BB雷电pk 对惯性导航系统和技术的全面解释,您只需要了解这一点即可!

日期:2021-03-15 05:22:14 浏览量: 163

惯性导航系统(INS,InertialNavigationSystem)是一种自主导航系统,它使用惯性敏感设备,参考方向和初始位置信息来确定载体在惯性空间中的位置,方向和速度,也称为惯性导航。

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惯性导航技术的发展历史

第一代惯性导航技术是指1930年以前的惯性技术,为整个惯性导航的发展奠定了基础。牛顿的三个定律成为惯性导航理论。

第二代惯性技术始于1940年代火箭的发展初期,其研究内容已从惯性仪器技术的发展扩展到了惯性导航系统的应用。

在1970年代初,第三代惯性技术的发展阶段出现了一些新型的陀螺仪,加速度计和相应的惯性导航系统。研究目标是进一步提高INS的性能,并通过多种技术方法来促进和应用惯性。技术。

当前,惯性技术处于第四代开发阶段,其目标是实现具有高精度,高可靠性,低成本,小型化,数字化和广泛应用的导航系统。

例如,随着量子传感技术的飞速发展,在惯性导航技术中,具有原子核磁共振特性的微型核磁共振陀螺仪惯性测量装置具有高精度惯性导航 陀螺,小尺寸,纯固态的特点。对加速度不敏感。优势已成为新一代陀螺仪的热门研究方向之一。

惯性导航的组成

惯性导航包括两个部分:惯性测量单元(IMU)和计算单元。通过IMU感知物体方向和姿势的变化信息,然后通过各种转换和补偿计算获得更准确的信息。例如,检测对象的初始位置,初始方向惯性导航 陀螺,初始姿势以及随后的方向和角度变化亚博网页版 ,然后将这些信息加在一起以计算对象的当前方向和位置。

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IMU主要由加速度计和陀螺仪组成,可以实时检测物体的重心方向,俯仰角电竞赛事竞猜 ,偏航角等信息。如果还添加诸如电子罗盘和气压计之类的传感器,IMU测量信息的数量和准确性也可以相应提高。

计算单元主要由姿态计算单元,积分单元和误差补偿单元三部分组成。

惯性导航的工作原理

惯性导航的目的是实现自主导航,即它不依赖于外部信息,包括卫星信号,北极导航等。那么如何实现惯性呢?

惯性导航的核心原理是:它根据过去的轨迹来计算当前位置。它的工作技术原理无非是以下三个基本公式:距离=速度×时间,速度=加速度×时间,角度=角速度×时间。

首先,检查(或设置)初始信息,包括初始位置,初始方向,初始姿势等。

然后,使用IMU始终检测对象运动的变化信息。其中,加速度计使用a = F / M原理测量加速度,测量对象的线性加速度,然后将其乘以时间以获得速度,然后乘以时间以获得位移,从而确定对象的位置;陀螺仪在测量物体速度的角度时,以物体的初始位置为初始条件,对角速度进行积分,从而始终获得物体的当前方向。还有一个电子罗盘,可以在水平位置确认物体的方向。这三个传感器可以相互校准以获得更准确的姿势参数。

最后,通过计算单元实现姿态解,加速度积分,位置计算和误差补偿,最终获得准确的导航信息。

此外,让我们谈谈惯性导航如何通过坐标系模型实现定位吗?

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在日常生活中,我们都使用坐标来定位。二维定位是x轴和y轴,而三维定位是正z轴。通过x轴,y轴和z轴的坐标系模型,传感器可以测量每个轴的线性运动和围绕每个轴的旋转运动。

但是在惯性导航的实际应用中,惯性测量装置直接安装在移动的载体上,因此惯性装置测得的角速度和加速度在载体的运动坐标系即传感器中都是量值根据对象的固定坐标系(也称为地理坐标系)获取数据,但是我们将地球坐标系用于日常定位,因此如何将测得的固定坐标系数据转换为地球坐标系数据是惯性的导航的第一步。

这时,有必要引入第三方来实现坐标系转换,即相对静止的惯性坐标系-地心惯性系。

以地球为中心的惯性系统:一个右手坐标系,由地球的地球中心作为原点,将地球的中心连接到春分点的线和X轴和Y轴的分点组成, Z轴是地球到北极的旋转轴。因为春分点和秋分点不是地球表面上的两个固定点,而是地球所属的宇宙中的两个固定点(因为赤道平面和黄道平面是固定平面)。因此,春分点和秋分点不会由于地球的旋转而运动,因此地心惯性系统是相对静态的,不会随着地球的旋转而运动。

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地球坐标系:也以地球中心为原点,x轴穿过本初子午线(经度0度)与赤道的交点,z轴指向地球的北极旋转轴,而xyz轴是右手系统。显然,x轴随着地球的旋转而移动,因此地球坐标系相对移动,并且将随着地球的旋转而移动。

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地理坐标系:以载体的中心(下图中的P)作为坐标的原点,x轴指向真正的东方方向,y轴指向真正的北方方向,并且Z轴垂直指向天空。地理坐标系将随着载体的移动而移动。

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当载体行进到地球上P点的位置时,对应的地球坐标是什么?如何旋转地理坐标系以使其与地球坐标系重合?也就是说,如何实现两者之间的转换?

实际上,它是通过一系列复杂的数字运算,简单来说,是通过相应的旋转矩阵来实现两个坐标系之间的旋转变换。

惯性导航系统的主要优点

1、完全依靠运动载体自主完成导航任务幸运七星 ,不依赖任何外部输入信息,也不输出信息的自治系统,因此具有极高的抗干扰性和隐蔽性;

2、不受天气条件的限制,并且可以全天候,全天候,全地域工作。惯性导航系统不需要特定的时间或地理因素,可以随时随地运行;

3、提供了许多参数,例如GPS卫星导航,它只能提供位置,方向和速度信息,而惯性导航也可以同时提供姿态和航向信息;

4、导航信息更新率高,短期精度和稳定性也好。当前常见的GPS更新速率是每秒1次,但惯性导航可以达到每秒数百次甚至更高。

惯性导航系统的主要缺点

1、导航错误随时间而变化。由于导航信息是通过积分计算生成的,因此定位误差会随着时间的流逝而增加,长期积累会导致精度下降;

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2、每次使用之前,需要更长的初始对齐时间。惯性导航需要初始对准,这很复杂并且需要很长时间;

3、无法提供时间信息;

4、精确的惯性导航系统很昂贵,通常在几十到几百万之间。

惯性导航的分类

从结构上看,惯性导航可分为两类:平台惯性导航系统和捷联惯性导航系统。

平台式惯性导航系统具有物理平台。陀螺仪和加速度计放在由陀螺仪确定的平台上。该平台跟踪导航坐标系以实现速度和位置计算。姿态数据直接从平台“环形框架”中获取。

因为平台式惯性导航系统框架可以隔离移动中的载体的角振动,所以仪器的工作条件更好pc28蛋蛋 ,原始测量值的采集准确,平台可以直接建立导航坐标系,计算量小,易于补偿和校正仪器的输出,但结构复杂,体积大,成本高,可靠性差。

捷联惯性导航系统没有物理平台。陀螺仪和加速度计直接固定并安装在运动支架上。本质上,陀螺仪计算出一个虚拟惯性平台,然后将加速度计的测量结果旋转到。在该虚拟平台上,计算出导航参数。

捷联惯性导航系统结构简单,体积小,易于维护,但陀螺仪和加速度计的工作条件不佳,所采集元件原始测量值的准确性为低的。同时,捷联惯性导航加速度计输出载体坐标系的加速度分量亚博全站 ,需要由计算机将其转换为导航坐标系的加速度分量。计算量大,并且易于生成导航解决方案的校正,开始和布置转换。附加错误。一般而言,捷联惯性导航的精度比平台惯性导航低,但可靠性更高,易于实现,成本更低。它是目前民用惯性导航的主流技术。

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惯性导航的主要应用

惯性导航产业最早开始于军事应用,例如航空航天,航空,制导武器,舰船,战斗机等领域。随着电子技术的发展和商业价值的挖掘,惯性导航技术的应用已扩展到车辆导航和轨道交通。 ,隧道,消防定位,室内定位和其他民用领域,甚至在无人机,自动驾驶和便携式定位终端(例如智能电话,儿童/老人定位跟踪器等)中也得到广泛使用。

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惯性导航系统为移动的载具提供位置,速度,姿态(航向角,俯仰角,侧倾角)和其他信息。不同的应用领域对惯性部件的性能和惯性导航的精度有不同的要求。

从精度的角度来看,航空航天和轨道交通领域对实时定位精度和连续工作时间长有很高的要求;从系统寿命的角度来看,卫星和空间站等航天器的要求最高,因为它们是在发射后发射的,无法更换或修理。它涉及军事应用和其他要求高可靠性的领域;对于民用应用,例如车辆导航,室内定位,无人机,自动驾驶和其他应用,惯性导航系统要求具有较高的性价比。

通常来说,由于惯性导航系统的累积误差和初始校准的先决条件,因此不能单独使用它,而只能将其用作其他主要定位和导航技术(例如GNSS定位,UWB定位, WLAN定位,地磁定位等))。例如,在GPS导航过程中,当GPS信号丢失时,车辆可以使用自己的加速度和陀螺仪进行惯性导航。

因此,有必要根据特定的行业应用需求选择惯性导航组件和导航算法。

本文引用了以下由Sensor Expert Network编辑和发布的文章:

“惯性导航系统原理”,作者Tecyle;

“惯性导航系统简介”,作者lynn;

“惯性导航系统简介”,作者小月大师。