导航原理惯性器件
惯性导航元件市场分析报告
惯性导航元件市场分析报告
1.引言
1.1 概述
概述:
惯性导航元件是一种能够利用惯性测量和计算，为导航系统提供可靠的定位和姿态信息的关键元件。随着航空航天、军事和民用领域的快速发展，对高精度导舮系统的需求日益增长。因此，惯性导航元件市场也呈现出快速增长的势头。
在本报告中，我们将对惯性导航元件市场进行全面的分析，包括市场规模、市场趋势、以及不同类型的惯性导航元件的市场份额和应用领域。通过对市场现状的深入分析，我们将为读者呈现一个清晰的市场图景，并对未来市场发展提出前瞻性展望。
1.2 文章结构
文章结构部分的内容可以包括对整篇文章的结构和内容进行简要介绍，如下所示：
文章结构部分:
本文将分为引言、正文和结论三部分进行阐述。在引言部分，将对惯性导航元件市场进行概述，介绍文章的结构和目的，并对市场进行总体的评估。在正文部分，将对市场规模、惯性导航元件类型以及市场趋势进行
详细分析，为读者呈现全面的市场情况。在结论部分，将总结主要发现，展望市场前景，并对全文进行总结概括，以期为读者提供详实的市场分析报告。
1.3 目的
本报告的目的在于对惯性导航元件市场进行全面深入的分析，以便更好地了解市场的规模、类型和趋势。通过对市场的分析，我们将能够揭示出市场的主要发现并展望市场的未来发展趋势，为相关行业的企业和投资者提供决策参考。同时，本报告也旨在为行业相关人士提供有价值的信息和洞察，促进市场的健康发展。通过本报告的撰写，我们希望能够为行业的发展和行业参与者的利益最大化做出积极贡献。
1.4 总结
在本篇文章中，我们对惯性导航元件市场进行了深入分析，包括市场规模、元件类型以及市场趋势的分析。通过对市场数据和趋势的探讨，我们发现随着航空、航天和国防行业的不断发展，惯性导航元件市场将会持续增长。同时，随着技术的不断进步和应用领域的拓展，各种类型的惯性导航元件也会不断涌现，满足不同领域的需求。
惯性导航技术的工作原理
惯性导航系统基本工作原理
惯性导航系统是十分复杂的高精度机电综合系统，只有当科学技术发展到一定高度时工程上才能实现这种系统，但其基本工作原理却以经典的牛顿力学为基础。
设质量m 受弹簧的约束，悬挂弹簧的壳体固定在载体上，载体以加速度a 作水平运动，则m
处于平衡后，所受到的水平约束力F 与a 的关系满足牛顿第二定律：F a m
=。测量水平约束力F ，求的a ，对a 积分一次，即得水平速度，再积分一次即得水平位移。以上所述是简单化了的理性情况。由于运载体不可能只作水平运动，当有姿态变化时，必须测得沿固定坐标系的加速度，所以加速度计必须安装在惯性平台上，平台靠陀螺维持要求的空间角位置，导航计算和对平台的控制由计算机完成。
陀螺仪组件测取沿运载体坐标系3个轴的角速度信号，并被送入导航计算机，经误差补偿计算后进行姿态矩阵计算。加速度计组件测取沿运载体坐标系3个轴的加速度信号，并被送入导航计算机，经误差补偿计算后，进行由运载体坐标系至“平台坐标系”的坐标变换计算。他们沿机体坐标系三轴安装，并且与机体固连，它们所测得的都是机体坐标系下的物理量。
参与控制和测量的陀螺和加速度计称为惯性器件，这是因为陀螺和加速度计都是相对惯性空间测量的，也就是说加速度计输出的是运载体的绝对加速度，陀螺输出的是运载体相对惯性空间的角速度或角增量。而加速度和角速度或角增量包含了运载体全部的信息，所以惯导系统仅靠系统本身的惯性器件就能获得导航用的全部信息，它既不向外辐射任何信息，也不需要任何其他系统提供外来信息，就能在全天候条件下，在全球范围内和所有介质环境里自主、隐蔽的进行三维导航，也可用于外层空间的三维导航。
惯性导航系统的基本惯性元件之一-加速度计
加速度计结合其他传感器，用于机器人环境感知，通过测量机器人在不同地面的振动和 冲击，识别出机器人的运动状态和周围环境信息。
04
加速度计在惯性导航系统中的优势与
挑战
优势
实时性
加速度计能够实时测量物体的加速度， 为导航系统提供实时的运动信息。
稳定性好
加速度计不易受到外部环境的影响， 如磁场、温度等，因此其测量结果相
导弹制导
加速度计在导弹制导系统中用于测量 导弹的加速度和速度，通过惯性导航 系统实现导弹的精确制导。
航空航天领域
飞行控制
在航空航天领域，加速度计用于飞行控制系统中，测量飞行 器的加速度和姿态变化，实现飞行器的稳定控制和导航。
卫星定位
加速度计与陀螺仪等传感器结合，用于卫星的自主定位和姿 态控制，确保卫星能够准确执行任务。
光纤式加速度计
总结词
高分辨率、抗电磁干扰、长寿命
详细描述
光纤式加速度计利用光学原理来检测加速度，具有高分辨率和抗电磁干扰的特点，同时寿命较长，适 用于对精度和稳定性要求较高的应用场景。
03
加速度计的应用领域
军事领域
军事侦察
加速度计用于军事侦察领域，通过测 量加速度变化，计算出物体的运动轨 迹和位置信息，为军事行动提供重要 情报。
计算出物体的姿态和方向。
抗干扰能力强
相对于卫星导航系统，惯性导航 系统不易受到外界干扰，特别是 在复杂环境和电磁噪声较大的环 境中，加速度计表现出了较高的
惯性导航的原理
惯性导航的原理
惯性导航是一种基于惯性传感器测量的导航技术，它可以独立于外界参考，为导航系统提供必要的位置、速度和姿态信息。惯性导航系统主要由加速度计和陀螺仪组成，通过测量加速度和角速度来推算出位置、速度和姿态等相关信息。
惯性导航的原理可以分为两个方面：加速度计和陀螺仪。
一、加速度计：
加速度计是惯性导航系统中的一个重要传感器，它能够测量物体在三维空间中的加速度。加速度计的工作原理是基于牛顿第二定律，通过测量物体受到的惯性力大小来推算出物体的加速度。加速度计通常采用压电效应或微机械系统（MEMS）技术来实现测量。
当一个物体处于静止状态时，加速度计可以测量出物体所受到的地心引力加速度，即9.8米/秒²。当物体发生运动时，加速度计可以测量出物体除地心引力之外的其他加速度。通过对加速度的积分，可以得到物体的速度和位置信息。然而，由于加速度测量中存在累积误差和噪声，积分过程会导致速度和位置信息的漂移。
二、陀螺仪：
陀螺仪是另一个重要的惯性导航传感器，它能够测量物体在三维空间中的角速度。陀螺仪的工作原理是基于陀螺效应，即物体在旋转时会产生角动量。陀螺仪通过测量角动量的大小和方向来推算出物体的角速度。
陀螺仪通常采用悬挂式陀螺或光纤陀螺等技术来实现测量。陀螺仪具有高精度和高灵敏度的特点，可以提供准确的角速度信息。通过对角速度的积分，可以推算出物体的姿态信息，比如俯仰角、滚转角和偏航角等。
综合应用加速度计和陀螺仪的测量结果，惯性导航系统可以实现导航信息的获取。加速度计提供了物体的加速度，而陀螺仪提供了物体的角速度，通过对加速度和角速度的积分，可以得到物体的速度和位置信息。此外，陀螺仪还可以提供物体的姿态信息。
微惯性器件的应用原理
微惯性器件的应用原理
什么是微惯性器件？
微惯性器件是一种用于测量和感知运动、加速度和姿态的微小尺寸传感器。它
采用微电子技术和微加工技术，结合惯性传感器原理，能够实时测量物体的运动状态。
微惯性器件的工作原理
微惯性器件通常由加速度计和陀螺仪组成。加速度计用于测量物体的线性加速度，陀螺仪用于测量物体的角速度。通过测量加速度和角速度的变化，微惯性器件可以根据牛顿运动定律计算出物体的位移和姿态。
微惯性器件的应用领域
微惯性器件在许多领域都有广泛的应用，例如：
•航空航天：微惯性器件可以用于飞行器的姿态控制和导航系统，提高导航精度和稳定性。
•智能手机：微惯性器件可用于智能手机中的屏幕旋转功能，使屏幕能根据设备的姿态自动调整。
•车辆导航：微惯性器件可以用于车辆导航系统，提供准确的位置和姿态信息。
•运动追踪：微惯性器件可用于运动追踪设备，如智能手环和智能手表，实时监测用户的运动状态和健康数据。
•虚拟现实：微惯性器件可以用于虚拟现实设备中，提供用户的头部姿态和身体运动信息，实现更加真实的虚拟体验。
微惯性器件的优势
微惯性器件相对于传统的惯性器件有以下优势：
1.尺寸小：微惯性器件采用微加工技术，体积小巧，适合集成到各种小
型设备中。
2.功耗低：微惯性器件采用微电子技术，功耗低，适合搭载在移动设备
或无人机等电池供电的设备中。
3.精度高：微惯性器件采用先进的传感器技术和算法，能够提供高精度
的运动测量结果。
4.响应速度快：微惯性器件采样速率高，能够实时监测物体的运动变化。
5.成本低：随着制造工艺的进步，微惯性器件的制造成本逐渐降低，使
惯性导航的工作原理及惯性导航系统分类
惯性导航的工作原理及惯性导航系统分类
惯性导航系统(INS)是一种自主式的导航设备，能连续、实时地提供载体位置、姿态、速度等信息;特点是不依赖外界信息，不受气候条件和外部各种干扰因素。
惯性导航及控制系统最初主要为航空航天、地面及海上军事用户所应用，是现代国防系统的核心技术产品，被广泛应用于飞机、导弹、舰船、潜艇、坦克等国防领域。随着成本的降低和需求的增长，惯性导航技术已扩展到大地测量、资源勘测、地球物理测量、海洋探测、铁路、隧道等商用领域，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。
惯性导航的工作原理
惯性导航系统是一种自主式的导航方法，它完全依靠载体上的设备自主地确定载体的航向、位置、姿态和速度等导航参数，而不需要借助外界任何的光、电、磁等信息。
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、材料等多种学科和领域的综合技术。其基本工作原理是以牛顿力学定律为基础，通过测量载体在惯性参考系的加速度、角加速度，将它对时间进行一次积分，求得运动载体的速度、角速度，之后进行二次积分求得运动载体的位置信息，然后将其变换到导航坐标系，得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位置信息等。百度搜索“乐晴智库”，获得更多行业深度研究报告
惯性导航系统
惯性导航系统
导航系统在现代社会中扮演着至关重要的角色，无论是在陆地、海上还是空中，人们都依赖于导航系统来确定位置、规划航线和安全导航。而在导航系统中，惯性导航系统被广泛运用，它以其独特的技术和功能在各个领域中发挥重要作用。
一、惯性导航系统的基本原理
惯性导航系统是一种不依赖于外部参考的导航系统，它依靠惯性传感器实现位
置和速度的确定。惯性导航系统由三个基本部分组成：陀螺仪和加速度计以及计算单元。陀螺仪用于测量角速度，而加速度计用于测量线加速度。通过对这些测量数据进行积分和计算，惯性导航系统能够提供准确的位置、速度和航向信息。
二、惯性导航系统的优势
相比于其他导航系统，惯性导航系统具有许多独特的优势。首先，惯性导航系
统没有对外部环境的依赖，可以在任何环境和天气条件下工作。这使得它在航空、航海和军事领域中得到广泛应用，尤其是在恶劣的气候和极地环境下。其次，惯性导航系统具有高精度和快速响应的特点，能够提供准确的位置和速度信息，对导航的实时性要求高的场景非常有优势。此外，惯性导航系统体积小、质量轻，对设备和空间要求相对较低，便于安装和集成。
三、惯性导航系统的应用领域
惯性导航系统在航空、航海和军事领域中得到广泛应用。在航空领域，飞机上
配备了惯性导航系统可以实时获取飞机的位置、速度和姿态信息，为飞行员提供准确的导航指引。航海领域中，惯性导航系统可以帮助船舶确定位置和航向，提供给船员准确的航行信息。而在军事领域中，惯性导航系统则被用于导弹、导航、战斗机和潜艇等武器装备中，帮助军事行动实现精确和长程的导航目标。
惯性导航的基本原理及应用
惯性导航的基本原理及应用
惯性导航是一种基于惯性传感器技术的导航系统，它能够通过测量车辆、航空器或船只的加速度和角速度来推导出其位置、速度和姿态信息。惯性导航系统利用了牛顿力学中的惯性原理，即物体在没有外界力作用下会保持匀速直线运动或保持不变的角速度。基于这一原理，惯性导航系统可以通过不断积分加速度和角速度的数据来推导出车辆或飞行器的运动状态，实现自主导航和定位。
惯性导航系统的核心组件包括加速度传感器和陀螺仪。加速度传感器用于测量运动物体的加速度，而陀螺仪则可以测量物体的角速度。通过不断地对这些传感器所得到的数据进行积分运算，可以推导出车辆或飞行器的位置、速度和姿态信息。此外，惯性导航系统通常还会与全球卫星定位系统（GPS）等其他导航系统相结合，以提高其定位精度和可靠性。
惯性导航系统的基本原理是利用牛顿运动方程和刚体运动学原理，通过积分运算来推导出车辆或飞行器的位置、速度和姿态信息。具体来说，惯性导航系统首先通过加速度传感器和陀螺仪来测量车辆或飞行器的加速度和角速度，然后利用这些数据进行姿态解算和定位计算。由于积分运算会引入误差累积，因此惯性导航系统通常会通过组合滤波算法来对导航信息进行优化和校正，以提高其定位精度和稳定性。
惯性导航系统具有许多应用，特别是在需要高精度导航和定位的领域。例如，在航空航天领域，惯性导航系统常被用于飞行器的姿态控制、自主导航和惯性测量
单元（IMU）等方面。在军事领域，惯性导航系统可以用于导弹、无人机和战车等武器装备的精确定位和导航。此外，在汽车、船舶和铁路等交通运输领域，惯性导航系统也可以为车辆的自主导航和定位提供支持。另外，惯性导航系统还在船舶、海洋科学研究和海洋勘测等领域有着重要的应用。
第6章 惯性元件 惯性导航
31
电子信息工程学院
32
高精度光纤陀螺
陀螺精度国内最高 零偏稳定性0.02o/h (1） 标度因数非线性50ppm 动态范围： ±300°/s
小型中精度光纤陀螺
零偏稳定性0.2o/h (1） 标度因数非线性100ppm 动态范围: ±500°/s 重量: 200g
电子信息工程学院
23
四 飞机激光陀螺
电子信息工程学院
24
内 腔 是 二 频 激 光 陀 螺 结 构
电子信息工程学院
25
飞机激光陀螺组件位置
电子信息工程学院
百度文库
26
6.2.2光纤陀螺
一 概述
电子信息工程学院
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光纤陀螺仪适应捷联系统需求而出现。基本原理同激光陀 螺，只是激光束来自外部，用光导纤维做传播环路。 优点：成本低、体积小、重量轻。 发展：1970s 光纤技术发展； 1976 年犹它大学瓦里提出设想和演示； 1978 麦道研制出第一个实用光纤陀螺； 1980s后，Littion，Honeywell，Draper 等公司以 及英、法、德、日、苏等国也展开了研制。 国内：1980s初，原理研究、试验（少数大学）； 1980s末，实质性研制； 2000s，进入实用阶段。 精度：国外 0.001度/小时；国内 0.01度/小时
电子信息工程学院
19
惯性导航仪的工作原理
惯性导航仪的工作原理
惯性导航仪是一种用于航空、航海和导弹等领域的导航设备，它通过测量和计算物体的加速度和角速度来确定其位置、速度和方向。它不依赖于外部信号源，可以在没有GPS或者其他导航系统的情况下独立工作。
惯性导航仪的工作原理基于牛顿力学和陀螺仪效应。它由加速度计和陀螺仪两部份组成。
加速度计用于测量物体的加速度。它通常使用微机电系统（MEMS）技术，其中弱小的质量块通过弹簧与物体相连。当物体受到加速度时，质量块会相对于物体发生位移，这种位移会通过传感器转换为电信号。根据牛顿第二定律，加速度与作用力成正比，因此可以通过测量加速度来判断物体所受的力。
陀螺仪用于测量物体的角速度。它利用陀螺效应，即旋转物体的轴会产生一个力矩，使其保持在原来的方向上旋转。陀螺仪通常使用悬浮陀螺或者光纤陀螺等技术。当物体发生旋转时，陀螺仪会测量到相应的角速度，并将其转换为电信号。
惯性导航仪通过将加速度计和陀螺仪的测量结果进行积分和计算，可以得到物体的位置、速度和方向。首先，加速度计测量到的加速度值被积分得到速度值，再次积分得到位移值。然后，陀螺仪测量到的角速度值被积分得到角度值。通过将速度和角度与起始位置和方向进行累加，就可以得到物体的当前位置和方向。
然而，惯性导航仪存在着一些误差问题。由于测量误差的积累，随着时间的推移，导航结果会越来越不许确。为了解决这个问题，惯性导航仪通常会与其他导航系统（如GPS）进行融合，通过互补滤波或者卡尔曼滤波等算法，将两者的测量结果进行优化和校正，以提高导航精度。
总结起来，惯性导航仪通过测量和计算物体的加速度和角速度来确定其位置、速度和方向。它不依赖于外部信号源，可以在没有GPS或者其他导航系统的情况下独立工作。然而，由于测量误差的积累，惯性导航仪通常与其他导航系统进行融
惯性导航基本原理课件
激光陀螺 国内：0.002 º/h
光纤陀螺 国外：0.001 º/h
4.1 引言 4.2 单自由度陀螺测量原理 4.3 加速度计测量原理 4.4 平台式惯性导航基本原理 4.5 捷联惯性导航基本原理 4.6 惯性导航误差分析
主要内容
（1）加速度计功能 测量载体相对于惯性坐标系的视加速度在体坐标系中的值。 （2）加速度计分类 摆式、摆式积分陀螺加速度计……
i系： “数学平台”坐标系，b 系中的视加速度 测量值转换至该系，位置、速度参数在该 系中计算。
由角速度测量值及初始时刻转换矩阵、姿态角，可以计算任意时刻转换矩阵、姿态角。
捷联式惯性导航系统的特点：
陀螺仪动态范围大； 导航计算量大； 结构简单、体积小、重量轻、成本低等。
4.1 引言 4.2 单自由度陀螺测量原理 4.3 加速度计测量原理 4.4 平台式惯性导航基本原理 4.5 捷联惯性导航基本原理 4.6 惯性导航误差分析
主要内容
4.1 引言 4.2 单自由度陀螺测量原理 4.3 加速度计测量原理 4.4 平台式惯性导航基本原理 4.5 捷联惯性导航基本原理 4.6 惯性导航误差分析
导航信息
（4）系统组成
（5）惯导优点 ① 依靠自身测量信息进行连续定位； ② 不需接收外部信息，不受外界干扰； ③ 不向外部辐射能量，具有隐蔽性； ④ 可同时确定载体位置/速度/姿态信息。
惯性导航仪的工作原理
惯性导航仪的工作原理
标题：惯性导航仪的工作原理
引言概述：惯性导航仪是一种用于飞行器、船舶和车辆等载具的导航系统，它利用惯性测量装置来测量载具的加速度和角速度，从而确定载具在空间中的位置、速度和方向。本文将详细介绍惯性导航仪的工作原理。
一、惯性导航仪的基本组成
1.1 惯性传感器：包括加速度计和陀螺仪，用于测量载具的加速度和角速度。
1.2 数据处理单元：负责处理传感器采集的数据，进行数据融合和滤波处理。
1.3 输出接口：将处理后的导航信息输出给用户或其他系统。
二、加速度计的工作原理
2.1 基本原理：加速度计通过测量载具的加速度来推算载具的位置和速度。
2.2 工作方式：加速度计利用质量块和弹簧的相对位移来测量加速度。
2.3 精度和误差：加速度计的精度受到震动、温度变化等因素的影响，容易产生漂移误差。
三、陀螺仪的工作原理
3.1 基本原理：陀螺仪通过测量载具的角速度来确定载具的方向。
3.2 工作方式：陀螺仪利用陀螺效应或激光干涉原理来测量角速度。
3.3 精度和漂移：陀螺仪的精度较高，但容易受到温度变化和机械振动等因素的影响，产生漂移误差。
四、数据融合和滤波处理
4.1 数据融合：将加速度计和陀螺仪的数据进行融合，综合计算载具的位置、速度和方向。
4.2 滤波处理：采用卡尔曼滤波等算法对传感器数据进行滤波处理，提高导航系统的稳定性和精度。
4.3 故障检测：通过比对传感器数据和系统输出数据，进行故障检测和修正，确保导航系统的可靠性。
五、应用领域和发展趋势
5.1 应用领域：惯性导航仪广泛应用于航空航天、船舶、车辆和机器人等领域。
惯性导航系统
一、惯性导航系统基本工作原理:
根据牛顿定律，利用一组加速度计连续地进行测量，而后从中提取运动载体相对某一选定导航坐标系(可以是人工建立的物理平台，也可以使计算机参处的“数学平台”)的加速的信息；通过一次积分运算（载体初始速度已知）使得到载体相对导航坐标系的即时速度信息；在通过一次积分运算(载体初始位置已知)便得到载体相对导航系统的即时位置信息。
二、组成
一个典型的惯性导航系统一般有关行测量装置、专用计算机、葱汁显示器等几大部分组成。
三、分类
按关行测量装置在载体上的安装方式，可分为平台式惯性导航系统和捷联式惯性导航系统。
1 平台式惯性导航的基本原理
平台式惯性导航系统是将关行测量原件安装在惯性平台（物理平台）的台体上。
体积重量达，结构复杂
2 捷联式
大大降低了系统的体积、重量和合成本，但对计算机的算法误差要求较高，不超过系统误差的百分之五十。
可靠性高，故障率低。
对惯性器件要求高，要求两次装卸的期间内，器件有较高的参数稳定性。
3 组合式
其他导航系统与惯性导航系统组成的整个系统提高导航精度和提高可靠性
四、加速度计的测试、标定及评价标准
1灵敏度、线性度测试
1)加速度计重力场静态翻滚试验
2)静态漂移测试：加速度计在静态工作期间（在不同时间）输出值的变化。首先寻找该加速度计的机械零位，然后将其置于机械零位，并测试其输出，从而得到静态漂移曲线，即标定了加速度计的静态稳定性。
3) 温度性能测试
零位漂移测试
灵敏度漂移测试
2阈值测试
3分辨率测试
4重复性测试
加速度计在通电(或不通电）状态下，经过整栋、冲击、热储存、高低温试验及热冲击等各种不同环境条件下的考核。在每次考核后，在纪念性加速的计重力场四点法测试，每种环境至少重复三次。
惯性导航系统
•
进动性 当转子高速旋转时，若外力矩作用于外环轴，陀螺仪将绕内 环轴转动；若外力矩作用于内环轴，陀螺仪将绕外环轴转动。 其转动角速度方向与外力矩作用方向互相垂直。这种特性，叫 做陀螺仪的进动性。进动角速度的方向取决于动量矩H的方向( 与转子自转角速度矢量的方向一致)和外力矩M的方向，而且是 自转角速度矢量以最短的路径追赶外力矩。 进动性的大小也有三个影响的因素： 1）外界作用力愈大，其进动角速度也愈大； 2）转子的转动惯量愈大，进动角速度愈小； 3）转子的角速度愈大，进动角速度愈小。
Vx Vx 0 ax dt
0
t
t
Vy Vy 0 a y dt
0
t
x x0 Vx dt
0
y y0 Vy dt
0
t
组成
惯性导航系统通常由惯性测量装置、计算机、控制显示器等 组成。 • 惯性测量装置包括加速度计和陀螺仪，又称惯性导航组合。 3个自由度陀螺仪用来测量运载体的3个转动运动；3个加速 度计用来测量运载体的3个平移运动的加速度。 • 计算机根据测得的加速度信号计算出运载体的速度和位置数 据。 • 控制显示器显示各种导航参数。
分类
• 平台式惯性导航系统 根据建立的坐标系不同，又分为空间稳定和本地水平两种工作方式。空 间稳定平台式惯性导航系统的台体相对惯性空间稳定，用以建立惯性坐标 系。地球自转、重力加速度等影响由计算机加以补偿。这种系统多用于运 载火箭的主动段和一些航天器上。本地水平平台式惯性导航系统的特点是 台体上的两个加速度计输入轴所构成的基准平面能够始终跟踪飞行器所在 点的水平面（利用加速度计与陀螺仪组成舒拉回路来保证），因此加速度 计不受重力加速度的影响。这种系统多用于沿地球表面作等速运动的飞行 器（如飞机、巡航导弹等）。在平台式惯性导航系统中，框架能隔离飞行 器的角振动，仪表工作条件较好。平台能直接建立导航坐标系,计算量小， 容易补偿和修正仪表的输出,但结构复杂，尺寸大。
导航原理惯性导航休拉调谐分解课件
惯性导航的原理基于牛顿力学定律，通过测量载体受到的外力，可以推算出载体的 运动状态。
惯性导航的原理
惯性导航的基本原理是牛顿力学定律，通过测量载体受到的外力，可以 推算出载体的运动状态。
惯性导航系统通常由惯性传感器（陀螺仪和加速度计）、计算机和控制 系统组成。
在广阔的海域，惯性导航系统可以帮助船舶确定准确的位置、航向和速度，引导船舶沿 着预定航线行驶。
近海航行（Coastal Navigation）
在复杂的近海环境中，惯性导航系统可以提供准确的定位和航向信息，避免船舶碰撞和 搁浅。
海上救援（Marine Rescue）
在紧急情况下，如海上搜救任务中，惯性导航系统可以帮助确定遇险人员的准确位置， 提高救援效率。
探讨惯性导航技术的未来发展趋势，包括 更高精度、更小体积、更低功耗等方向。
实践Leabharlann Baidu用
学习建议
介绍惯性导航系统在军事、航空、航海等 领域的应用实例，突显其在实际应用中的 优势和局限性。
提出学习惯性导航原理及休拉调谐分解方 法的学习建议，包括掌握基本概念、理解 数学模型、实验验证等方面。
THANK YOU
加速度计
位移测量
加速度计能够测量载体在 三个轴向的加速度，即沿 三个轴的移动速度。
惯性导航仪的工作原理
惯性导航仪的工作原理
惯性导航仪（Inertial Navigation System，简称INS）是一种利用陀螺仪和加速度计等惯性传感器来测量和计算飞行器、舰船、车辆等运动状态和位置的设备。它不依赖于外部信号源，可以在无法接收到卫星导航信号的环境下独立工作，具有高精度、高可靠性和抗干扰能力强的特点。
惯性导航仪的工作原理可以分为两个基本步骤：测量和计算。
1. 测量
惯性导航仪通过陀螺仪和加速度计等惯性传感器来测量飞行器的加速度和角速度。陀螺仪测量飞行器的角速度，即飞行器绕各个轴的旋转速度；加速度计测量飞行器的加速度，即飞行器的线性加速度。这些测量值通过惯性传感器的输出电信号进行采集和处理。
陀螺仪是一种测量旋转运动的装置，基于角动量守恒定律。它利用旋转的陀螺保持自身的方向不变，当陀螺仪与飞行器一起旋转时，通过测量陀螺仪的输出信号可以得到飞行器的角速度。
加速度计是一种测量加速度的装置，基于质量惯性定律。它利用质量在加速度作用下产生的惯性力来测量加速度。当飞行器加速或减速时，加速度计可以感知到这种变化，并通过输出信号传递给惯性导航系统。
2. 计算
惯性导航仪通过对测量值的处理和计算，推导出飞行器的位置、速度和姿态等信息。
首先，惯性导航仪对陀螺仪和加速度计的输出信号进行校准和滤波处理，以消除误差和噪声的影响。
然后，通过积分计算，将测量的加速度值转换为速度值，并将速度值再次积分转换为位置值。这样就可以得到飞行器的位置信息。
同时，通过积分计算陀螺仪的输出信号，可以得到飞行器的姿态信息，包括俯仰角、横滚角和偏航角等。
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2.1 概述
2.2 陀螺仪 2.2.1 机械转子陀螺仪 2.2.2 光学陀螺仪 2.2.3 微机械陀螺仪
2.3 加速度计
导航原理惯性器件
2.1 惯性器件概述
惯性器件也称惯性仪表，即陀螺仪和加 速度计。陀螺仪用来测量运动体的角运动， 加速度计用来测量运动体的加速度。
“惯性”具有双重含义： 1、陀螺和加速度计服从牛顿力学，基本工作 原理是动量矩定理和牛顿第二定理，即基本惯 性原理；
Z、H
架轴y的正向，使 转子轴趋向与x轴
F
重合。
β Y 导航原理惯性器件
单自由度陀螺仪定轴性总结
当基座绕陀螺仪缺少转动自由度的方向转动时，将强迫陀 螺仪跟随基座转动，同时陀螺仪转子轴绕内框架轴进动。 结果使转子轴趋向与基座转动角速度的方向重合。（绕其 他两轴旋转，保持定轴性）
单自由度陀螺仪具有敏感绕其缺少转动自由度方向旋转角 速度的特性。（两个旋转角速度存在函数关系）
(2) 内、外框架(或称内、外环，它是使 陀螺自转轴获得所需角转动自由度的结构)；
(3) 附件(是指力矩马达、信号传感器等)。 力矩马达（力矩器）用于控制转子绕框架 轴转动，信号器用于拾取陀螺输出角。
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陀螺仪的基本类型 根据框架的数目和支承的形式以及附件的
性质决定陀螺仪的类型
在工程上，为了保证陀螺转子获得角转动 自由度，典型的办法是将陀螺转子支承在 由内、外平衡环构成的卡登万向环架中， 设计中确保转子质心与支承点重合，这样 转子可看作定点转动刚体。
螺Fra Baidu bibliotek的定轴性。 导航原理惯性器件
定轴性是双自由度陀螺仪的 一个基本特性。无论基座绕 陀螺仪自转轴转动，还是绕 内框架轴或外框架轴方向转 动，都不会直接带动陀螺转 子一起转动(指转子自转之外 的转动)。由内、外框架所组 成的框架装置，将基座的转 动与陀螺转子隔离开来。这 样，如果陀螺仪自转轴稳定 在惯性空间的某个方位上， 当基座转动时，它仍然稳定 在原来的方位上。 导航原理惯性器件
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2.3.1 机械转子陀螺仪
一个绕对称轴高速旋转的飞轮转子叫陀 螺。将陀螺安装在框架装置上，使陀螺的自 转轴有角转动的自由度，这种装置的总体叫 做陀螺仪。
陀螺
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陀螺仪的基本部件有： (1) 陀螺转子(常采用同步电机、磁滞电
机、三相交流电机等拖动方法来使陀螺转子 绕自转轴高速旋转，并且其转速近似为常值)；
方向自O 指向 O ，即 ωeGωi e
当自由陀螺的角动量与地
球自转角速度间的夹角时，0
地球上的观察者所看到的
陀螺自转轴以为角速度
作旋ω转ie ，旋转所形成的曲 面为一圆锥面，对称轴平
行于地轴，半锥角为 ，
陀螺的这种运动称为表观
运动。
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ωie
O'
E
H Vθ
O
双自由度陀螺仪的基本特性-进动性
进动没有惯性。
双自由度陀螺仪的测量轴是内、外框架轴。
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2.3.2单自由度陀螺仪的基本特性
单自由度陀螺仪的转子 支承在一个框架内，没 有外框架，因而转子自 转轴有一个转动自由度， 即少了垂直于内框架轴 和自转轴方向的转动自 由度。因此单自由度陀 螺仪与双自由度陀螺仪 的特性也有所不同。
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单自由度陀螺仪的定轴性
对于单自由度陀螺仪，当基座绕陀螺仪自转轴 或内框架轴方向转动时，仍然不会带动转子一 起转动，即内框架仍然起隔离运动的作用。
但是，当基座绕陀螺仪缺少自由度的x轴正方 向以角速度ωx转动时，转子轴如何运动？
X、M
陀螺仪转子轴产
ωx
生绕内框架轴（Y
轴）的进动，进动 角速度β指向内框
双自由度陀螺仪的表观运动
根据哥氏定理：
dH
dt
i
ddHteieHM
其中，e为与地球固连的地球坐标系。
当M=0时
dH
dt
e
H
ie
式中， d H
dt e
是角动量的矢端E在地球上观察到
的速度V，大小为 VHiesin
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所以矢端E绕轴 OO 的旋转角速度大小为
eGO V EH H isesin inie
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2、惯性元件的输出量都是相对惯性空间的测量 值，如陀螺仪的输出是相对惯性空间的角速 度，加速度计的输出是相对惯性空间的非引 力加速度。 惯性坐标系是惯性敏感元件测量的基准。
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2.3 陀螺仪
传统意义上的陀螺仪是指转子陀螺仪，转子 陀螺仪的运动特性区别于一般刚体的根本原 因在于转子旋转产生的角动量，这种陀螺仪 服从牛顿力学。随着激光技术和微机械技术 的发展，建立在全新测量原理上的陀螺仪已 发展起来，出现了光学陀螺仪和微机械陀螺 仪。
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双自由度陀螺仪 (具有内、外两个框架， 使转子自转轴具有两个 转动自由度)。
单自由度陀螺 仪(只有一个框 架，使转子自 转轴具有一个 转动自由度)。
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转子陀螺的力学原理
陀螺绕主轴转动的角动量以H表 示，H=JΩ，式中J为陀螺转子的转 动惯量。H是矢量，方向与角速度 的方向一致。
单自由度陀螺仪的输入轴是转子缺少转动自由度的那个轴。 输出轴是内框架轴。（一般地，转子轴定义为Z轴，输入 轴定义为X轴，输出轴定义为Y轴，满足右手坐标系。原点 在万向支点上）
当M0时，根据动
量矩定理
dH M
E H
dH
dt i
V
MG
其中， dt i 是角动量H的
矢端（矢量的端点，即表
示矢量大小的长度）的速
O
?
度，即V=M。由于有矢端
速度存在，所以H绕支点O M
旋转，转子绕O点作旋转
运角动速，度即的陀方螺向发是生H X进M动导航。原理惯性器件进动角速度为 ω
M H
进动性是双自由度陀螺仪的又一个基本特性，当 绕内框架轴作用外力矩时，将使高速旋转的转子 自转轴产生绕外框架轴的进动，而绕外框架轴作 用外力矩时，将使转子轴产生绕内框架轴的进动。
转子陀螺的力学原理就是动量矩定 理。
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动量矩定理
dH M
dt i
式中，H为定点转动质点系对该定点的角动量 总和，M为作用在该质点系上对该定点的合外 力矩， d H 表示在惯性坐标系内观察到的时间 变化率。dt i
2.3.1.1双自由度陀螺仪的基本特性
由动量矩定理，当没有外力矩作用在陀螺仪 上时，dH 0，表明H相对惯性空间保持恒定 不变，dHt =iJΩ（H的方向和Ω的方向相同）即转 子自转轴相对惯性空间的指向不变。这就是陀