第三章光学惯性测量装置
imu和odo的工作原理
imu和odo的工作原理标题：IMU和ODO的工作原理探究引言：惯性测量单元（IMU）和轮式里程计（ODO）是现代导航系统中常用的传感器装置，它们在定位、导航和姿态控制等方面发挥着重要的作用。
本文将详细介绍IMU和ODO的工作原理，包括其原理、结构和应用。
通过深入了解IMU和ODO，我们可以更好地理解这些技术的优点和局限性，并为未来的导航系统设计和发展提供指导。
第一部分：IMU的工作原理1.1 加速度计加速度计是IMU中的重要组成部分，它通过测量物体的加速度来确定其运动状态。
加速度计基于牛顿第二定律，通过测量物体在三个轴向上的加速度来推断物体的位移。
常见的加速度计主要包括压电和微机电系统（MEMS）传感器。
压电加速度计使用压电材料产生电荷，而MEMS加速度计则利用微机电系统的微小结构测量变形来判断加速度变化。
1.2 陀螺仪陀螺仪是IMU中另一个重要的传感器，它通过测量物体在旋转方向上的角速度来确定其姿态变化。
陀螺仪根据角动量守恒定律，通过测量物体在三个轴向的旋转角速度来计算物体的姿态。
常见的陀螺仪主要包括机械陀螺仪和MEMS陀螺仪。
机械陀螺仪利用陀螺效应实现测量，而MEMS陀螺仪使用微小结构对角速度进行测量。
1.3 磁力计磁力计是IMU中的另一个重要传感器，它通过测量地磁场的变化来确定物体的方向。
磁力计利用霍尔效应或磁电阻效应测量物体周围的磁场强度，并通过与地磁场进行比较来确定物体的方向。
由于磁场受到外界干扰较大（如电气设备和金属结构等），磁力计常常与加速度计和陀螺仪结合使用，以提高方向测量的准确性。
第二部分：ODO的工作原理2.1 轮子编码器轮子编码器是ODO中的核心传感器，它通过对轮子旋转的测量来计算物体的位移。
轮子编码器通常由光学编码器或磁编码器组成。
光学编码器利用光学读取单元和编码盘上的刻线进行测量，而磁编码器则利用磁性读取单元和磁性编码盘进行测量。
轮子编码器可以准确地测量轮子的旋转次数和方向，进而计算出物体的位移。
imu 光纤陀螺 关系
imu 光纤陀螺关系imu 光纤陀螺关系imu 简介•imu （Inertial Measurement Unit）是指惯性测量单元，是一种集成了加速度计、陀螺仪和磁力计等多种惯性传感器的装置。
光纤陀螺简介•光纤陀螺（Fiber Optic Gyroscope）是一种利用光学效应测量旋转角速度的装置，其原理基于Sagnac效应。
imu 和光纤陀螺的关系•imu 和光纤陀螺都是用于测量物体的角速度的装置，但其原理和工作方式有所不同。
imu 的原理1.加速度计通过测量物体的加速度来计算出物体的角速度。
2.陀螺仪通过测量物体绕着特定轴线旋转时的力矩来计算出物体的角速度。
3.磁力计通过测量物体周围的磁场来计算出物体的方向。
光纤陀螺的原理1.光纤陀螺利用了光在光纤中的传播速度和方向的特性，通过测量光信号的干涉效应来计算出物体的角速度。
2.光纤陀螺使用一个环形的光纤来形成光路，光信号在光纤中传播时会因为物体的旋转而发生位移，从而产生光信号的干涉效应。
3.通过测量干涉效应的变化，可以计算出物体绕特定轴线旋转的角速度。
imu 和光纤陀螺的应用领域•imu 在航空航天、导航、机器人、虚拟现实等领域有广泛应用，可以提供姿态测量、运动跟踪等功能。
•光纤陀螺主要应用于惯性导航、地质勘探、航空航天等领域，可以提供高精度的角速度测量。
结论•imu 和光纤陀螺都是用于测量物体的角速度的装置，但其原理和工作方式不同。
•imu 主要通过加速度计、陀螺仪和磁力计等传感器来测量角速度。
•光纤陀螺则利用光纤的干涉效应来测量角速度。
•这两种装置在航空航天、导航、机器人等领域具有重要的应用价值。
imu 和光纤陀螺的优缺点比较imu 的优点•成本较低，较为常见且易于获取。
•可以同时测量加速度和角速度，提供更全面的运动信息。
•适用于一般精度要求的应用，如姿态解算、运动跟踪等。
imu 的缺点•精度相对较低，受到器件的噪声和漂移等影响。
•需要进行校准和陀螺仪漂移补偿，以保持高精度。
光学惯性测量与导航系统--关键惯性器件 ppt课件
ID ED 2 pp2t课I件(1 cos)
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2.1 光学陀螺概述
光学陀螺的理论基础是：Sagnac效应
I KI 0 (1 cos(s))
光的相位差不能直接测量，可以测量的是光功率或频
率差。
ppt课件
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2.1 光学陀螺概述
光学陀螺的理论基础是：Sagnac效应
2.1 光学陀螺概述
激光陀螺研制和生产现状
目前世界上研制和生产激光陀螺的国家主要有美、英、德、法、日本 和俄罗斯。美国的霍尼韦尔和利顿公司最具实力，特别是霍尼韦尔公 司代表着全世界激光陀螺技术的最高水平，世界上激光陀螺主要来自 霍尼韦尔公司，其次有部分产品来自利顿公司。
激光陀螺的发展史 一、研究起步阶段 1897年英国物理学家洛奇提出了光学陀螺的概念 1913年Sagnac论证了光学陀螺的工作原理及基本效应 1960年激光问世 1963年美国斯佩里公司宣布他们用环形行波激光器感测
旋转速率获得成功，研制出第一台激光陀螺实验装置
ppt课件
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2.1 光学陀螺概述
二、重大突破阶段
1965-1974年，世界各研究单位埋头解决激光陀螺固有的闭锁效应 以及零漂误差等难题，解决了许多关键技术
1975年霍尼韦尔公司取得巨大突破，研制出实用的激光陀螺 三、实用阶段
1978年霍尼韦尔公司的激光陀螺开始小批量生产
1982年霍尼韦尔公司的ARINC704激光陀螺惯性基准系统正式投入 民航使用；至1983年9月，霍尼韦尔公司为波音公司研制的激光陀螺 惯性基准装置已有216套，飞行时间长达50万小时
大于 2R，它的值为： Lcw 2R Rtcw ccw tcw
IMU惯性测量单元
IMU惯性测量单元【IMU惯性测量单元简单介绍】（英文：Inertial measurement unit，简称IMU）是测量物体三轴姿态角(或角速率)以及加速度的装置。
一般的，一个IMU包含了三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺，加速度计检测物体在载体坐标系统独立三轴的加速度信号，而陀螺检测载体相对于导航坐标系的角速度信号，测量物体在三维空间中的角速度和加速度，并以此解算出物体的姿态。
在导航中用着很重要的应用价值。
为了提高可靠性，还可以为每个轴配备更多的传感器。
一般而言IMU要安装在被测物体的重心上。
【IMU惯性测量装置的工作原理】IMU惯性测量装置属于捷联式惯导，该系统有两个加速度传感器与三个方向的角速率传感器（陀螺）组成。
以当地水平指北系统为例，惯性平台始终保持地平坐标系,安装在平台上的3个互相正交的加速度计分别测出沿东西、南北和垂直方向的加速度分量,并输入计算机。
在消除加速度计误差、重力加速度和由于地球自转产生的科里奥利加速度影响后，得出运载体相对地平坐标系的位移加速度分量,再就t（从起始点到待测点的时间）进行两次积分，并考虑初始速度值，就可解算出相对前一起始点的坐标变化量，同相应起始点的经度λ0、纬度0和高程h0累加，就得到待定点的坐标。
电子计算机除了用观测数据计算点位坐标外，还根据一次积分后的速度分量和已知地球参数（仪器所在点的地球子午圈和卯酉圈曲率半径M和N，地球自转角速度ω），连续计算控制惯性平台的力矩信号W、W 和W，以便实时跟踪所选定的地平坐标系。
垂直加速度计的输出信号，实际是运载体垂直加速度与当地的重力加速度之和。
当运载体停止时，它的垂直加速度为零,这时从中消除非重力加速度之后,就得到当地的重力加速度。
运载体在运动过程中，由计算机通过陀螺仪控制惯性平台，不断地按参考椭球面的曲率进动。
由于加速度计误差、陀螺仪漂移和垂线偏差变化等因素的影响，运载体到达待测点停止时,平台将不平行于当地水平面,两个水平加速度计的输出不等于零。
惯性技术在精确制导武器中的应用与发展
文章编号:1671-637X(2007)03-0045-03惯性技术在精确制导武器中的应用与发展鲁 浩1,2, 位晓峰2, 庞秀枝2(1.北京航空航天大学,北京 100083; 2.中国空空导弹研究院,河南洛阳 471009)摘 要: 探讨了惯性技术在精确制导武器中的应用与发展,给出了战术武器对惯性技术的要求,对国外惯性技术的现状和发展趋势进行了分析,对国内惯性技术的研究方向进行了展望。
关 键 词: 武器; 精确制导; 导航战; 惯性技术中图分类号: V249.3 文献标识码: A Appli ca ti on of i n erti a l technology i n Prec isi onGu i ded M un iti on sLU Hao1,2, W E I Xiao-feng2, P ANG Xiu-zhi2(1.B eijing U niversity of A eronautics&A stronautics,B eijing100083,China;2.China A irborne M issile A cade m y,L uoyang471009,China)Abstract: The app licati on of inertial technol ogy in Precisi on Guided Muniti ons(PG M)and its devel op2 ment are discussed.The de mands of tactical weapons t o inertial technol ogy are p resented.The current conditi on and future devel opment directi on of inertial technol ogy in foreign countries are analyzed,and the devel opment of domestic inertial techniques is als o studied.Key words: weapon; p recisi on guidance; navigati on war; inertial technol ogy1 惯性技术在精确制导武器中的地位惯性技术是武器系统定向导航的关键技术。
惯性导航_第3章
武汉大学测绘学院 卫星应用研究所
它的核心部分为产生谐振运动的壳体(或
称谐振子)。谐振壳体有圆柱形和半球形 两种类型，目前后者应用较普遍。 半球谐振陀螺仪的随机漂移率可做到 0.005度/小时，可应用于炮弹的制导系 统中。
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6.激光陀螺仪
早在1913年，法国科 学家萨格奈克 (Sagnac)提出一种 环形回路干涉仪，即 著名的萨格奈克干涉 仪，它成后来开发发 激光陀螺仪的基础。
陀螺仪— — 旋转的不倒翁
广义讲,凡是绕定点转动的刚体都可称为陀螺 仪;狭义讲,只有高速旋转的对称刚体,其自转轴 能在空间改变所指方向的才能成为应用的陀螺 仪。 1852年法国科学家傅科给陀螺仪定义为具有大 角动量的装置。陀螺(gyroscope)一词起源于 文明古国希腊,它含有“ 对称和旋转” 的意思,俄 语和英语中陀螺这一单词都是取自希腊语中的 译音,即含有“ 观察转动装置” 的意思。
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常用的各种陀螺仪
自从框架式陀螺仪被应用到 工程实际后，为了减少支承 的干扰力矩，先后发展了下 列各种不同支承的陀螺仪， 此外还发展了没有转子和支 承等转动部件的光学陀螺 仪，例如激光陀螺仪、光纤 陀螺仪等已得到广泛应用。
1.液浮陀螺仪 2.气浮陀螺仪 3.静电陀螺仪 4.挠性陀螺仪 5.谐振式陀螺仪 6.激光陀螺仪 7.光纤陀螺仪
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转子陀螺仪的组成与精度指标
在转子式陀螺仪中，最基本的元件包括下列 四种 : 1.陀螺转子及其驱动元件 2.万向支架 3.力矩器 4.角度传感器
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光学陀螺原理(完整版)
为了理解X效应，可以考虑一个简单的“理想”圆形光路的情形 。
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X 效应
简单的“理想”圆形光路
相对惯性空间没有转动的闭合光路 中相向传播的两束光状态：光波在注入 点M处被分成两束沿闭合光路相向传播 的光波，由于其走过的光程长度相同， 当它们返回到注入点时，其相位相同， 即相位差为“0”。
激光陀螺研制和生产现状
目前世界上研制和生产激光陀螺的国家主要有美、英、德、法、日本 和俄罗斯。美国的霍尼韦尔和利顿公司最具实力，特别是霍尼韦尔公 司代表着全世界激光陀螺技术的最高水平，世界上激光陀螺主要来自 霍尼韦尔公司，其次有部分产品来自利顿公司。
Ka 输入加速度的扭转系数，与摆性有关
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内容回顾—摆式加速度计的力学模型
摆式加速度计的力学模型
s As
Js2
Ka cs k
s2
Ka J 2n
n2
n
k J
c
2 kJ
只要能把敏感质量在敏感轴方向相对壳体的角位移测出来，就 可以得到加速度a.
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内容回顾—石英挠性加速度计
石英挠性加速度计是具有国际先进水平的新型高级传 感器。它精度高、长期稳定性好、体积小巧，是对加 速度、速度、距离、摇摆、振动、倾斜等物理量敏感、 测量、控制方面的换代产品。 石英挠性加速度计由传感表头组件和伺服电路组件两 部分组成。
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内容回顾—石英挠性加速度计
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X 效应
测绘航空摄影考点解析
测绘航空摄影考点解析测绘航空摄影考点解析⼀、胶⽚航摄仪1. 航摄仪的结构单镜头分幅摄影机是⽬前应⽤较多的航空摄影机，它装有低畸变透镜。
透镜中⼼与胶⽚⾯有固定⽽精确的距离，称为I摄影机主距。
胶⽚幅⾯的⼤⼩通常是边长为230mm勺正⽅形：胶⽚暗盒能存放长达152M的胶⽚。
摄影机的快门每启动⼀次可拍摄⼀幅影像,故⼜称为框幅式摄影机。
单镜头框幅式胶⽚航空摄影机主要由镜筒、机⾝和暗盒三部分组成。
框幅式胶⽚航空摄影机分类：位于承⽚框四边中央的为齿状的机械框标;位于承⽚框四⾓的为光学框标。
新型的航空摄影机均兼有光学框标和机械框标。
框幅式航空摄影属于| （中⼼）投影成像|。
2 ?航摄仪的分类航空摄影机通常根据其主距或像场⾓的⼤⼩进⾏分类（1）根据摄影机主距F值的不同，航空航摄机可分为长焦距、中焦距和短焦距3种；（2L根据像场⾓的⼤⼩，航空摄影机可分为常⾓、宽⾓和特宽⾓3种。
像⽚上投影差的⼤⼩以及摄影基⾼⽐对⾼程测定精度,⼀般情况下，对于⼤⽐例尺单像测图（如正射影像制作），应选⽤常⾓或窄⾓航摄机；对于⽴体测图，则应选⽤宽⾓或特宽⾓航摄机。
3、感光材料及其特性摄影过程中已曝光的感光⽚必须经过摄影处理（冲洗），才能将已曝光的感光⽚转变成⼀张负像底⽚。
航摄胶⽚的冲洗主要包括显影、定影、⽔洗、⼲燥等过程。
4、航摄仪的辅助设备1 ）?为了尽可能消除空中蒙雾亮度的影响，提⾼航空景物的反差，需要加⼊航摄滤光⽚辅助设备2 ）?为了补偿像移的影响，在测图航摄仪中需增加影像位移补偿装置。
3）?为了测定景物的亮度，并根据安置的航摄胶⽚感光度，⾃动调整光圈或曝光时间。
需要加⼊航摄仪⾃动曝光系统4）?常⽤的两种胶⽚航摄仪我国现⾏使⽤的框幅式胶⽚航空摄影仪主要有RC型航摄仪和RMt型航摄仪两种RC-10和RC-20的光学系统基本上是相同的，后者具有像移补偿装置新⼀代的RC-30航空摄影系统组成：RC-30航摄仪、陀螺稳定平台和飞⾏管理系统组戌，功能：像移补偿装置、⾃动曝光控制设备, GPS辅助导航的航空摄影。
光纤陀螺仪的原理及应用
光纤陀螺仪的原理及应用光纤陀螺仪（Fiber Optic Gyroscope，FOG）是一种基于光学原理的精密惯性测量装置，用于测量和监测旋转运动。
它利用光纤的传输特性和Sagnac效应实现测量旋转运动的原理。
光纤陀螺仪的原理是基于Sagnac效应。
Sagnac效应是20世纪初法国物理学家Sagnac发现的一种光学现象，它是由于光在旋转系统中传播时，相对于旋转系统固连的坐标系，光沿顺时针和逆时针方向传播所需的时间不同而导致的。
光纤陀螺仪利用这个效应，通过测量光在光纤中的传播时间差来推测出旋转系统的旋转信息。
光纤陀螺仪的基本结构包括光源模块、光纤环和检测模块，其中光纤环是光纤陀螺仪的关键部件。
光纤环是由一个光纤来回缠绕而成的环形结构，通过环形的光纤路径，光可以顺时针和逆时针两个方向传播。
当光纤环不发生旋转时，两束光沿相同路径传播，其光程差为零；而当光纤环发生旋转时，两束光会在循环路线上产生不同程度的光程差，其大小与旋转角速度和环形光纤长度有关。
光纤陀螺仪通过光纤环中的相位差来测量旋转运动。
光纤陀螺仪通过向光纤环中注入一束激光光束，并分成顺时针和逆时针两个传输方向，经过一段一致长度的光纤后再汇合，再通过光探测器对两束光信号进行比较，并检测出相位差。
应用方面，光纤陀螺仪具有广泛的应用领域：1. 惯性导航系统：光纤陀螺仪广泛应用于航天、航海、军事等领域中的惯性导航系统中，用于测量航天器、舰船或导弹的姿态、角速度和角加速度，实现精确导航和定位。
2. 地震预警：光纤陀螺仪可以用于测量地震、地壳运动和地球自转等地球物理学参数，通过分析和监测这些数据，可以提前预警地震活动，为地震防灾提供重要信息。
3. 石油勘探：光纤陀螺仪可以应用于石油勘探领域，用于测量地下油田的地质构造、井筒位置和地震勘探过程中的旋转运动等参数，提高勘探效果和资源利用率。
4. 智能车辆导航系统：光纤陀螺仪可以用于智能车辆导航系统中，用于测量车辆的姿态和旋转运动，提供准确的车辆导航和行驶方向。
光纤陀螺仪的原理及应用
光纤陀螺仪的发展现状和趋势
光纤陀螺仪目前已经取得了长足的发展，技术不断进步。未来，随着对导航 和姿态测量需求的增加，光纤陀螺仪有望实现更高的精度和更广泛的应用。
光纤陀螺仪的技术挑战和解决 方案
光纤陀螺仪在实际应用中仍面临一些挑战，如温度漂移、光纤损耗等问题。 为了解决这些问题，科学家们正在努力开发新的材料和技术，以提高光纤陀 螺仪的性能。
光纤陀螺仪的应用领域
• 航空航天：飞机、导弹、卫星等导航定位系统 • 智能交通：自动驾驶、船舶姿态控制 • 工业制造：机器人导航、运动控制 • 科学研究：地震仪、地壳运动监测 • 军事：导弹发射控制、舰船、战车稳定控制
光纤陀螺仪的优势和特点
• 高精度：能够测量非常微小的角速度变化 • 高稳定性：对温度、震动等环境因素的影响较小 • 长寿命：光纤陀螺仪无机械零件，寿命长 • 抗干扰能力强：能够在复杂环境下工作
光纤陀螺仪的原理及应用
光纤陀螺仪是一种基于光学原理Fra bibliotek高精度惯性测量装置，广泛应用于导航、 航空航天、智能交通等领域。
光纤陀螺仪的定义及基本原理
光纤陀螺仪是通过利用光的干涉现象来测量角速度的一种设备。它基于狭缝 效应，通过检测光纤中光传输的相位变化来计算角速度。
光纤陀螺仪的工作原理
光纤陀螺仪利用角速度对光纤中光的相位差的影响，通过探测这一差异来测 量角速度。光纤陀螺仪通过光源、光纤、光路、检测器等组成，实现对角速 度的测量。
结论和展望
光纤陀螺仪作为一种高精度的惯性测量装置，具有重要的应用价值。随着技术的进一步发展和需求的增加，光 纤陀螺仪将在更多领域得到应用，并为社会发展做出更大的贡献。
惯性测量仪器及原理简介(1)
2.陀螺仪和加速度计种类介绍
（1）陀螺仪 性能比较
原子陀螺( 6105/ h)>静电陀螺( 104 ~ 105/ h )>激光陀螺( 0.00015 / h )>微 机械陀螺( 1 ~ 10/ h )
（韩松，彭文娟，钱兰华.现代陀螺技术的发展及应用分析[J].民营科技.2015（07））
பைடு நூலகம்
2.陀螺仪和加速度计种类介绍
3.MEMS陀螺仪原理
目录
1.手机陀螺仪与加速度计分析 2.陀螺仪和加速度计种类介绍 3.MEMS陀螺仪原理 4.后续了解内容
4.后续了解内容
• （1）陀螺仪参数：标度因数，标度因数稳定性，随机游走 • （2）动力调谐式陀螺仪详细原理 • （3）激光陀螺仪原理 • （4）加速度计原理
参考文献
（2）加速度计
主要有石英加速度计、液浮摆式加速度计、微机电加速度计、 振弦式加速度计、振梁式加速度计等类型。
石英加速度计是目前国内外水平最高的加速度计，是现今加 速度计发展的先头兵。[2]
目录
1.手机陀螺仪与加速度计分析 2.陀螺仪和加速度计种类介绍 3.MEMS陀螺仪原理 4.后续了解内容
3.MEMS陀螺仪原理
1.手机陀螺仪与加速度计分析
• 计算过程中，主要解决的问题是手机设备坐标系b和手机外部空间导航定 位采用的导航坐标系n之间的坐标转换。
1.手机陀螺仪与加速度计分析
４ 结论 １ ）手机内的加速度计和陀螺仪传感器的输出都存在误差， 在静止情况下， 传感器的输出误差随时间累积越来越大。 ２）手机传感器的误差变化具有不确定性，多次实验传感器的偏移情况不同。 ３）手机传感器各个轴向的偏移情况不同，实验中Ｘ、Ｙ 轴偏移严重，Ｚ 轴 输出则比较稳定，偏移较小。实验中， 静止条件下手机传感器输出数据变化 波动较大， 表明手机内部的传感器精度较低， 稳定性差， 在利用陀螺仪和加 速度计进行导航计算时， 应当利用卡尔曼滤波等方法进行处理， 这需要后续 进行改进。同时， 捷联式惯性导航本身存在着误差累积的不足， 在后面工作 中可以尝试与ＷｉＦｉ、ＲＦＩＤ 等技术进行联合提高定位精度。[1]
无人机航测技术与应用-3无人机航测任务设备可编辑全文
的影响，在量测型相机上往往加装像点位移补偿装置和陀螺
稳定平台。量测型相机一般较重，多搭载在大型无人机平台
上。
3.2 数字照相机
由于载荷重量的限制，中、小型无人机还难以承载量测型相
机，而大量采用非量测型相机作为有效载荷。非量测型相机
不是专门为航空摄影测量设计的相机，因而不配置像移补偿
可分为图视频遥感载荷和非遥感的其它通信、载货等载荷。
围绕应用的任务载荷，是无人机的最终设计目的。由于民用
无人机自身偏小，有效载荷一般不大，因此要求这些设备更
小、更轻，并尽量采用商用成品。图视频遥感的任务载荷包
括光学相机、高分辨率的多轴陀螺或云台稳定数字照相机
（摄像机）、红外摄像机、多光谱成像仪、合成孔径雷达、
过红外探测、光电转换、光电信号处理等过程，将目标物体
的红外辐射信息转换为视频图像输出。在军事上，红外摄像
机可应用于军事夜视侦察、武器瞄准、夜视导引、红外搜索
和跟踪等多个领域；在民用方面，红外热像仪可以用于卫星
遥感、防灾减灾、材料缺陷的检测与评价、建筑节能评价、
设备状态热诊断、生产过程监控、自动测试等。
（需要用液态He、Ne、N制冷）探测器、中温（工作温度在
195~200K的热电制冷）探测器和室温探测器；按照响应波长
可分为中红外和热敏型探测器；根据结构和用途可分为单元
探测器、多元阵列探测器和成像探测器。根据探测机理的不
同，红外探测器分为热敏型和量子型两大类。
3.3 红外摄像机
图3.3为世界上
第一个采用5微
第三章 无人机航测任务设备
本章主要内容
3.1 光学相机
动作捕捉浅析(一)——惯性动作捕捉
动作捕捉浅析（一）——惯性动作捕捉一、理论概述：动作捕捉英文Motion capture,简称Mocap。
技术涉及尺寸测量、物理空间里物体的定位及方位测定等方面可以由计算机直接理解处理的数据。
在运动物体的关键部位设置跟踪器，由Motion capture系统捕捉跟踪器位置，再经过计算机处理后向得到三维空间爱你坐标的数据。
当数据被计算机识别后，可以应用在动画制作，步态分析，生物力学，人机工程等领域。
常用的运动捕捉技术从原理上说可分为惯性、光学式、声学式、电磁式。
不同原理的设备各有其优缺点，一般可从以下几个方面进行评价：定位精度；实时性；使用方便程度；可捕捉运动范围大小；抗干扰性；多目标捕捉能力；以及与相应领域专业分析软件连接程度。
惯性式：主要工作原理是跟在人的身上主要的关键点绑定惯性陀螺仪，分析陀螺仪的位移变差来判定人的动作幅度和距离；光学式：光学式运动捕捉通过对目标上特定光点的监视和跟踪来完成运动捕捉的任务。
目前常见的光学式运动捕捉大多基于计算机视觉原理。
从理论上说，对于空间中的一个点，只要它能同时为两部相机所见，则根据同一时刻两部相机所拍摄的图像和相机参数，可以确定这一时刻该点在空间中的位置。
当相机以足够高的速率连续拍摄时，从图像序列中就可以得到该点的运动轨迹；声学式：常用的声学式运动捕捉装置由发送器、接收器和处理单元组成。
发送器是一个固定的超声波发生器，接收器一般由呈三角形排列的三个超声探头组成。
通过测量声波从发送器到接收器的时间或者相位差，系统可以计算并确定接收器的位置和方向。
Logitech、SAC等公司都生产超声波运动捕捉设备；电磁式：电磁式运动捕捉系统是目前比较常用的运动捕捉设备。
一般由发射源、接收传感器和数据处理单元组成。
发射源在空间产生按一定时空规律分布的电磁场；接收传感器（通常有10～20个）安置在表演者身体的关键位置，随着表演者的动作在电磁场中运动,通过电缆或无线方式与数据处理单元相连。
传感器在车辆智能驾驶中的应用
传感器在车辆智能驾驶中的应用第一章传感器简介传感器是一种将物理量转换为电信号或其他可观测现象的装置，可以感知周围环境并将感知到的信息传送给控制系统。
传感器是车辆智能驾驶的核心组件，通过精确的测量和传输数据，实现车辆对周围环境的感知和自主操作。
常见的车辆传感器有惯性传感器、光学传感器、声学传感器、温度传感器、湿度传感器等，下面将针对这些传感器进行详细介绍。
第二章惯性传感器惯性传感器是衡量车辆点位在空间中分布的基本设备，主要由陀螺仪和加速度计构成。
通过收集车辆加速度、转弯和倾斜等数据，实现车辆姿态信息的传递和处理。
惯性传感器广泛应用在自动驾驶系统中，可以实现精确的导航和定位功能。
此外，惯性传感器还可以通过采集车辆速度和加速度等数据，用于实现自适应巡航控制和自动制动系统。
第三章光学传感器光学传感器可以通过采集环境光线反射、透射信息，实现车辆对周围物体的识别和跟踪。
常见的光学传感器包括摄像头和激光雷达。
摄像头主要用于采集车辆前方的图像信息，可以通过对图像信息进行处理，实现辅助驾驶、人脸识别和车辆安全监控等功能。
激光雷达可以通过探测周围物体的位置和距离信息，实现在恶劣天气和复杂路面条件下的环境感知和避障功能。
第四章声学传感器声学传感器是一种利用声波进行测量和检测的装置，能够通过采集车辆周围的声音信号，获取环境中物体的位置、大小和速度等信息。
常见的声学传感器包括麦克风、超声波传感器和声纳。
麦克风主要用于采集车内语音指令和车辆周围的声音信息，实现语音识别和环境噪声控制。
超声波传感器主要用于实现车辆倒车雷达和智能泊车等功能。
声纳主要用于水下探测和定位。
第五章温湿度传感器温湿度传感器是一种用于测量空气温度和湿度的装置，可用于车内环境监测和控制。
常见的温湿度传感器主要包括热电偶和电容式湿度传感器。
热电偶主要通过测量环境的温度变化，实现车内温度控制和空调自动化调节。
电容式湿度传感器主要通过测量空气中的水气含量，实现车内湿度控制和空气质量监测。
惯性传感器工作原理
惯性传感器工作原理
惯性传感器是一种用于测量和监测物体运动状态的装置。
它通过测量物体的加速度和角速度来推断物体的运动情况。
惯性传感器的工作原理基于牛顿第一和第二定律。
根据牛顿第一定律，物体如果受到外力作用时，将产生加速度；根据牛顿第二定律，加速度与物体所受的作用力成正比，与物体的质量成反比。
惯性传感器通常由加速度计和陀螺仪组成。
加速度计通过测量物体在三个方向上的线性加速度来确定物体的加速度。
它使用微电子机械系统（MEMS）技术，其中包含微小的质量块和微弹簧。
当物体发生加速度时，微小的质量块会相对微弹簧产生位移，该位移由感测器检测到并转换为电信号。
陀螺仪通过测量物体围绕轴线旋转的角速度来确定物体的旋转状态。
陀螺仪中包含一个旋转部件，如旋转质量块或光学陀螺。
当物体发生旋转时，旋转部件会感应到惯性力，并将其转换为电信号。
惯性传感器还可以通过将加速度计和陀螺仪的测量结果进行整合和处理，来估计物体的位置和姿态。
这可以通过数学算法，如卡尔曼滤波器或互补滤波器来实现，以提高测量结果的准确性和稳定性。
总之，惯性传感器通过测量和监测物体的加速度和角速度来推断物体的运动情况。
它的工作原理基于牛顿定律，并利用加速
度计和陀螺仪进行测量和转换。
通过整合和处理这些测量结果，惯性传感器可以提供物体的位置和姿态信息。
惯性测量系统
惯性测量系统惯性测量系统：由加速度计和陀螺平台等惯性器件组成的用于测定载体空间位置、姿态和重力场参数的系统。
应用学科：测绘学（一级学科）；测绘学总类（二级学科）。
利用陀螺仪、加速度计等惯性敏感元件和电子计算机，实时测量运载体相对于地面运动的加速度，以确定运载体的位置和地球重力场参数的组合仪器。
这种系统是在惯性导航系统的基础上发展起来的，按所采用的导航坐标系统分为两大类：当地水平惯性系统和空间稳定系统。
一般多采用第一类的当地水平指北惯性系统。
整个系统安装在运载体(汽车或直升飞机)上，主要包括惯性测量装置（其核心为加速度计、陀螺仪和万向支架）、电子计算机、控制显示器、数据存储记录器和电源（见图[惯性测量系统工作原理方框图]）1、基本原理：以当地水平指北系统为例，在陀螺仪GE、GN、G和电子计算机控制下，惯性平台始终保持地平坐标系，安装在平台上的3个互相正交的加速度计AE、AN、AZ，分别测出沿东西、南北和垂直方向的加速度分量ENZ，并输入计算机。
在消除加速度计误差、重力加速度和由于地球自转产生的科里奥利加速度影响后，得出运载体相对地平坐标系的位移加速度分量，再就t（从起始点到待测点的时间）进行两次积分，并考虑初始速度值 0N、 0E、0Z，就可解算出相对前一起始点的坐标变化量，同相应起始点的经度λ0、纬度0和高程h0累加，就得到待定点的坐标λ、和h：电子计算机除了用观测数据计算点位坐标外，还根据一次积分后的速度分量和已知地球参数（仪器所在点的地球子午圈和卯酉圈曲率半径M和N，地球自转角速度ω），连续计算控制惯性平台的力矩信号W、W 和W，以便实时跟踪所选定的地平坐标系。
垂直加速度计的输出信号，实际是运载体垂直加速度与当地的重力加速度之和。
当运载体停止时，它的垂直加速度为零，这时从中消除非重力加速度之后，就得到当地的重力加速度。
运载体在运动过程中，由计算机通过陀螺仪控制惯性平台，不断地按参考椭球面的曲率进动。
无标记的光学测量与惯性测量融合动作捕捉技术研究
专版研究园地无标记的光学测量与惯性测量融合动作捕捉技术研究*文/陈曦 黄昌正 周言明 梁铭成 陈明基金项目： 基金项目：东莞市引进创新创业领军人才计划项目“面向虚拟现实的自然交互技术与融合产品研发和产业化”；广东省重点领域研发计划项目“大范围场景空间定位与自然人机交互关键技术研发及产品化应用”（2019B010147001）0 引言近些年来，随着全球范围内虚拟现实(virtual reality ，VR)商业化、普及化快速推进，VR 交互方式也由平面界面发展到虚拟空间追踪交互，极其强调沉浸感，而要完全沉浸进入虚拟世界，动作捕捉系统必不可少，可以说动作捕捉技术是VR 产业隐形钥。
VR 动作捕捉技术就是对真人进行实时地准确地测量并记录在真实三维空间中的运动轨迹和姿态，并将每一时刻运动状态还原到虚拟三维空间中的过程，使虚拟角色的动作和表情能像真人一般自然逼真。
VR 中应用的动作捕捉系统根据技术原理分为惯性动捕和光学动捕两大类。
光学动作捕捉系统是通过光学相机捕捉物体的连续运动图像，通过图像处理识别物体运动姿态；惯性动作捕捉系统 是通过惯性传感器捕捉运动物体的运动信息，通过航姿参考 系AHRS (attitude and heading reference system)解算获得运动物体姿态信息。
1 光学动作捕捉与惯性动作捕捉的结合光学动作捕捉与惯性动作捕捉两种动作方案都存在一些缺点：光学动作方案容易因为遮挡导致丢失关键信息，而惯性传感器会出现数据漂移而带来误差。
针对上述两种方案的问题，本研究提出采用惯性动作捕捉与无标记光学视觉动作捕捉技术相结合对目标人物进行动作捕捉（以下简称“光惯混合动捕”），在数据算法处理上把两种动作捕捉数据进行相互融合补充，结合视觉信息中空间位置的准确性以及惯性传感器的灵敏度高、动态性能好的特点，获取更为精确的动作信息。
2 整体思路如图1所示，光惯混合动捕主要由惯性动捕套件、深度摄像头、无线数据收发单元以及计算单元组成。
光学陀螺的基础介绍
1. 光学陀螺的发展概况惯性技术是惯性导航与惯性制导、惯性仪表、惯性测量以及相关测试设备和装置技术的总称。
它是一种利用惯性原理或其他有关原理，自主地测量和控制运载体角运动及线运动参数的工程技术。
惯性技术是完全自主式的测量方法，它不依赖光线、电磁波、声音、磁场等外部信息来测量运载体的线运动和角运动参数。
因此惯性技术被广泛应用于国防高科技、航天科技、飞机、船舶与海洋科技领域。
随着惯性技术的不断发展，它的应用领域延伸到现代化交通运输、海洋开发、大地测量与勘探、石油钻井、矿井、隧道的掘进与贯通、机器人控制、现代化医疗器械、摄影技术以及森林防护、农业播种、施肥等民用领域。
因而得到了世界上技术先进国家的普遍重视。
美、英、法、德、日和前苏联都投入了相当大的力量从事惯性技术及其相关装置的研究。
目前，高精度、高可*性、低成本、小型化、数字化成为了惯性技术领域发展的方向。
激光陀螺、光纤陀螺（合称光学陀螺）的出现与发展是惯性技术朝此方向迈进不可缺少的的因素。
2. 激光陀螺和光纤陀螺的发展概况以一个没有活动部件的陀螺取代机械转子陀螺一直是非常具有吸引力的。
1962年，Rosenthal 提出了环形激光腔体（Ring Laser Cavity）的建议，在闭合谐振回路中反向传播的两束光波可以循环往复多次，这样就可以增加灵敏度。
1963年，Macek和Davis第一次证明了这一构想。
1966年，美国霍尼韦尔（Honeywell）公司采用石英作为环形激光陀螺的腔体，并使用机械振动偏频法来克服激光陀螺的闭锁效应，这项技术的研制成功，使得激光陀螺的适用性成为可能。
1975年和1976年激光陀螺分别在战术飞机和导弹上试验成功。
80年代初，由激光陀螺构成的捷联式惯性导航系统先后被波音747客机和F－20战斗机采用，这标志着激光陀螺开始进入了工程实用阶段。
目前，激光陀螺的漂移最低可达，已能满足先进飞机导航定位精度为的要求。
经过20多年曲折历程才得以研制成功的激光陀螺极大地推动了捷联导航系统的发展。
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是提高各类光纤/激光陀螺应用系统整体性能水平的重要前提。
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3.2 光学惯性测量装置总体设计
一般设计流程
光纤/激光陀螺惯性测量装臵的设计流程一般包括两个方面： 一方面是用户任务书指定功能和性能的设计实现，另一方面是产 品任务剖面的分析和应用环境条件的适应性设计。 光纤/激光陀螺惯性测量装臵选定适用的惯性仪表后，在电气 接口分析的基础上，形成电气接口及软件设计方案。明确了产品 的任务剖面后，有针对性地分解出需要满足的环境条件，在结构 设计时充分考虑热设计与电磁兼容性（EMC）要求，环境磁场和冲 击、振动等力学环境影响等，形成总体结构设计方案。
3.2 光学惯性测量装置总体设计
寿命与可靠性、安全性、维修性设计
惯性系统寿命分为储存寿命和工作寿命，战术导弹、火箭等要求 惯性系统储存寿命长，而工作时间相对短，为保证产品能承受储存过
程中的温度和湿度等自然环境的影响，一般采用系统级密封设计，从
材料和工艺上保证光纤/激光陀螺等惯性仪表性能的长期稳定性。卫 星、飞船等空间应用领域，要求惯性系统工作寿命长，可采用长寿命
Specification Format Guide and Test Procedure for SingleAxis Interferomentric Fiber Optic Gyros）， 《GJB2427-
1995 激光陀螺仪测试方法》等。加速度计相关标准有《QJ240292摆式加速度计主要精度指标评定方法》、《GJB1037A-2004单轴 摆式伺服线加速度计实验方法》、《QJ253-86惯性仪表用电气元 件通用技术条件》等。研制方与用户应按相关标准的要求达成一 致并体现在研制任务书中。
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3.1 光学惯性测量装置概述
概述
2）非常规的光纤/激光陀螺捷联惯性测量组合。这类惯性测量组 合也有多种类型，有的仅有1~3个光纤/激光陀螺而无加速度计， 有的则有1~3个光纤/激光陀螺和1~2个加速度计，一般自带二次电 源和信息处理器，可输出经过误差补偿后的角速度或角加速度信 息，有时称其为“光纤/激光陀螺组件”，常用于航天器角速度或
变换得到。
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3.2 光学惯性测量装置总体设计
系统总体方案确定及精度分配
在基本确定了光纤/激光系统的原理构成方案之后，应根据用 户指标要求，按各陀螺与加速度计进行性能指标分解。指标分解
的方法主要包括理论推导和数学仿真，或参照已有产品进行类比
等方法，同时要考虑产品的工作环境条件，并使所选用惯性仪表 的指标留有适当余量。
3.1 光学惯性测量装置概述 3.2 光学惯性测量装置总体设计
3.3 光学惯性测量装置误差标定
3.4 光学惯性测量装置温度补偿
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3.1 光学惯性测量装置概述
概述
光学惯性测量装臵是以光纤/激光陀螺为角运动测量仪表，主要输出 载体角加速度及加速度信息的各类惯性测量设备的统称。其主要构成 形式一般有以下几类。
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3.2 光学惯性测量装置总体设计
一般设计流程
光纤/激光陀螺惯性测量装臵设计流程示意图
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3.2 光学惯性测量装置总体设计
系统总体方案确定及精度分配
在研制惯性测量装臵产品之前，首先要根据要求确定其总体 技术方案，包括产品外形结构与安装接口方案、电路原理与电气
概述
上述几类光纤/激光陀螺测量装臵既可单独形成产品应用到实 际中（如用于卫星、飞船的姿态测量等），也可与其他设备或软 件组成功能更强的各类应用系统，主要包括基于光纤/激光陀螺的 惯性导航/制导系统、惯性组合导航系统、惯性航姿测量系统、寻 北系统、定位/定向系统等。因此，光纤/激光陀螺惯性测量装臵
是各类光纤/激光陀螺应用系统的硬件基础，直接影响应用系统的
通过施加一种或几种规定的应力，将制造过程中引入产品的各种
潜在缺陷在出厂前以硬件故障的形式暴露出来加以剔除，可防止 其在产品交付后的使用环境中变为故障。通过该实验可淘汰早期
失效产品，尽早让产品进入失效率浴盆曲线的平直段，从而可达
到提高产品使用可靠性的目的。
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3.2 光学惯性测量装置总体设计
速度（g）为基准可标定加速度计的误差模型系数。
惯性仪表的输出可能受温度和磁场等环境因素的影响，特定 应用场合需要测试出惯性仪表对环境的灵敏度，并可通过屏蔽或
建模补偿的方法降低其影响。
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3.2 光学惯性测量装置总体设计
系统实验和验证方案设计
环境应力筛选及环境适应性试验 环境应力筛选时产品研制过程中的一个重要环节，其目的是
系统实验和验证方案设计
惯性测量组合中惯性仪表误差模型系数标定和误差补偿技术。 惯性仪表误差中的确定性部分可通过标定分离出来并在使用
时进行补偿。将惯性仪表的实际输出与已知输入时的理论输出进
行比较就可完成惯性测量装臵的标定。如以地球转速（ie ）、转 台转速作为速率基准可标定陀螺的误差模型系数，以地球重力加
系统实验和验证方案设计
综合性能试验 综合性能试验一般要按用户要求进行，包括相关的精度试验、
参数稳定性试验、可靠性试验，以及配合总体部门的半物理仿真
试验、车/船载条件下试验、全弹（箭）或整星联合试验等，以对 惯性系统得到整体性能与质量稳定度等做出较客观、全面的评价。
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用的数据总线有RS422/485,1553B,ARINC429,CAN等，有的用户还
要求输出模拟量、脉冲量等。产品设计中，应按任务书或用户要 求选择适合的电路元件、接插件、电缆等配套件，遵循系列化、
通用化和模块化要求，优先选用项目优选目录中指定的元器件，
并尽量减少品种类型。
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光学器件或采用冗余方案，以延长系统工作寿命。飞机、船舶等应用
领域，惯性系统产品不仅长期工作，而且要多次通电、重复使用，因 此产品的可检测性、维修性也十分重要。可检测性的改善将减少故障 检测时间、降低维修费用，也将其看作维修性的一部分。
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3.2 光学惯性测量装置总体设计
北京航空航天大学仪器科
系统总体方案确定及精度分配
光纤/激光陀螺的主要技术指标和测试程序应该遵循相关标准， 如《GJB2426-2004 光纤陀螺测试方法》，《IEEE Std 952-1997
单轴干涉式光纤陀螺仪指标和测试规范性指南》（IEEE Standard
角加速度值的测量。
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3.1 光学惯性测量装置概述
概述
3）冗余配臵型光纤/激光陀螺捷联惯性测量组合。惯性陀螺的结 构与性能特点有利于实现多表冗余配臵，并获得精度和可靠性更 高的捷联惯性测量组合产品。这类产品中的光纤/激光陀螺和加速 度计数量分别都在3个以上。按光纤/激光陀螺冗余轴数目来划分， 常见的有四表和六表冗余配臵方案，前者一般采用三轴正交一轴
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光学惯性测量与导航系统
Optic Inertial Measurement & Navigation System
主
讲： 杨功流 教授 晁代宏 讲师
张小跃 讲师
电 话： 9664，6542-823
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第三章 光学惯性测量装置
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3.2 光学惯性测量装置总体设计
系统电路及电气接口方案设计
系统电气部件主要完成惯性系统内各类信号的采集、处理及 与外部的信息交换等功能。由于数字电路具有精度高、抗干扰性
好、有利于系统集成与提高智能水平等特点，因而电气系统向数
字化方向发展是惯性技术产品的未来趋势。光纤/激光陀螺惯性系 统中的电路部件一般包括：信号采集/处理（CPU）及接口电路板、
3.2 光学惯性测量装置总体设计
系统电路及电气接口方案设计
系统电气体制及电磁兼容性设计也是光纤/激光陀螺惯性系统 电气设计中的一项重要内容。由于光纤/激光陀螺直接输出数字量，
配套的电气部件也都基本采用数字体制，电磁兼容性能较好。在
产品设计时，主要可参考数字电路电磁兼容性设计的相关规范和 标准。
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1）常规的光纤/激光陀螺捷联惯性测量组合（Strap-down Inertial Measurement Unit，SIMU）。捷联惯性测量组合也称为 惯性测量单元或惯组等，是捷联惯性导航（制导）技术的硬件基 础。常规配臵的光纤/激光陀螺捷联惯性测量组合产品一般包含正 交的3个光纤/激光陀螺和3 个加速度计，以及二次电源、信号处 理与接口电路等部件，可输出三维角速度、加速度等信息。捷联 惯性测量组合和捷联惯导算法结合就可构成捷联惯性导航系统 （Strap-down Inertial Navigation System，SINS）。
3.3 光学惯性测量装置误差标定
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3.2 光学惯性测量装置总体设计
系统总体方案确定及精度分配
惯性测量装臵的电气部分常以信号处理器（如单片机、DSP 芯片等）和编程逻辑器件（CPLD，FPGA等）为核心，构成信号处
理和接口电路。光纤陀螺捷联惯性测量组合仅需几种直流电源
（如
5V， 15V ），常通过DC/DC变换器将外部直流电源（如27V）