惯导技术及其应用

1、1、惯导技术简介惯导技术简介2、加速计原理加速计原理3、陀螺仪陀螺仪原理原理4、惯导技术原理小节惯导技术原理小节5、惯惯导技术应用篇导技术应用篇6、INS与与GPS导航小站导航小站惯性导航，是依据牛顿惯性原理，利惯性导航，是依据牛顿惯性原理，利用惯性元件（加速度计）来测量运载用惯性元件（加速度计）来测量运载体本身的加速度，经过积分和运算得体本身的加速度，经过积分和运算得到速度和位置，从而达到对运载体导到速度和位置，从而达到对运载体导航定位的目的。航定位的目的。另另一样重要元件一样重要元件陀螺仪，在惯性陀螺仪，在惯性空间中存在空间中存在定轴性；如果在定轴性；如果在飞机上装飞机上装上陀螺仪，飞行员

2、就可以通过轴相对上陀螺仪，飞行员就可以通过轴相对于机身的指向来确定飞机的空间取向。于机身的指向来确定飞机的空间取向。 石英加速度计石英加速度计陀螺仪陀螺仪加速度计的原理简介加速度计的原理简介 当当仪表壳体沿输入轴作加速运动时，检测质量因仪表壳体沿输入轴作加速运动时，检测质量因惯性而绕输出轴转动，传感元件将这一转角变换为电惯性而绕输出轴转动，传感元件将这一转角变换为电信号，经放大后馈送到力矩器构成闭环。力矩器产生信号，经放大后馈送到力矩器构成闭环。力矩器产生的反馈力矩与检测质量所受到的惯性力矩的反馈力矩与检测质量所受到的惯性力矩相平衡。相平衡。输送到力矩器中的电信号（电流的大小或单位时间内输送到

3、力矩器中的电信号（电流的大小或单位时间内脉冲数）就被用来度量加速度的大小和方向。脉冲数）就被用来度量加速度的大小和方向。液浮式液浮式陀螺仪原理陀螺仪原理高速旋转的陀螺高速旋转的陀螺能在细线或手指上保持能在细线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转轴的运转轴的运动动进动进动，这这是陀螺仪抵抗重力的表现。是陀螺仪抵抗重力的表现。如图右所示，回转的车轮悬在空中如图右所示，回转的车轮悬在空中一般一般情况下，进动的发生过程是：如果有情况下，进动的发生过程是：如果有一个陀螺仪正在旋转，而您施力转动它的一个陀螺仪正在旋转，而您施力转动它的自转轴，则陀螺仪反而会围绕与力轴成

4、直自转轴，则陀螺仪反而会围绕与力轴成直角的轴转动。角的轴转动。图图1 1中，陀螺仪正围绕自己的轴旋转。图中，陀螺仪正围绕自己的轴旋转。图2 2中，施力转中，施力转动陀螺仪的自转轴。图动陀螺仪的自转轴。图3 3中，陀螺仪沿着与输入力方向中，陀螺仪沿着与输入力方向垂直的轴对输入力做出反应。垂直的轴对输入力做出反应。向轮轴施力时，标示的两点会倾向于朝图中指示的方向运动。两个点一边旋转，一边继续原来的运动。如果在一个平台上装两个如果在一个平台上装两个陀螺仪，并让它们的轴互陀螺仪，并让它们的轴互成直角，然后把平台放入成直角，然后把平台放入一套平衡环中，那么无论一套平衡环中，那么无论平衡环怎样转动，平台都

5、平衡环怎样转动，平台都将完全保持稳定。这是将完全保持稳定。这是惯惯性导航系统的性导航系统的基本原理。基本原理。总的来说，进动效应就是总的来说，进动效应就是一旦开始旋转陀螺仪，它一旦开始旋转陀螺仪，它的轴就总是试图指往同一的轴就总是试图指往同一方向。的确，只要将陀螺方向。的确，只要将陀螺仪放在一套平衡环中，它仪放在一套平衡环中，它就能持续指向同一方向。就能持续指向同一方向。这这两种敏感元件的两种敏感元件的组组合可以使人们掌握物合可以使人们掌握物体的逼真准确的体的逼真准确的3 3维空维空间运动（姿态与位间运动（姿态与位置），被广泛运用于置），被广泛运用于飞行器、船舶、车辆、飞行器、船舶、车辆、武器

6、炮弹领域，在人武器炮弹领域，在人们熟悉的手机、电脑们熟悉的手机、电脑游戏中也有它的运用。游戏中也有它的运用。如果把加速度计与陀螺仪分别安装在如果把加速度计与陀螺仪分别安装在x,y,zx,y,z三个轴三个轴上，加速度计告诉我们运动物体的直线运动情况，上，加速度计告诉我们运动物体的直线运动情况，陀螺仪告诉我们物体转弯或坡度变化情况。陀螺仪告诉我们物体转弯或坡度变化情况。卡尔斯鲁厄理工学卡尔斯鲁厄理工学院认知系统院认知系统实验室实验室的的一个团队将普通一个团队将普通的针织手套中置入的针织手套中置入了惯性传感器、加了惯性传感器、加速计、陀螺仪等先速计、陀螺仪等先进仪器，一旦有人进仪器，一旦有人戴着它在

7、空中比划戴着它在空中比划某些英文字母、单某些英文字母、单词甚至是句子，这词甚至是句子，这套系统都可以轻松套系统都可以轻松识别出来。识别出来。第一大用途，导航。第一大用途，导航。第二大用途，可以和第二大用途，可以和手机上的摄像头配合手机上的摄像头配合使用，比如防使用，比如防抖。抖。第四大第四大用途，各类游用途，各类游戏的戏的传感器。传感器。第三大第三大用途，可以用用途，可以用作输入设备作输入设备应用水平陀螺仪的功能应用水平陀螺仪的功能遥控直升机遥控直升机惯导（惯导（INS）与）与GPS纯惯导系统是很难的，现在应用更多的是组合导航系统，比如热纯惯导系统是很难的，现在应用更多的是组合导航系统，比如热

8、门的门的GPS+INSGPS+INS。GPSGPS是当前应用最为广泛的卫星导航定位系统，但在军事应用存是当前应用最为广泛的卫星导航定位系统，但在军事应用存在易受干扰、动态环境中可靠性差以及数据输出频率低等不足。在易受干扰、动态环境中可靠性差以及数据输出频率低等不足。INSINS系统能输出载体的姿态和位置信息，完全自主，保密性强，系统能输出载体的姿态和位置信息，完全自主，保密性强，并且机动灵活，具备多功能参数输出，但是存在误差随时间迅速并且机动灵活，具备多功能参数输出，但是存在误差随时间迅速积累的问题，导航精度随时间而发散，不能单独长时间工作，必积累的问题，导航精度随时间而发散，不能单独长时间工

9、作，必须不断加以校准。须不断加以校准。将将GPSGPS和和INSINS进行组合可以使两种导航系统取长补短，构成一个有进行组合可以使两种导航系统取长补短，构成一个有机的整体。机的整体。(1)GPS/INS(1)GPS/INS组合改善了系统精度组合改善了系统精度高精度的高精度的GPSGPS信息可以用来修正信息可以用来修正INSINS，控制其误差随时间的积累。，控制其误差随时间的积累。而利用而利用INSINS短时间内定位精度较高和数据采样率高的特点，可以短时间内定位精度较高和数据采样率高的特点，可以为为GPSGPS提供辅助信息。提供辅助信息。 (2) GPS/INS(2) GPS/INS组合加强了系

10、统的抗干扰能力组合加强了系统的抗干扰能力当当GPSGPS信号受到高强度干扰，或当卫星系统接收机出现故障时，信号受到高强度干扰，或当卫星系统接收机出现故障时，INSINS系统可以独立地进行导航定位。系统可以独立地进行导航定位。(3) GPS(3) GPS向向INSINS接收机提供有关的初始位置、初速度等信息接收机提供有关的初始位置、初速度等信息在惯性系统中，物体在匀速直线运动和静止时加速度均为在惯性系统中，物体在匀速直线运动和静止时加速度均为0 0，如何辨别此时的速度如何辨别此时的速度用用GPSGPS。且。且GPSGPS能够通过卫星向载体能够通过卫星向载体提供多样的环境信息。提供多样的环境信息。 然