慣導(dǎo)技術(shù)及其應(yīng)用

1、 1、慣導(dǎo)技術(shù)簡(jiǎn)介慣導(dǎo)技術(shù)簡(jiǎn)介 2、加速計(jì)原理加速計(jì)原理 3、陀螺儀陀螺儀原理原理 4、慣導(dǎo)技術(shù)原理小節(jié)慣導(dǎo)技術(shù)原理小節(jié) 5、慣慣導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用篇導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用篇 6、INS與與GPS 導(dǎo)航小站導(dǎo)航小站 慣性導(dǎo)航，是依據(jù)牛頓慣性原理，利慣性導(dǎo)航，是依據(jù)牛頓慣性原理，利 用慣性元件（加速度計(jì)）來(lái)測(cè)量運(yùn)載用慣性元件（加速度計(jì)）來(lái)測(cè)量運(yùn)載 體本身的加速度，經(jīng)過(guò)積分和運(yùn)算得體本身的加速度，經(jīng)過(guò)積分和運(yùn)算得 到速度和位置，從而達(dá)到對(duì)運(yùn)載體導(dǎo)到速度和位置，從而達(dá)到對(duì)運(yùn)載體導(dǎo) 航定位的目的。航定位的目的。 另另一樣重要元件一樣重要元件陀螺儀，在慣性陀螺儀，在慣性 空間中存在空間中存在定軸性；如果在定軸性；如果在飛機(jī)

2、上裝飛機(jī)上裝 上陀螺儀，飛行員就可以通過(guò)軸相對(duì)上陀螺儀，飛行員就可以通過(guò)軸相對(duì) 于機(jī)身的指向來(lái)確定飛機(jī)的空間取向。于機(jī)身的指向來(lái)確定飛機(jī)的空間取向。 石英加速度計(jì)石英加速度計(jì) 陀螺儀陀螺儀 加速度計(jì)的原理簡(jiǎn)介加速度計(jì)的原理簡(jiǎn)介 當(dāng)當(dāng)儀表殼體沿輸入軸作加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，檢測(cè)質(zhì)量因儀表殼體沿輸入軸作加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，檢測(cè)質(zhì)量因 慣性而繞輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)，傳感元件將這一轉(zhuǎn)角變換為電慣性而繞輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)，傳感元件將這一轉(zhuǎn)角變換為電 信號(hào)，經(jīng)放大后饋送到力矩器構(gòu)成閉環(huán)。力矩器產(chǎn)生信號(hào)，經(jīng)放大后饋送到力矩器構(gòu)成閉環(huán)。力矩器產(chǎn)生 的反饋力矩與檢測(cè)質(zhì)量所受到的慣性力矩的反饋力矩與檢測(cè)質(zhì)量所受到的慣性力矩相平衡。相平衡。 輸送到力

3、矩器中的電信號(hào)（電流的大小或單位時(shí)間內(nèi)輸送到力矩器中的電信號(hào)（電流的大小或單位時(shí)間內(nèi) 脈沖數(shù)）就被用來(lái)度量加速度的大小和方向。脈沖數(shù)）就被用來(lái)度量加速度的大小和方向。 液浮式液浮式 陀螺儀原理陀螺儀原理 高速旋轉(zhuǎn)的陀螺高速旋轉(zhuǎn)的陀螺能在細(xì)線或手指上保持能在細(xì)線或手指上保持平平 衡，能衡，能以非常奇妙的方式抵制自以非常奇妙的方式抵制自轉(zhuǎn)軸的運(yùn)轉(zhuǎn)軸的運(yùn) 動(dòng)動(dòng)進(jìn)動(dòng)進(jìn)動(dòng)，這這是陀螺儀抵抗重力的表現(xiàn)。是陀螺儀抵抗重力的表現(xiàn)。 如圖右所示，回轉(zhuǎn)的車輪懸在空中如圖右所示，回轉(zhuǎn)的車輪懸在空中 一般一般情況下，進(jìn)動(dòng)的發(fā)生過(guò)程是：如果有情況下，進(jìn)動(dòng)的發(fā)生過(guò)程是：如果有 一個(gè)陀螺儀正在旋轉(zhuǎn)，而您施力轉(zhuǎn)動(dòng)它的一個(gè)陀螺

4、儀正在旋轉(zhuǎn)，而您施力轉(zhuǎn)動(dòng)它的 自轉(zhuǎn)軸，則陀螺儀反而會(huì)圍繞與力軸成直自轉(zhuǎn)軸，則陀螺儀反而會(huì)圍繞與力軸成直 角的軸轉(zhuǎn)動(dòng)。角的軸轉(zhuǎn)動(dòng)。 圖圖1 1中，陀螺儀正圍繞自己的軸旋轉(zhuǎn)。圖中，陀螺儀正圍繞自己的軸旋轉(zhuǎn)。圖2 2中，施力轉(zhuǎn)中，施力轉(zhuǎn) 動(dòng)陀螺儀的自轉(zhuǎn)軸。圖動(dòng)陀螺儀的自轉(zhuǎn)軸。圖3 3中，陀螺儀沿著與輸入力方向中，陀螺儀沿著與輸入力方向 垂直的軸對(duì)輸入力做出反應(yīng)。垂直的軸對(duì)輸入力做出反應(yīng)。 向輪軸施力時(shí)，標(biāo)示的兩點(diǎn)會(huì)傾向于 朝圖中指示的方向運(yùn)動(dòng)。 兩個(gè)點(diǎn)一邊旋轉(zhuǎn)，一邊繼續(xù)原來(lái)的運(yùn)動(dòng)。 如果在一個(gè)平臺(tái)上裝兩個(gè)如果在一個(gè)平臺(tái)上裝兩個(gè) 陀螺儀，并讓它們的軸互陀螺儀，并讓它們的軸互 成直角，然后把平臺(tái)放入成直

5、角，然后把平臺(tái)放入 一套平衡環(huán)中，那么無(wú)論一套平衡環(huán)中，那么無(wú)論 平衡環(huán)怎樣轉(zhuǎn)動(dòng)，平臺(tái)都平衡環(huán)怎樣轉(zhuǎn)動(dòng)，平臺(tái)都 將完全保持穩(wěn)定。這是將完全保持穩(wěn)定。這是慣慣 性導(dǎo)航系統(tǒng)的性導(dǎo)航系統(tǒng)的基本原理?；驹?。 總的來(lái)說(shuō)，進(jìn)動(dòng)效應(yīng)就是總的來(lái)說(shuō)，進(jìn)動(dòng)效應(yīng)就是 一旦開始旋轉(zhuǎn)陀螺儀，它一旦開始旋轉(zhuǎn)陀螺儀，它 的軸就總是試圖指往同一的軸就總是試圖指往同一 方向。的確，只要將陀螺方向。的確，只要將陀螺 儀放在一套平衡環(huán)中，它儀放在一套平衡環(huán)中，它 就能持續(xù)指向同一方向。就能持續(xù)指向同一方向。 這這兩種敏感元件的兩種敏感元件的組組 合可以使人們掌握物合可以使人們掌握物 體的逼真準(zhǔn)確的體的逼真準(zhǔn)確的3 3維空維空

6、間運(yùn)動(dòng)（姿態(tài)與位間運(yùn)動(dòng)（姿態(tài)與位 置），被廣泛運(yùn)用于置），被廣泛運(yùn)用于 飛行器、船舶、車輛、飛行器、船舶、車輛、 武器炮彈領(lǐng)域，在人武器炮彈領(lǐng)域，在人 們熟悉的手機(jī)、電腦們熟悉的手機(jī)、電腦 游戲中也有它的運(yùn)用。游戲中也有它的運(yùn)用。 如果把加速度計(jì)與陀螺儀分別安裝在如果把加速度計(jì)與陀螺儀分別安裝在x,y,zx,y,z三個(gè)軸三個(gè)軸 上，加速度計(jì)告訴我們運(yùn)動(dòng)物體的直線運(yùn)動(dòng)情況，上，加速度計(jì)告訴我們運(yùn)動(dòng)物體的直線運(yùn)動(dòng)情況， 陀螺儀告訴我們物體轉(zhuǎn)彎或坡度變化情況。陀螺儀告訴我們物體轉(zhuǎn)彎或坡度變化情況。 卡爾斯魯厄理工學(xué)卡爾斯魯厄理工學(xué) 院認(rèn)知系統(tǒng)院認(rèn)知系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)室 的的一個(gè)團(tuán)隊(duì)將普通一個(gè)團(tuán)隊(duì)將普通

7、的針織手套中置入的針織手套中置入 了慣性傳感器、加了慣性傳感器、加 速計(jì)、陀螺儀等先速計(jì)、陀螺儀等先 進(jìn)儀器，一旦有人進(jìn)儀器，一旦有人 戴著它在空中比劃戴著它在空中比劃 某些英文字母、單某些英文字母、單 詞甚至是句子，這詞甚至是句子，這 套系統(tǒng)都可以輕松套系統(tǒng)都可以輕松 識(shí)別出來(lái)。識(shí)別出來(lái)。 第一大用途，導(dǎo)航。第一大用途，導(dǎo)航。 第二大用途，可以和第二大用途，可以和 手機(jī)上的攝像頭配合手機(jī)上的攝像頭配合 使用，比如防使用，比如防抖。抖。 第四大第四大用途，各類游用途，各類游 戲的戲的傳感器。傳感器。 第三大第三大用途，可以用用途，可以用 作輸入設(shè)備作輸入設(shè)備 應(yīng)用水平陀螺儀的功能應(yīng)用水平陀螺儀

8、的功能 遙控直升機(jī)遙控直升機(jī) 慣導(dǎo)（慣導(dǎo)（INS）與）與GPS 純慣導(dǎo)系統(tǒng)是很難的，現(xiàn)在應(yīng)用更多的是組合導(dǎo)航系統(tǒng)，比如熱純慣導(dǎo)系統(tǒng)是很難的，現(xiàn)在應(yīng)用更多的是組合導(dǎo)航系統(tǒng)，比如熱 門的門的GPS+INSGPS+INS。 GPSGPS是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，但在軍事應(yīng)用存是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，但在軍事應(yīng)用存 在易受干擾、動(dòng)態(tài)環(huán)境中可靠性差以及數(shù)據(jù)輸出頻率低等不足。在易受干擾、動(dòng)態(tài)環(huán)境中可靠性差以及數(shù)據(jù)輸出頻率低等不足。 INSINS系統(tǒng)能輸出載體的姿態(tài)和位置信息，完全自主，保密性強(qiáng)，系統(tǒng)能輸出載體的姿態(tài)和位置信息，完全自主，保密性強(qiáng)， 并且機(jī)動(dòng)靈活，具備多功能參數(shù)輸出

9、，但是存在誤差隨時(shí)間迅速并且機(jī)動(dòng)靈活，具備多功能參數(shù)輸出，但是存在誤差隨時(shí)間迅速 積累的問(wèn)題，導(dǎo)航精度隨時(shí)間而發(fā)散，不能單獨(dú)長(zhǎng)時(shí)間工作，必積累的問(wèn)題，導(dǎo)航精度隨時(shí)間而發(fā)散，不能單獨(dú)長(zhǎng)時(shí)間工作，必 須不斷加以校準(zhǔn)。須不斷加以校準(zhǔn)。 將將GPSGPS和和INSINS進(jìn)行組合可以使兩種導(dǎo)航系統(tǒng)取長(zhǎng)補(bǔ)短，構(gòu)成一個(gè)有進(jìn)行組合可以使兩種導(dǎo)航系統(tǒng)取長(zhǎng)補(bǔ)短，構(gòu)成一個(gè)有 機(jī)的整體。機(jī)的整體。 (1)GPS/INS(1)GPS/INS組合改善了系統(tǒng)精度組合改善了系統(tǒng)精度 高精度的高精度的GPSGPS信息可以用來(lái)修正信息可以用來(lái)修正INSINS，控制其誤差隨時(shí)間的積累。，控制其誤差隨時(shí)間的積累。 而利用而利用INS

10、INS短時(shí)間內(nèi)定位精度較高和數(shù)據(jù)采樣率高的特點(diǎn)，可以短時(shí)間內(nèi)定位精度較高和數(shù)據(jù)采樣率高的特點(diǎn)，可以 為為GPSGPS提供輔助信息。提供輔助信息。 (2) GPS/INS(2) GPS/INS組合加強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力組合加強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力 當(dāng)當(dāng)GPSGPS信號(hào)受到高強(qiáng)度干擾，或當(dāng)衛(wèi)星系統(tǒng)接收機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，信號(hào)受到高強(qiáng)度干擾，或當(dāng)衛(wèi)星系統(tǒng)接收機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)， INSINS系統(tǒng)可以獨(dú)立地進(jìn)行導(dǎo)航定位。系統(tǒng)可以獨(dú)立地進(jìn)行導(dǎo)航定位。 (3) GPS(3) GPS向向INSINS接收機(jī)提供有關(guān)的初始位置、初速度等信息接收機(jī)提供有關(guān)的初始位置、初速度等信息 在慣性系統(tǒng)中，物體在勻速直線運(yùn)動(dòng)和靜止時(shí)加速度均為在慣性系統(tǒng)中，物體在勻速直線運(yùn)動(dòng)和靜止時(shí)加速度均為0 0， 如何辨別此時(shí)的速度如何辨別此時(shí)的速度用用GPSGPS。且。且GPSGPS能夠通過(guò)衛(wèi)星向載體能夠通過(guò)衛(wèi)星向載體 提供多樣的環(huán)境信息。提供多樣的環(huán)境信息。