008惯导加速度计与投影

本文解析了惯性导航系统中加速度计的工作原理,详细介绍了如何通过弹簧测量载体加速度,并讨论了在不同参考系下加速度的计算方法及力的投影。

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最近发现好多常见但是生疏的知识点,有时候感觉自己跟pig一样,什么都记不住了。今天写一下惯导中的关于加速度和投影的一部分该记住的东西。

正文

本文延续了一贯的盗图风格,先看下面这个图:
简单加计
不要被这个图的摆设弄迷糊了,就当作这是一个俯视图。当载体向上运动时,质量mmm会向下滑动,从ppp点到xxx点,弹簧也会受到挤压,测得一个力。质量mmm运动的距离记为RpxR_{px}Rpx,弹性系数记为kkk。在认为上述元素为标量的情况下,有:
ma=kRpx ma=kR_{px} ma=kRpx
这样就可测得加速度:
a=kRpxm a=\frac{kR_{px}}{m} a=mkRpx
注意:不考虑摩擦力等等
这是没有考虑参考系的情况,当我们把这个加速度计放进中心在无穷远处的惯性系中,如图所示:
惯性系中的加计
在前面的图中,我们不考虑参考系,又假定运动是一条直线,并且载体只受到运动方向的一个力,所以通过弹簧测得的力可以很容易的将加速度表示出来。
在这个图中,惯性中心III在遥远遥远的地方。此时载体在各个方向的作用力下仍然做垂直向上的运动(注意,安置的加速度计不考虑其与载体的摩擦力)。那么此时质量mmm的加速度就应该表示为:
a⃗Ixi=dR⃗Ixidt \vec{a}^i_{Ix}=\frac{d\vec{R}^{i}_{Ix}}{dt} aIxi=dtdRIxi
接下来要表示加速度与力的关系,因为载体受到的力肯定不会全部是载体运动方向,比如太阳引力、月球引力。所以我们把力投影到敏感轴方向:
(ma⃗Ixi)⋅J⃗=(f⃗+f⃗0)⋅J⃗ (m\vec{a}^i_{Ix})·\vec{J}=(\vec{f}+\vec{f}_0)·\vec{J} (maIxi)J=(f+f0)J
其中f⃗\vec{f}f为弹簧测得的力,这部分力提供的加速度就是我们通常说的比力;f⃗0\vec{f}_0f0表示其他力的合力;JJJ表示敏感轴方向的单位矢量。
这就是本文的重点,这是怎么投影的?想了一下,其实很简单,甚至觉得自己连这个不明白还是有点蠢!!
一贯盗图,这次在盗的图基础上改图,如图所示:
投影
如果我们要求矢量R⃗\vec{R}RXXX轴上的投影该怎么求?不就是:
R⃗x=R⃗cosα \vec{R}_x=\vec{R}cos\alpha Rx=Rcosα
想一想怎么求∣R⃗x∣|\vec{R}_x|Rx
∣R⃗x∣=∣R⃗∣cosα |\vec{R}_x|=|\vec{R}|cos\alpha Rx=Rcosα
那么设XXX轴方向的单位矢量为J⃗\vec{J}J,那么是不是就有:
∣R⃗∣cosα=∣R⃗∣⋅∣J⃗∣⋅cosα=R⃗⋅J⃗=∣R⃗x∣ |\vec{R}|cos\alpha=|\vec{R}|·|\vec{J}|·cos\alpha=\vec{R}·\vec{J}=|\vec{R}_x| Rcosα=RJcosα=RJ=Rx
注意,R⃗⋅J⃗\vec{R}·\vec{J}RJ得到的是一个投影标量!!
抱歉,我只是在写废话!

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