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1、惯性导航惯性导航系统惯性导航目录一、惯性导航技术的发展历史二、惯性传感器的最新发展现状三、惯导系统的分类四、惯性技术的应用 五、惯性导航发展趋势惯性导航一、惯性导航技术的发展历史惯性导航系统是随着惯性传感器（陀螺仪和加速度计）技术的发展而发展起来的一门导航技术，由于其完全自主、不受任何干扰、隐蔽性强、输出信息量大、输出信息实时性强等优点，使其在军事领域和许多民用领域都得到了广泛的应用，已被许多机种选为标准导航设备或必装导航设备。图1.3 汽车弹图1.2 四旋翼飞行器弹图3.1 导弹弹惯性导航一、惯性导航技术的发展历史 惯性导航是一门涉及精密机械、计算机技术、微电子、光学、自动控制、材料等多种学

2、科和领域的综合技术。由于陀螺仪是惯性导航的核心部件，因此，可以按各种类型陀螺出现的先后、理论的建立和新型传感器制造技术的出现，将惯性技术的发展划分为四代。图1.4 陀螺仪弹惯性导航一、惯性导航技术的发展历史图1.5 惯导技术发展历史惯性导航二、惯性传感器的最新发展现状2.1陀螺仪 定义：传统意义上的陀螺仪是安装在框架中绕回转体的对称轴高速旋转的物体。现在习惯上把能够完成陀螺功能的装置统称为陀螺。分类：按陀螺转子主轴所具有的进动自由度数目可分为二自由度陀螺仪和单自由度陀螺仪；按支承系统可分为滚珠轴承支承陀螺，液浮、气浮与磁浮陀螺，挠性陀螺（动力调谐式挠性陀螺仪），静电陀螺；按物理原理分为利用高速

3、旋转体物理特性工作的转子式陀螺，和利用其他物理原理工作的半球谐振陀螺、微机械陀螺、环形激光陀螺和光纤陀螺等。惯性导航二、惯性传感器的最新发展现状激光陀螺 环形激光陀螺（RLG）利用光程差的原理来测量角速度。近十几年来，激光陀螺已经发展十分成熟，新型激光陀螺研究（包括一些关于机械抖动激光陀螺和四频差动激光陀螺的技术改进）的主要成果是在激光陀螺的小型化、工程化和新型化等方面取得的进展。一些具有代表性的激光陀螺性能指标列于表1。图2.1 激光陀螺仪弹惯性导航二、惯性传感器的最新发展现状表1 RLG的最新发展弹惯性导航二、惯性传感器的最新发展现状 光纤陀螺（Fiber Optical Gyro，FOG

4、）使用与环形激光陀螺相同的基本原理 为激光回路，可看作是第二代激光陀螺。由于光纤可以进行绕制，因此光纤陀螺中激光回路的长度比环形激光陀螺大大增加，使得检测灵敏度和分辨率也提高了几个数量级，从而有效地克服了环形激光陀螺的闭锁问题。光纤陀螺的主要优点在于高可靠性、长寿命、快速启动、耐冲击和振动、对重力 g 不敏感、大动态范围等。目前光纤陀螺的精度已可达到0.0002/h18，同时从上世纪90年代起，0.1/h的中精度干涉型光纤陀螺IFOG 已投入批量生产。光纤陀螺技术领域，美国在理论、测量技术和光纤元器件开发上领先的单位是斯坦福大学和MIT。惯性导航二、惯性传感器的最新发展现状 国外微机械陀螺研究

5、开始于20 世纪80 年代初。主要研制公司有：美国Sperry、Draper 实验室、通用电器和Watson。其中通用电器已大量生产用于A-10 飞机增稳系统的VYRO 压电振动陀螺。有些国外公司还研究出了微机电惯性测量组件，在一个极小的空间内集成了3 轴陀螺仪和3 轴加速度计，实现完整的惯性测量。Rockwell 公司在研制中的高级战术MIMU，其精度与动态范围均有大幅提高，动态范围超过10 g，可被用于战术武器中；基于隧道电流原理的微机械陀螺仪，分辨率可达1/h。惯性导航二、惯性传感器的最新发展现状2.2加速度计 加速度计是用来感测运动载体沿一定方向的比力的惯性器件。加速度计的分类：按照输

6、入与输出的关系可分为普通型、积分性和二次积分型；按物理原理可分为摆式和非摆式，摆式加速度计包括摆式积分加速度计、液浮摆式加速度计和挠性摆式加速度计，非摆式加速度计包括振梁加速度计和静电加速度计；按测量的自由度可分为单轴、双轴、三轴；按测量精度可分为高精度、中精度、低精度。图2.2 加速度计弹惯性导航二、惯性传感器的最新发展现状图2.3 加速度计一般结构弹惯性导航二、惯性传感器的最新发展现状图2.4 重锤式加速度计弹惯性导航三、惯导系统的分类3.1平台式惯导系统将陀螺仪和加速度等惯性元件通过万向支架角运动隔离系统与运动载物固联的惯性导航系统。早期的惯导系统由于采用了机械式精密稳定平台，被称为平台

7、式惯导系统，它不仅体积大、重量重、可靠性低、维护复杂、费用昂贵，而且系统性能还受到机械结构的复杂性和极限精度的制约。图3.1 惯导平台弹惯性导航三、惯导系统的分类3.2捷联式惯导系统捷联惯导系统（SINS）是在平台式惯导系统基础上发展而来的，计算机的发展，激光陀螺仪技术的成熟，使捷联惯导系统逐步取代了平台惯导系统。捷联惯导系统除了具有结构简单 成本低 体积重量小 准备时间短 MTBF长等优点捷联惯导系统采用数学平台，即在计算机中实时计算出姿态矩阵，建立起数学平台，姿态更新计算，导航计算是捷联惯导系统的算法核心，也是影响其精度的主要因素。传统的姿态更新算法有欧拉角法，方向余弦法和四元数法，其中四

8、元数法算法简单、计算量小，因而在工程实际中经常采用，由于刚体转动的不可交换性，在姿态更新计算中，不可避免地引入了不可交换误差，但这种误差属于算法误差，因此它是能够通过算法的改进而得以减小的。惯性导航几种姿态结算是重点惯性导航三、惯导系统的分类Bortz 和 Jordon 最早提出了等效旋转矢量概念用于陀螺输出不可交换误差的修正，从而在理论上解决了不可交换误差的补偿问题，其后的研究就主要集中在旋转矢量的求解上，根据在相同姿态更新周期内，对陀螺角增量等间隔采样数的不同、有双子样算法、三子样算法等。为减少计算量 Gilmore 提出了等效旋转矢量双回路迭代算法Miller 讨论了在纯锥运动环境下等效

9、旋转矢量的三子样优化算法，此后，在 Miller 理论的基础上 Jang G.Lee 和 Yong J.Yoon 对等效旋转矢量的四子样优化算法进行了研究。Y.F.Jiang 对利用陀螺的角增量及前一更新周期采样值的算法进行了研究，研究结果表明，采样阶数越高，更新速率越快，姿态更新算法的误差就越小。Musoff 提出了圆锥补偿算法的优化指标，分析了圆锥补偿后的算法误差与补偿周期幂次 r 的关系。这些理论研究奠定了姿态更新算法的经典理论基础。惯性导航三、惯导系统的分类3.3组合导航系统目前应用较多的组合方式有，地形辅助/INS、多普勒/INS、INS/GPS导航系统、INS/天文导航系统等，其中

10、以 GPS/INS 组成的组合导航系统最为瞩目，GPS 等外部基准信息成功的引入，可以随时修正惯导系统随时间积累的误差，放宽对惯性器件苛刻的精度要求。在组合导航导航系统的发展过程中，现代控制理论奠基人之一Kalman,R.E 提出的卡尔曼滤波理论起了决定性作用，为组合导航系统提供了重要理论基础。惯性导航四、惯性技术的应用 INS 是一种自主的、不对外辐射信号、不受外界干扰的导航系统，它以适宜的方式满足用户的导航需求。随着在军用和商业等领域导航需求的增长，惯性导航技术不断拓展新的应用领域。其范围已由原来的舰艇、船舶、航空飞行器、陆地车辆等，扩展到航天飞机、星际探测、制导武器、大地测量、资源勘测、

11、地球物理测量、海洋探测、铁路、隧道等方面，甚至在机器人、摄像机、儿童玩具中也被广泛应用。不同领域使用惯性传感器的目的、方法大致相同，但对器件性能要求的侧重各不相同。从精度方面来看，航天与航海领域对精度要求高，其连续工作时间也长；从系统寿命来看，卫星、空间站等航天器要求最高，因其发射升空后不可更换或维修；制导武器对系统寿命要求最短，但可能须要满足长时间战备的要求。涉及到军事应用等领域，对可靠性要求较高。惯性导航四、惯性技术的应用 4.1捷联惯导的采煤机动态定位针对采煤机定位是三维体定位的情况,运用捷联惯导系统中三轴加速度计和陀螺仪对采煤机的实时线性加速度和实时角速度进行测量,得到采煤机在载体坐标

12、系下的加速度和角速度。由于在载体坐标系下不能直接进行定位计算,故进行坐标变换,构建了采煤机在惯性坐标系中的导航方程,通过对加速度和角速度进行积分运算,获得采煤机位置和姿态数据。图4.1 捷联惯导的采煤机动态定位惯性导航四、惯性技术的应用 4.2室内定位位置信息在人的日常生活和工作中发挥着巨大的作用。在陌生的环境中，定位导航技术能够为用户提供便捷的服务。随着移动通信技术的发展，基于位置服务(location based service,LBS)的应用越来越受人们欢迎。LBS通过运营商的无线网络、GPS、或者其它定位方式获得移动终端用户的地理位置信息，然用利用该信息为用户提供相应的服务。LBS具有

13、巨大的商业价值，前景十分广阔，在电子商务、生活、社交、休闲娱乐等方面发挥着重大作用。（1）红外定位技术（2）蓝牙定位技术（3）ZigBee定位技术（4）WIFI定位技术（5）惯性传感器定位技术惯性导航四、惯性技术的应用 通过使用智能手机中的加速度传感器来测量行走的步长和步数，方向传感器测量行走的角度。在用户行走的路径上布设NFC标签，触碰NFC标签来对用户当前所在的位置进行校正，将这三种传感器结合起来，形成了基于多传感器的导航定位流程图。4.2 NFC+惯导系图统结构图 惯性导航五、惯性导航发展趋势5.1惯性测量传感器的发展趋势惯性测量传感器的发展须要权衡以下几个因素：精确性、连续性、可靠性、

14、成本、体积/重量、功耗。5.1 惯性传感器考虑因素 惯性导航五、惯性导航发展趋势5.2惯性导航系统发展方向惯性导航系统发展方向：必须针对并满足应用的需求 实际的应用环境是最大的挑战 提高惯性导航系统的通用性，拓展应用领域。惯性导航系统发展和技术进步呈现以下特点：在无法接收GNSS信号或需要高度导航可靠性的应用场合，高性能的自主INS仍具有不可替代 的作用；GNSS技术的快速发展和进步，将取代部分传统的INS应用领域；INS与其他多种导航手段组合，尤其是GNSS/INS组合导航系统，受到普遍关注；地面车辆导航等民用市场发展迅速，价格低廉的一体化、小型化、多模式组合导航设备成为市场发展的三个重要方向。