惯性导航ppt课件
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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 1º/h。
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二、惯性传感器的最新发展现状
2.2加速度计
图2.2 加速度计弹
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。
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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 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。
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二、惯性传感器的最新发展现状
激光陀螺
图2.1 激光陀螺仪 弹
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。
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一、惯性导航技术的发展历史
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图1.5 惯导技术发展历史
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。
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0.0002º/h[18]，同时 从上世纪90年代起，0.1º/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。
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二、惯性传感器的最新发展现状
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图2.3 加速度计一般结构弹
二、惯性传感器的最新发展现状
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图2.4 重锤式加速度计 弹
三、惯导系统的分类
3.1平台式惯导系统
图3.1 惯导平台弹
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。
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二、惯性传感器的最新发展现状
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表1 RLG的最新发展弹
二、惯性传感器的最新发展现状
光纤陀螺（Fiber Optical Gyro，FOG ）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。
惯性导航系统
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LOGO
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
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一、惯性导航技术的发展历史
图3.1 导弹弹
图1.2 四旋翼飞行器
图1.3 汽车弹
惯性导航系统是随着惯性传感器弹 （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
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几种姿态结算是重点
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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 。
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 。
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一、惯性导航技术的发展历史
图1.4 陀螺仪弹
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。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。
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二、惯性传感器的最新发展现状
国外微机械陀螺研究开始于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。
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二、惯性传感器的最新发展现状
2.2加速度计
图2.2 加速度计弹
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。
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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 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。
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二、惯性传感器的最新发展现状
激光陀螺
图2.1 激光陀螺仪 弹
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。
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一、惯性导航技术的发展历史
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图1.5 惯导技术发展历史
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。
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0.0002º/h[18]，同时 从上世纪90年代起，0.1º/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。
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二、惯性传感器的最新发展现状
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图2.3 加速度计一般结构弹
二、惯性传感器的最新发展现状
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图2.4 重锤式加速度计 弹
三、惯导系统的分类
3.1平台式惯导系统
图3.1 惯导平台弹
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。
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二、惯性传感器的最新发展现状
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表1 RLG的最新发展弹
二、惯性传感器的最新发展现状
光纤陀螺（Fiber Optical Gyro，FOG ）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。
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LOGO
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
精选课件
一、惯性导航技术的发展历史
图3.1 导弹弹
图1.2 四旋翼飞行器
图1.3 汽车弹
惯性导航系统是随着惯性传感器弹 （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
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几种姿态结算是重点
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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 。
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 。
精选课件
一、惯性导航技术的发展历史
图1.4 陀螺仪弹
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。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。
精选课件
二、惯性传感器的最新发展现状
国外微机械陀螺研究开始于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。