惯性技术、陀螺仪、加速度计

惯性技术与惯性器件简介
惯性技术与惯性器件简介
●惯性技术简介
1.什么是惯性技术
2.惯性技术基本概念
3.基本惯性器件
4.惯性导航特点
●陀螺仪简介
1.什么是陀螺仪
2.陀螺仪的特性
3.常用陀螺仪的指标及其意义
4.常见陀螺仪的种类及特点
●加速度简介
1.什么是加速度计
2.加速度计的特性
3.常用加速度计的指标及其意义
4.常见加速度计的种类及特点
一惯性技术简介
一惯性技术简介
1.什么是惯性技术
2.惯性技术基本概念
3.基本惯性器件
4.惯性导航特点
什么是惯性
物体在不受外力或所受外力平衡的
条件下，维持原有运动状态（静止
或匀速直线运动）不变的特性。

牛顿三大定律（惯性、加速度、作用力与反作用力）。

惯性定律成立的空间为惯性空间。

经典力学认为，要选取一个绝对静止或作匀速直线运动的参考坐标系来考察加速度，牛顿第二定律才能成立。

在研究惯性敏感器件和惯性系统的力学问题时，通常将相对恒星所确定的参考系称为惯性空间，空间中静止或匀速直线运动的参考坐标系为惯性参考坐标系。

●宏观、绝对、静止或匀速直线运动●以太
●恒星
●相对惯性空间稳定
●指向惯性空间某点
北
N
S
●地磁北
●真北●地理北
地球坐标系如右图
所示。

其原点取在地心；
轴沿极轴（地轴）方向；轴在赤道平面与本初子午
面的交线上；
轴在赤道平面上，与构成右手直角坐标系。

e e e z y ox e z e x e y e z e x 地球坐标系随地球转动。

载体坐标为经度、纬度、高度。

地球上任意点的地球坐标固定不变，但是地球坐标系相对惯性空间改变。

t t t z y ox e z 地理坐标系随载体一起线运动，不随载体角转动。

地球上任意一点的地理坐标系都不相同。

地理坐标系并不唯一，有东北天、北东地等。

地理坐标系如左图所示。

其原点位于载体所在的点；轴沿当地纬线指东；轴沿当地子午线指北；轴沿当地地理垂线指上，
并与构成右手直角坐标系。

平面为当地水平面。

平面为当地子午面。

t x t y t z t x t y t t y ox t t z oy
载体坐标系
载体坐标系如右图所示。

其原点与载体质心重合。

轴沿载体横轴指向右；轴沿载体纵轴向前；轴沿载体竖轴，并与、构成右手直角坐标系（右前上）。

b b b z y ox b x b y b z b x b
y 载体坐标系并不唯一，也可以定义为前、右、下。

载体坐标系随载体一起作线运动与角运动。

地球坐标系、地理坐标系、载体坐标系载体不动：
●地球坐标系相对惯性空间运动；
●载体坐标系、地理坐标系相对地球坐标系不动，相对惯
性空间运动；
●载体坐标系相对地理坐标系不动；
载体做线运动：
●地球坐标系相对惯性空间运动；
●载体坐标系、地理坐标系相对地球坐标系线运动，相对惯
性空间可能运动；
●载体坐标系相对地理坐标系不动；
载体做角运动：
●地球坐标系相对惯性空间运动；
●载体坐标系、地理坐标系相对地球坐标系角运动，相对惯
性空间运动；
●载体坐标系相对地理坐标系运动；
姿态角
载体的姿态角是根据
载体坐标系与地理坐标系之间的旋转关系确定的。

基本惯性器件
陀螺仪（Gyroscope、Gyro）：
测量角速度（速率陀螺）、角度（积分陀螺）加速度计（Accelerometer）：
测量线加速度
惯性导航
导航是一个技术门类的总称，它是引导飞机、船舶、车辆以及个人(总称作运载体)安全、准确地沿着选定的路线，准时到达目的地的一种手段。

惯性导航是指通过测量飞行器的加速度和角速度，自动进行运算，获得飞行器瞬时速度、瞬时姿态和瞬时位置数据的技术。

惯性导航的特点
优点：
●自主导航：无需外界信息，安全，可靠；
●输出信息丰富：位置、线速度、角速度、线加速度、角
加速度、姿态；
●应用领域广泛：海、陆、空、天；
缺点：
●成本高：成本与精度成指数级增长；
●长时精度低：因为存在漂移，单独长时间使用误差变大；
惯性导航的典型应用
1、二战时期的V2导弹，被希特勒誉为“第三帝国的
秘密武器”，是惯导的首次应用；
2、装有惯导系统的核潜艇穿越北极点、在大洋上发
射卫星、长时间潜伏深海；
3、卫星、宇宙飞船、航天飞机、外太空试验平台都
搭载惯导系统；
4、战斗机、导弹、智能炮弹、火炮稳定系统、无人
战车、无人机、游戏手柄、安全气囊、游戏机、计步器、航模等等；
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二陀螺仪简介
二陀螺仪简介
1.什么是陀螺仪
2.陀螺仪的特性
3.常用陀螺仪的指标及其意义
4.常见陀螺仪的种类及特点
什么是陀螺仪
广义：凡是绕定点转动的刚体都可称为陀螺仪（陀螺效应不明显）；
狭义：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称为实用的陀螺仪；
双自由度陀螺仪
陀螺仪自转轴相对惯性空间指向不变的特性称为陀螺的定轴性。

视运动
在二自由度陀螺仪上施加力矩，会引起陀螺动量矩矢量相对惯性空间转动的特性称为陀螺仪的进动性。

陀螺仪主要技术指标概述
输入范围
零偏（零位）
零偏稳定性
零偏重复性（逐次、逐日、隔日…..）
比例因子
比例因子线性度
比例因子重复性（逐次、逐日、隔
日……）
比例因子对称度
角度随机游走
启动时间
非正交性
带宽
零位温度系数
比例因子温度系数
陀螺仪指标：输入范围
输入极限之间的范围。

输入范围：
-300deg/s~300deg/s、-200deg/h~300deg/h
最大输入值：300deg/s
陀螺仪指标：零偏
陀螺仪中输入速率为零时陀螺仪的输出量。

因为输出量不同，通常用
等效的输入速率表示。

同一型号的产品，零偏越小越好；
不同型号的产品，并不是零偏越小越好；
零偏：14.9deg/h
05001000
1500
200025003000
5
10
15
20
25
30s
d e g /h
The Bias is14.9027deg/h.The Bias repeatability is8.537deg/h
在同样的条件下及规定间隔内重复测量的偏值之间的一致程度。

以各
次测得的偏值的标准偏差表示。

逐次重复性、逐日重复性、隔日重复性、……
零偏与零偏重复性根据不同应用目的综合考虑。

零偏重复性：9.38deg/h(1σ)
对所有陀螺越小越好（评价补偿零位的难易程度）。

0510
15202530
5
10
15
20
25
30
times
d e g /h
The Bias is15.3232deg/h.The Bias repeatability is9.3826deg/h
当输入为零时输出量绕其均值的离散程度。

以规定时间内输出量的标
准偏差相应的等效输入表示。

零偏稳定性：8.54deg/h(1σ)
14.90-8.54～14.90+8.54
主要针对速率陀螺。

对所有陀螺越小越好（评价陀螺精度的一个重要指标）。

05001000
1500
200025003000
5
10
15
20
25
30s
d e g /h
The Bias is14.9027deg/h.The Bias repeatability is8.537deg/h
陀螺仪指标：零位漂移
陀螺仪输出量相对理想输出量的偏差的时间变化率。

它包含随机性的和系统性的两种分量，并用单位时间内相对惯性空间的相应输入角位
移表示。

零位漂移：0.030deg/s
主要针对积分陀螺。

05001000
1500
200025003000
20
40
60
80
100
120
s
d e g
The drift is0.030005deg/s
陀螺仪指标：比例因子
输出的变化与要测量的输入变化的比值。

比例因子：0.0833V/deg/s
单位也可以为其他，如“/P 、mA/deg/s ，具体单位根据陀螺仪的输出方式。

-60
-40
-20
020
40
60
-5-4-3-2-101234
5deg/s
V
The Scale Factor is0.083333V/deg/s
陀螺仪指标：比例因子稳定性同一测试条件下标度因数在规定时间内的变化量值。

通常用在规定时间内多次测试所得标度因数的标准偏差与其平均值之比的百分数表示。

比例因子稳定性：0.1%、0.0005%、5ppm
在输入角速度范围内，陀螺仪输出量相对于最小二乘法拟合直线的最大偏差值与最大输出量之比。

比例因子非线性度：0.1%、0.0005%、5ppm
比例因子非线性度：H/S
正输入和负输入两种情况下测得的标度因数之间的差别。

用分别测得的标度因数与在整个输入量程上测得的标度因数之差的百分数表示。

标度因数不对称性意味着输入一输出函数的斜率在零输入时中断。

比例因子不对称度：5ppm 比例因子不对称度：
%
100⨯--
+K K K K+
K-K
deg/s
V
陀螺仪指标：启动时间
惯性敏感器从最初供以能量到产生规定的有用输出(虽然不一定完全符合规定性能的精度)的时间。

启动时间：2s、2min
不同类型的陀螺仪启动时间相差很大。

陀螺仪指标：角度随机游走陀螺仪中由角速率中的白噪声产生的随时间累积的漂移角。

角度随机游走：5deg/h1/2
陀螺仪的重要指标。

陀螺仪指标：带宽
陀螺仪频率特性测试中，规定在测得的幅频特性中幅值降低3dB所对应的频率范围。

带宽：100Hz
可以通过牺牲陀螺仪带宽的方式提高陀螺仪的精度。

陀螺仪指标：零偏温度系数
由于温度变化引起的偏值变化量与温度变化量之比。

零偏温度系数：-0.0017deg/h/℃-40-30-20-10010
20304050603.23.4
3.63.8
4
4.2
4.4
4.6
4.8
5
o C
d e g /h The Bias Temperature Factor is-0.016776deg/h/o C
温度系数可能为正，也可能为负；
温度系数是非线性的，需要拟合；
例
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三常见陀螺仪类型
常见陀螺仪类型
●液浮陀螺仪
●气浮陀螺仪
●静电陀螺仪
●挠性陀螺仪
●动力调谐陀螺仪
●谐振式陀螺仪
●激光陀螺仪
●光纤陀螺仪
●MEMS陀螺仪
液浮陀螺仪
陀螺马达安装在一个圆柱形的浮筒内，浮筒再装在一个圆柱形的壳体内。

在浮筒与壳体之间的间隙内充满了浮液。

浮液的密度与浮筒的密度相等，浮筒的重力基本上被浮力平衡。

0.2～0.3deg/h
摩擦力小导致漂移小带宽低
主要应用于舰船、卫星
动压轴承是靠陀螺转子高速旋转时，在轴径和轴承之间的间隙内产生具有一定刚度的气膜，使轴颈和陀螺转子悬浮起来，如右图所示。

0.01deg/h
不转动时轴与轴承之
间接触；
静压轴承靠陀螺仪外
部的专门气源将具有
一定压强的气体通过
进气口输送到轴承内，
使轴悬浮起来，他的
出气口在轴承端部。

不论陀螺轴转不转，
轴都不与轴承接触
0.01deg/h
静电陀螺仪
静电陀螺仪靠强电场
所产生的静电吸力使
球星转子悬浮起来。

精度最高的陀螺仪
0.0000001deg/h
挠性陀螺仪
电动机的转动通过驱
动轴和很细的轴颈带
动陀螺转子高速转动。

由于轴颈很细，容易
挠曲，所以陀螺转子
可绕水平轴线自由摆
动。

已逐渐淘汰
<0.01deg/h
动力调谐陀螺陀螺仪
有两对互相垂直的内
外扭杆与平衡环组成
的挠性街头。

正确设
计挠性街头的参数和
陀螺转子的转速，可
以补偿掉弹性力矩。

<0.01deg/h
谐振式陀螺仪
振动波形由于惯性作
用比杯的旋转滞后一
个角度，通过测量滞
后角，可以得到杯的
旋转角速度。

<0.01deg/h
基于萨格奈克效应，
通过检测激光的干涉
条纹检测角速度。

方案比较成熟，工艺难度大
我国应用领域精度最高的陀螺
<0.001deg/h
基于萨格奈克效应，利用光纤取代激光腔，通过闭环控制检测角速率。

0.1～
0.003deg/h 公司正在推出光纤陀螺
基于该陀螺开发出中高精度产品。