻、压电式 • 隧道式

  9. 热流式 • 谐振式

  10. ~ Vs+ Vsat+ 50PF low pass filter *1 Sensor ~ DEMOD Feedback Vr Vsat- Vs- • 电容式 • 原理 • 检测

  11. 玻璃 梁 质量块 电极

  12. Si a d b c Si e f 加速度计 • 深槽刻蚀结合键合工艺

  13. Anchor Spring Proof Mass y x

  14. 加速度计 • 集成加速度计

  15. 控制功能 Control Fuctions 诊断功能 Diagnostic Fuctions 导向功能 Navigation F uctions 商业汽车 应用 10,000o/Hr 1,000o/Hr 100o/Hr 10o/Hr 战术军事 应用 姿态导向 参考系统 Attitute Heading Refernce System (AHRS) 稳定控制增强系统 Stability Control Augmentation System(SCAS) 短飞行 时间导航 Short TOF Navigation 弹头稳定 Seeker Stabilization 自动驾驶装置 Autopilot 陀螺 • 作用及应用 • 检测角速度

  16. 陀螺 • 性能参数

  17. 旋转式陀螺 • 工作原理——角动量守恒 • 优点：稳定度高、精度高 • 缺点：磨损

  18. 陀螺 • 振动式陀螺 • 工作原理——科氏力 • 音叉式陀螺 • 优点：无摩擦， 适合MEMS

  19. 陀螺 • 振动式陀螺 • 角振动式陀螺

  20. 陀螺 • 振动式陀螺 • 面振动式陀螺 • 面内式（in plane) • 面外式(out-of-plane)

  21. 陀螺 • 振动轮式陀螺

  22. 光学陀螺 • 原理——光程差 • 光纤陀螺

  23. 陀螺设计实例 • 方案确定 • 工艺 • 面内振动式 • 原理分析 • 驱动 • 感应 • 要求——两个方向模态一致

  24. 陀螺设计实例 • 思想 • 全对称弹簧设计 • 对称电容设计 • 消除加速度的影响

  25. 陀螺设计实例 • 结果和讨论

  26. 微型惯性测量组合（MIMU） • 陀螺、加速度计和处理电路的组合

  27. 控制功能 Control Fuctions 诊断功能 Diagnostic Fuctions 导向功能 Navigation F uctions 商业汽车 应用 10,000o/Hr 1,000o/Hr 100o/Hr 10o/Hr 战术军事 应用 姿态导向 参考系统 Attitute Heading Refernce System (AHRS) 稳定控制增强系统 Stability Control Augmentation System(SCAS) 短飞行 时间导航 Short TOF Navigation 弹头稳定 Seeker Stabilization 自动驾驶装置 Autopilot 可利用性和 当前发展计划 Availibility & Current Development Schedule 2000 1996 1998 低性能陀螺 IMU应用 IMU阵列

  28. 10,000o/Hr 1,000o/Hr 100o/Hr 10o/Hr 控制功能 Control Fuctions 诊断功能 Diagnostic Fuctions 导向功能 Navigation F uctions 商业汽车 应用 战术军事 应用 姿态导向 参考系统 Attitute Heading Refernce System (AHRS) 稳定控制增强系统 Stability Control Augmentation System(SCAS) 短飞行 时间导航 Short TOF Navigation 弹头稳定 Seeker Stabilization 自动驾驶装置 Autopilot

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