惯性器件简答题
1． 典型刚体转子陀螺仪有哪几种？
答案：主要有三浮陀螺仪（又分为气浮，液浮，磁悬浮三种），静电陀螺仪，动力调谐陀螺仪。
2． 描述一下动力调谐陀螺仪的结构？
答案：调谐陀螺由驱动轴带动转子，转子由平衡环，内挠性轴，外挠性轴组成。
3.增大陀螺转子角动量而又不增加重量的办法？
答案：可从两方面考虑：一是增加陀螺转子的旋转速度；二是将陀螺转子的有效质量外移，如动力谐陀螺将转子设计成环状。
4.理解陀螺漂移的概念（以机械陀螺为例）？
答案：在不受外力矩的情况下，机械陀螺的高速转子相对惯性空间具有定轴性，即相对惯性空间的指向不变，这是陀螺的工作基础。在受到外力矩时陀螺转子会产生进动现象，进动角速度可表示为
d M H ω=外。进行陀螺仪系统设计应力求陀螺转子不受外力矩作用即0M =外，但磨擦力矩是不可避免的，由此引起陀螺转子的进动，即表现为陀螺漂移，漂移角速度为
M H ω=
f
。
5光陀螺的自锁效应是什么？ 答案：激光陀螺的自锁是指当输入角速度小于某一临界值时，陀螺输出频差为零的现象。
6一个采用氦氖气体激光器的激光陀螺仪，三角形谐振腔的每边长为111.76mm 激光波长。当用它来测量地球自转角速度时，频差为多少？
7.设一陀螺仪的角动量20.392/H kg m s =，对内外环轴的转动惯量为422.510x I kg m -=?和
42
310y I kg m -=?，并设绕内环轴正向作用有冲击力矩
210x M N m -=，作用时间0.01t s ?=。求章动频率和振幅？ 8.陀螺仪三特性：定轴性，进动性，陀螺反作用力矩
9.陀螺罗经为什么不能应用于飞机上？简述理由
10.对于刚体的转动惯量为何一般只有三项，而不是九项。
11.欧拉动力学方程，双框架陀螺仪完整动力学方程分别建立在何坐标系下？
12，双框架陀螺仪完整动力学方程简化成陀螺技术方程的条件是什么？陀螺技术方程化简成陀螺进动方程。
13.陀螺漂移项中哪些量通过合理的设计可以忽略，要是忽略这些项的话对陀螺设计有何特殊要求？
16挠性陀螺目前包括哪些？他们消除弹性的力矩的方法各是什么？
第八章 惯性器件及系统的测试V1
主讲教师↓1.惯性器件及系统对测试设备的要求 3 8.1 8.1 测试设备介绍测试设备介绍 ↓1.精度测试设备------位置给定设备位置给定设备 位置给定设备包括：多面体；端尺盘；位置转台 3 双轴位置转台 ↓1.精度测试设备------速率转台速率转台 带温控试验箱的双轴测试转台三轴多功能惯导测试转台 ↓1.精度测试设备------速率转台速率转台
↓1.精度测试设备------伺服转台伺服转台 ↓1.精度测试设备 运动模拟台等。 多自由度摇摆台三轴飞行仿真试验转台 ↓2.环境测试设备 ↓1.惯性器件误差分析 ↓1.惯性器件误差分析↓2. . 惯性系统误差分析惯性系统误差分析
↓2. . 惯性系统误差分析 惯性系统误差分析↓3.提高惯性器件系统精度途径---实时在线补偿 惯性器件的主要性能指标提高惯性器件系统精度途径---实时在线补偿↓1. . 惯性器件的主要性能指标 ↓3. . 提高惯性器件系统精度途径 惯性器件及系统的主要性能指标 ↓1. . 惯性器件及系统的主要性能指标 惯性器件及系统的主要性能指标↓1. . 惯性器件及系统的主要性能指标
↓1. . 惯性器件及系统的主要性能指标惯性器件及系统的主要性能指标↓2. . 转台标定转台标定↓2. . 转台标定转台标定 ↓2. . 转台标定转台标定 倾角回转误差：±2'' ↓2. . 转台标定转台标定 陀螺标度因数和安装误差标定 ?? ???????-=? ????ωωωωωωω0cos 0cos sin 0sin cos 1ie x t t t t (a) 倾角回转误差：±2'' ↓2. . 转台标定转台标定
IMU-惯性测量单元
IMU-惯性测量单元 组合惯导产品是将陀螺，磁力计，加速度计，GPS等有机组合以提供更加丰富精确的导航信息。 IMU（惯性测量单元，可输出载体三轴的角速度，加速度值）。 主要应用在航空、陆地、海洋导航，跟踪控制，平台稳定，ROV/AGV控制，UAV/RPV控制，精准耕种等。 美国Crossbow系列产品： IMU700CB, IMU440CA, IMU321, ADIS16350/ADIS16355; ADIS16350/ADIS16355温度校准iSensor?提供完全的三轴惯性检测(角度运动与线性运动)，它是一个小体积模块，适合系统集成。ADIS16355内核采用Analog Devices, Inc., (ADI公司)的iMEMS?传感器技术，内置嵌入式处理用于传感器校准与调谐。SPI接口允许简单的系统接口与编程。 特点： -三轴陀螺仪;动态范围： ±75°/s, ±150°/s, ±300°/s 14位分辨率 -集成三轴加速度计 ±10 g 测试范围 14位分辨率 -带宽：350 Hz -在温度范围内，工厂已校准灵敏度与偏移 ADIS16350: +25°C ADIS16355: −40°C 至+85°C -SPI?兼容串行接口 -承受冲击加速度：2000g（通电情况下） 应用： -飞行器的导航与控制 -平台稳定与控制 -运动控制与分析 -惯性测量单元 -GPS辅助导航 -摄像稳定 -机器人 ADIS16355系列惯性测量单元 参数 条件 典型值 单位 陀螺灵敏度 灵敏度25℃，动态范围：±300°/s 0.07326 °/s/LSB 25℃，动态范围：±150°/s 0.03663 °/s/LSB
基于惯性传感器的机器人姿态监测系统设计
基于惯性传感器的机器人姿态监测系统设计一、设计背景 空间飞行器的惯性测量系统、机器人的平衡姿态检测、机械臂伸展确定等许多方面都需要测量物体的倾斜和方向等姿态参数。机器人的运动过程中要不断的检测机器人的运动状态，以实现对机器人的精确控制。.本文研究的基于MEMS 惯性传感器姿态检测系统用于检测自平衡机器人运动时姿态，以控制机器人的平衡。 随着微机电系统（MEMS）技术的发展，采用传感器应用到姿态检测系统上的条件变得成熟。基于MEMS 技术的加速度传感器和陀螺仪具有抗冲击能力强、可靠性高、寿命长、成本低等优点，是适用于构建姿态检测系统的惯性传感器。利用MEMS 陀螺仪和加速度传感器等惯性传感器组成的姿态检测系统，能够通过对重力矢量夹角和系统转动角速度进行测量，从而实时、准确地检测系统的偏转角度。 由于惯性传感器随着时间、温度的外界变化，会产生不同程度的漂移。通过对陀螺仪和加速度计的采集数据进行数据融合，测量的角度与实际的角度相吻合，取得了良好的控制效果。同时该系统具有独立，易用的特点，其应用前景广泛。 二、基本原理 在地球上任何位置的物体都受到重力的作用而产生一个加速度，加速度传感器可以用来测定变化或恒定的加速度。把三轴加速度传感器固定在物体上，在相对静止状态下，当物体姿态改变时，加速度传感器的敏感轴相对于重力场发生变
化，加速度传感器的三个敏感轴分别输出重力在其相应方向产生的分量信号。 当系统处于变速运动状态时，由于加速度传感器同时受到重力加速度和系统自身加速度的影响，其返回值是重力加速度同系统自身加速度的矢量和。对加速度传感器温度漂移及系统振动和机械噪声等方面的考虑，加速度传感器不能独立运用测量系统的姿态。陀螺仪能够提供瞬间的动态角度变化，由于其本身的固有特性、温度及积分过程的影响，它会随着工作时间的延长产生漂移误差。因此对于姿态检测系统而言,单独使用陀螺仪或加速度计，都不能提供系统姿态的可靠估计。为了克服这些问题，数据融合算法需使用加速度传感器的测量值并使用陀螺仪测得的角速度数据对加速度传感器数据进行融合和矫正。 图1加速度传感器 系统依据上一时刻的重力矢量方向的估计值，结合陀螺仪测得的角度值计算出当前时刻的重力矢量方向，再与当前时刻加速度传感器返回的矢量方向进行加权平均，得到当前矢量方向的最优估计值。 三、系统框架 姿态平衡检测系统中，控制单元采用单片机来完成控制,数据采集与处理，数据通讯等功能。根据对资料的分析,同时对性能价格比的衡量，惯性测量单元
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。消除加速度计误差和陀螺仪漂移后，就得到相对于前一点的垂线偏差变化分量Δ和Δη的输出，加上前一点已知的垂线偏差分量0 和η0，便得出待测点的垂线偏差分量和η。 惯性平台的指北方位基准由方位传感器传递，经计算机可随时显示平台外壳光学镜面法线的方位角Q,需要时可用自准直光学经纬仪引出。 【IMU惯性测量单元测量精度】 惯性测量的精度主要受加速度计和陀螺仪的影响，在行进过程中，采用运载体每隔相等时间停下来的方法，以提高测量精度。当运载体停止时，其运动加速度和速度应精确为零，利用这一信息，可以检核和改正前段随时间积累的误差，这一操作称为“零速更新”。 【IMU惯性测量单元特点】 安装在运载体上的惯性测量系统，不依赖外界的其他辅助设备，能快速而独立地测量多种定位和地球重力场参数，使作业效率大大提高。该系统可以全天候工作，不受大气折射的影响，不要求相邻待测点之间通视，克服了传统大地测量所受的自然条件的限制。因此，惯性测量系统为大地控制网的加密和快速定位开辟了新的途径。惯性测量系统的缺点是仪器结构复杂,造价较高,维护工作繁重。但它仍是一种能满足军事测绘要求的全天候快速测量仪器。
惯性组合测量方法
惯性组合测量方法 无陀螺惯性测量组合是指惯性测量组合中不使用陀螺测量角速度,而是利用线加速度计测量线加速度的同时,根据线加速度计的空间位置组合解算出角速度,从而得到惯性测量的全部参数,达到惯性导航的目的。 加速度计是无陀螺惯性测量组合的核心元件，然而加速度计在实际使用中不可避免的存在多种误差，其中有器件本身误差项刻度因子误差、偏置、噪声以及安装误差，包括位置误差和方位误差，仿真结果表明，它们是加速度计输出误差的主要来源。 本设计在12加速度计惯性测量组合实物模型及硬件采集电路的基础上，主要对加速度计的刻度因子，固定偏置，噪声以及加速度计的方位误差和安装误差进行分析并进行补偿。 该系统通过硬件采集电路将原始加速度计阵列输出的模拟信号转换成数字信号，并存储到FLASH存储器中，然后将数据通过USB接口传回计算机。通过软件进行数据的分析和处理。 实验系统采用4个三轴加速度计ADXL330构成的加速度计阵列来敏感加速度信号，按照上述配置方案进行配置。信号采集部分主要采用FPGA-XC2S30作为中心控制单元，运用高精度运算放大器OPA4340构建信号调理电路，以两片16位、六通道同步A/D转换器ADS8365完成十二路模拟信号的转换，最大同步转换速率可以达到250kSPS。整个系统由FPGA控制控制FLASH存储器将转换后数据进行存储，并完成包括电源管理、数据采集、存储及读数操作。另外，通过VC++6.0编制的上位机软件实现数据采集处理。 该方案中应用了四片三轴加速度计传感器ADXL330,其三个敏感轴互相垂直，分别安装在惯组质心、X轴、Y轴和Z轴正向，其位置和敏感方向如图所示。 在图中，A1～A12代表加速度计1～12的敏感方向。加速度计1～12的安装位置向量表达式分别为：[0;0;0]、[r;0;0]、[0;r;0]、[0;0;0]、[0;0;r]、[0;r;0]、[0;0;0]、[0;0;r]、[r;0;0]、[0;0;r]、[r;0;0]、[0;r;0]，r为距离质心的距离,其值为0.041米。加速度计1～12的安装方
基于MEMS技术的惯性测量器件及系统的发展现状和应用_文炜
控制与制导 本文2006-04-12收到,作者文炜系中国航天科工集团三院三部助理工程师 基于ME M S 技术的惯性测量器件 及系统的发展现状和应用 文 炜 ▲ M E M S 系统示意图 摘 要 简要描述了M E M S 系 统的特点,介绍了基于M E M S 技术的惯性测量器件及系统在国外的发展现状及应用情况,从武器系统低成本、小型化、高可靠性的发展趋势说明了武器系统中使用M E M S 技术的必要性,同时根据武器系统对惯性测量器件的要求,通过国外武器系统中的成功应用说明了M E M S 技术在飞航导弹或无人机的控制系统中使用的可行性,最后针对国内M E M S 技术的发展情况,对M E M S 惯性测量器件及系统在武器系统中的应用提出了相关要求。 关键词 M E M S 惯性传感器 惯性测量系统 武器系统 概 述 M E MS (M icro -E l e ctro -M e -chanical Syste m s )即微机电系统,它属于多学科交叉的新领域,是融合微电子与精密机械加工的技 术,集微型机构、传感器信号处理、控制等功能于一体的、具有信息获取、处理和执行等多功能的系统。完整的ME M S 是由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通讯接口和电源等部件组成的一体化的微型器件系统。 其目标是把信息的获取、处理和执行集成在一起,组成具有多功 能的微型系统,集成于大尺寸系统中,从而大幅度地提高系统的自动化、智能化和可靠性水平。基于ME M S 技术生产的M E M S 器件具有体积小、质量轻、成本低、抗冲击、可靠性高等优点,在汽车、电子、家电、机电等行业以及军事领域有着极为广阔的应用前景。 飞航导弹或无人机的控制系统一般采用自动驾驶仪或惯性导航系统两种形式,而这两种系统均大量采用惯性传感器,其中自动驾驶仪的惯性传感器为陀螺仪,惯性导航系统的惯性传感器 为加速度计和陀螺仪。采用ME M S 惯性传感器或惯性测量系统可以在一定程度上降低成本、减小体积、提高性能并降低功耗。 1 ME M S 传感器的发展及应用 ME M S 技术自从20世纪80年代出现以来引起了世界各国的高度重视,西方国家尤其是美国投入了大量的资金及研究人员进入这一领域。美国德雷泊实验室、喷气推进实验室、利顿公司,德国LI T EF 公司、法国SA -GE M 公司、模拟器件公司及俄罗斯维克托公司等都在ME M S 惯性器件、ME MS -I M U 和低成本 DOI 牶牨牥牣牨牰牫牫牳牤j 牣issn 牣牨牥牥牴牠牨牫牨牴牣牪牥牥牰牣牥牴牣牥牨牴
MEMS惯性测量单元测试标定方法研究
MEMS惯性测量单元测试标定方法研究 随着微机械系统的发展和集成电路制造工艺的快速进步,微惯性技术在导航学科中占据了越来越重要的地位。微惯性测量单元借助于自身成本低、体积小、自主性强等优势,在军民用导航领域都发挥着越来越重要的作用。因此,国内外许多科研和教育单位都更加重视微惯性系统的开发与应用。然而,目前常见的MEMS 惯性测量单元的测量精度都相对比较低,现今着重研究如何合理利用科学方法来提升MEMS惯性测量单元的精度有着极其重大的意义。 设计制造测试标定设备,建立MEMS惯性测量单元正确的数学模型,设计更加简捷快速的标定测试方法,是提高MEMS惯性测量单元精度的重要途径,本文主要针对实验室自制的MEMS惯性测量单元展开误差建模和标定技术研究。首先,根据MEMS惯性测量单元的标定测试需求从机械结构、软硬件设计等各方面详细介绍了实验室自制的标定测试设备。其次,分析了MEMS惯性测量单元的误差特性,详细介绍了各个误差参数对MEMS惯性测量单元的影响。针对随机噪声对MEMS惯性测量单元精度影响较大的实际情况,采用Allan方差法定量分析了MEMS陀螺仪的五种主要噪声。 然后,根据MEMS惯性测量单元的特点,分别建立了MEMS陀螺仪和加速度计的误差模型,对MEMS惯性测量单元的分立标定方法进行了详实介绍,并推导了数据处理公式。基于实验室自制的三轴测试标定实验设备,设计了MEMS陀螺的速率实验和加速度计的静态多位置实验,并进行了分立标定实验验证了所用方法的实用性。最后,根据捷联导航误差方程和Kalman滤波器模型建立了合适的状态方程和量测方程,选择合适的MEMS惯性测量单元系统级标定位置编排。根据设计的转停路径进行了MEMS陀螺惯性测量单元的系统级标定实验。 通过测试实验证明了所提出标定方法的有效性。
基于惯性传感器的机器人姿态监测系统设计说明
基于惯性传感器的机器人姿态监测系统设计 一、设计背景 空间飞行器的惯性测量系统、机器人的平衡姿态检测、机械臂伸展确定等许多方面都需要测量物体的倾斜和方向等姿态参数。机器人的运动过程中要不断的检测机器人的运动状态，以实现对机器人的精确控制。.本文研究的基于MEMS 惯性传感器姿态检测系统用于检测自平衡机器人运动时姿态，以控制机器人的平衡。 随着微机电系统（MEMS）技术的发展，采用传感器应用到姿态检测系统上的条件变得成熟。基于 MEMS 技术的加速度传感器和陀螺仪具有抗冲击能力强、可靠性高、寿命长、成本低等优点，是适用于构建姿态检测系统的惯性传感器。利用MEMS 陀螺仪和加速度传感器等惯性传感器组成的姿态检测系统，能够通过对重力矢量夹角和系统转动角速度进行测量，从而实时、准确地检测系统的偏转角度。 由于惯性传感器随着时间、温度的外界变化，会产生不同程度的漂移。通过对陀螺仪和加速度计的采集数据进行数据融合，测量的角度与实际的角度相吻合，取得了良好的控制效果。同时该系统具有独立，易用的特点，其应用前景广泛。 二、基本原理 在地球上任何位置的物体都受到重力的作用而产生一个加速度，加速度传感器可以用来测定变化或恒定的加速度。把三轴加速度传感器固定在物体上，在相对静止状态下，当物体姿态改变时，加速度传感器的敏感轴相对于重力场发生变化，加速度传感器的三个敏感轴分别输出重力在其相应方向产生的分量信号。 当系统处于变速运动状态时，由于加速度传感器同时受到重力加速度和系统自身加速度的影响，其返回值是重力加速度同系统自身加速度的矢量和。对加速度传感器温度漂移及系统振动和机械噪声等方面的考虑，加速度传感器不能独立运用测量系统的姿态。陀螺仪能够提供瞬间的动态角度变化，由于其本身的固有特性、温度及积分过程的影响，它会随着工作时间的延长产生漂移误差。因此对
惯性器件习题
一、选择题 1. 设自由陀螺的角动量为H ，受到外力矩为M ，进动角速度ω，下列表示三者之间关系的表达式正确的是（ ） （A ）M H ω=? ； （B ）H M ω=? ； （C ）M H ω=? ；（D ）M H ω=? 2. 哥氏定理的向量表达式为（ ） （A ）n b nb d H d H H dt dt ω=+? ；（B ）b ib d H M H dt ω=?+ ；（C ）i o o d H M dt =； （D ）o dr H mr dt =? 3. 下面关于陀螺力矩的描述最正确的是（） （A ）陀螺力矩是作用于陀螺仪上的力矩。 （B ）陀螺力矩是作用于施矩物体上的反力矩，无论陀螺是否进动都存在。 （C ）陀螺力矩是作用于施矩物体上的反力矩，只有在陀螺进动时才存在。 （D ）陀螺力矩是作用于施矩物体上的反力矩。 二、已知n n n ox y z 与b b b ox y z 初始时重合，b b b ox y z 是n n n ox y z 按z x →顺序分别旋转 α、β角得到的。试求出I n C 和b n C ；若α、β均为无限小角度，求出向量[]T z y x n ωωωω=在b b b ox y z 中的线性表达式b ω。 三、如图所示的均质空心圆柱体形转子，其质心为o ，坐标轴为转子的惯性主轴。设转子的外径为2R ，内径为2r ，高度为h ，材料的质量密度为ρ。试：（1）写出转子的转动惯量矩阵；（2）求出赤道转动惯量yy J 与极转动惯量zz J 之比；（3）若转子的转动角速度为[] T z y x ΩΩΩ=Ω，写出转子的角动量矩阵。 四、设载体水平直线航行，航速为V ，航向为K ，海拔高度为h ，当地纬度为?，地球半径为R 。试推导当地地理坐标系（东北天坐标系）相对惯性坐标系的角速度在当地地理坐标系的投影表达式（地球角速度为ie ω）。 第三题简图
MEMS惯性测量单元(IMU)-陀螺仪对准基础
MEMS惯性测量单元（IMU）/陀螺仪对准基础 对于在反馈环路中采用MEMS惯性测量单元（IMU）的高性能运动控制系统，传感器对准误差常常是其关键考虑之一。对于IMU中的陀螺仪，传感器对准误差描述各陀螺仪的旋转轴与系统定义的惯性参考系（也称为全局坐标系）之间的角度差。为了管控对准误差对传感器精度的影响，可能需要独特的封装、特殊的组装工艺，甚至在最终配置中进行复杂的惯性测试。 所有这些事情都可能会对项目管理的重要指标：如计划、投资和各系统中IMU相关的总成本等，产生重大影响。因此，在设计周期的早期，当还有时间界定系统架构以实现最有效解决方案的时候，对传感器对准误差加以考虑是十分有必要的。毕竟，没有人希望在烧掉项目80%的计划时间和预算之后才发现，为了满足最终用户不容商量的交货要求，其并不昂贵的传感器需要增加数百甚至数千美元的意外成本，那样可就糟糕至极了！ 设计系统的IMU功能架构时，有三个基本对准概念需要了解和评估：误差估计、对准误差对系统关键行为的影响以及电子对准（安装后）。初始误差估计应当包括IMU以及在运行过程中将其固定就位的机械系统这两方面的误差贡献。了解这些误差对系统关键功能的影响有助于确立相关性能目标，防止过度处理问题，同时管控无法兑现关键性能和成本承诺的风险。最后，为了优化系统的性能或以成本换空间，可能需要某种形式的电子对准。预测安装后的对准误差一个应用的对准精度取决于两个关键因素：IMU的对准误差和在运行过程中将其固定就位的机械系统的精度。IMU的贡献（IMU）和系统的贡献（SYS）通常并不相关，估计总对准误差时，常常是利用和方根计算将这两个误差源加以合并： 某些IMU规格表通过轴到封装对准误差或轴到坐标系对准误差等参数来量化对准误差。图1以夸张方式显示了ADIS16485中各陀螺仪相对于其封装边缘的对准误差。图中的绿色虚线代表封装定义的参考系的各轴。实线代表封装内部陀螺仪的旋转轴，IMU代表三个对准误差项的最大值（X、Y、Z）。
惯性器件原理作业..
惯性器件原理作业----惯性技术与导弹 姓名：X X 流水号：s2012XXX 班级：Y12XXX 导师: X X X 2013年5月15日
惯性技术与导弹 目录 前言 (1) §1 惯性制导概述 (1) §1.1 定义 (1) §1.2 制导系统的组成 (1) §1.3 惯性制导的基本原理 (2) §1.4 惯性制导的优缺点 (3) §2 惯性制导的分类 (4) §2.1 平台式惯性导航/制导 (4) §2.1.1 基本形式 (4) §2.1.2 实体布局的分类 (4) §2.2 捷联式惯性导航/制导 (5) §2.2.1 基本形式 (5) §2.2.2 系统特点 (5) §2.2.3 计算原理 (6) §3 战术导弹的惯性制导 (7) §3.1 战术导弹制导的特点 (7) §3.2 空空导弹 (7) §3.3 反舰导弹 (8) §3.4 其它战术导弹 (9) §4 战略导弹的惯性制导 (9) §5 惯性制导的展望 (10)
前言 导弹武器出现一时，就伴随着惯性制导技术的发展。二战中纳粹德国的V-I、V-2导弹上就安装了最为简单的惯性测量装置。战后，导弹逐渐成为了最受欢迎的打击武器，它的发展速度和规模飞速提高，尽管出现了各种新的制导方式，但惯性制导始终是导弹不可或缺的可靠制导方式之一。惯性制导经历了从最初的平台式到现在普遍采用的捷联式，历经近70年的发展，无论是以惯性元件为代表的硬件部分，还是以卡尔曼滤波、信息融合技术为代表的软件部分，都获得了长足的进步，在导弹武器中的地位日益稳固，不仅应用类型多样化，应用范围同样在不断扩展。本文将首先对惯性制导技术、原理、特点、类型作介绍，其次对应用惯性制导的各类型导弹做总结，最后对惯性制导技术的发展及趋势做简单的预测。 §1 惯性制导概述 §1.1 定义 惯性制导是指利用惯性元件测量运动体相对于惯性空间的运动参数，并在给定运动的初始条件下，由制导计算机计算出运动体的速度、位置及姿态等参数，形成控制信号，引导运动体完成预定任务的一种自主制导系统。 惯性制导如其它制导系统一样，要完成“测、算、控”的三大任务。即测量运动体运动参数（包含线运动信息和角运动信息）；导航计算（导航矩阵、姿态矩阵解算）；控制参数整定（控制算法、系统优化、信息融合）。三者之间相互联系，构成完整的回路，从而将整个制导系统与导弹的飞控系统、动力系统、敌我识别、战斗部引信等相结合，确保导弹能够准确命中目标。 §1.2 制导系统的组成 制导系统由惯性测量装置（IMU）、控制显示装置、状态选择装置、导航计算机和电源等组成。 惯性测量装置包括陀螺仪和加速度计。陀螺仪用来测定运动体角运动信息，加速度计用来测定运动体线运动信息。由于导弹是空间运动体，需要的是三维运动信息，因此导弹的陀螺仪和加速度计均为三轴元件。 控制显示装置的作用有两点：一是向计算机输入初始运动参数和位置信息；二是显示导航参数。需要区别的是：无人飞行器是只输出不显示，或是显示屏在中心操作人员处；有人驾驶飞行器是既输出也显示，并且输出与显示高度规一化。 状态选择装置主要应用与复合制导技术中，是基于模式识别的制导方式选择。复合制导中包含并联复合制导、串联复合制导和串-并联复合制导。所谓并联复合制导，是指飞行过程中，各制导方式同时工作，在同一时刻输出导航参数。所谓串联复合制导，是指各制导方式按照时间或是预先设置的程序方案分段工作。状态选择装置必须有良好的判断决策能力，保证制导信息准确、及时、高效的发挥作用。 导航计算机是制导系统完成各类算法的核心设备，高速、可靠、强容错是它
惯性测量单元
惯性测量单元 惯性测量单元 （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大多用在需要进行运动控制的设备，如汽车和机器人上。也被用在需要用姿态进行精密位移推算的场合，如潜艇、飞机、导弹和航天器的惯性导航设备等。 背景技术 利用三轴地磁解耦和三轴加速度计，受外力加速度影响很大，在运动/振动等环境 中，输出方向角误差较大,此外地磁传感器有缺点，它的绝对参照物是地磁场的磁力线,地 磁的特点是使用范围大，但强度较低，约零点几高斯，非常容易受到其它磁体的干扰，如果融合了Z轴陀螺仪的瞬时角度，就可以使系统数据更加稳定。加速度测量的是重力方向，在无外力加速度的情况下，能准确输出ROLL/PITCH两轴姿态角度并且此角度不会 有累积误差，在更长的时间尺度内都是准确的。但是加速度传感器测角度的缺点是加速度传感器实际上是用MEMS技术检测惯性力造成的微小形变，而惯性力与重力本质是一样的,所以加速度计就不会区分重力加速度与外力加速度，当系统在三维空间做变速运动时，它的输出就不正确了。 陀螺仪输出角速度，是瞬时量，角速度在姿态平衡上是不能直接使用，需要角速度 与时间积分计算角度，得到的角度变化量与初始角度相加，就得到目标角度，其中积分时间Dt越小，输出角度越精确,但陀螺仪的原理决定了它的测量基准是自身，并没有系统外的绝对参照物，加上Dt是不可能无限小,所以积分的累积误差会随着时间流逝迅速增加，最终导致输出角度与实际不符，所以陀螺仪只能工作在相对较短的时间尺度内。 所以在没有其它参照物的基础上，要得到较为真实的姿态角，就要利用加权算法扬长避短，结合两者的优点，摈弃其各自缺点,设计算法在短时间尺度内增加陀螺仪的权值，在更长时间尺度内增加加速度权值，这样系统输出角度就接近真实值了。[1] 惯性测量装置IMU的工作原理
惯性测量单元
3DM-GX4-15 是一个高性能的工业应用级别微型惯性测试单元(IMU)，使用最先进MEMS 传感技术。它联合使用一个三向加速度计、一个三向陀螺仪、一个温度传感器、一个气压高度计和一个运算复杂的自适应卡尔曼滤波器的内嵌双核微处理器。从而为用户提供精确的静态和动态倾斜测量和惯性测量。这些技术使得3DM-GX4-15成为同级别产品中体积最小和重量最轻的设备。 优点 ? 高性能陀螺仪 ?噪声密度: 0.005°/sec/√Hz ?漂移: 10°/hr ? g 2 灵敏度: 0.003°/s/g 2 rms ? 专用的运算微处理器，提供精确的倾斜测量估值数据 ? 高速采样频率及多种数据输出方式 ? -40 °C to +85 °C 工作环境温度 ? 动态环境下高性能和高稳定性 ? 市场上最小，最轻的带自适应卡尔曼滤波器的工业应用级别惯性测量单元（IMU ） ? SDK 软件开发包及开放通信协议，易于集成开发自主系统 应用 在动态环境下为用户提供非常稳定和精确的导航和姿态数据 ? 平台稳定性和人工地平线 ? 天线和相机指向 ? 机车健康及使用状态监测 ? 机器人控制 简介 3DM-GX4-15微型惯性测试单元提供各种输出数据参量，从完全标定的惯性测量（加速度，角速度和或角度增量和速度向量增量）到经过运算的定向估值的欧拉角（俯仰、翻滚）、旋转矩阵、四元素。由于使用了复杂的自适应卡尔曼滤波器，运算的估值数据不会受到直线运动的干扰。偏移追踪和传感器噪声模式可以让用户对自己的设备应用进行微调，从而达到更好的测量效果。所有参量都经过温度补偿和数学运算再转换到正交坐标系统。 系统的架构设计已经充分消除了多种可能的误差源：如由于温度变化引起的增益和补偿误差；由于电源电压波动引起的灵敏度变化等因素。陀螺仪漂移非常小，基于复杂的运算估值技术，3DM-GX4-15性 能已经接近满足战术应用级别的要求。
惯性器件
一、 1、发展现状： 当前我国已经能够生产常规惯导产品，并且具有初步的激光和光纤陀螺生产能力。在卫星、运载火箭、飞机、舰艇上均已装备不同型号的具有自主知识产权的惯导设备，但在部分高端应用中仍对进口技术有所依赖。在战略、导航级领域，传统机电仪器仍占据较大比例，激光陀螺应用增加，不久将占据主导地位。光纤陀螺将出现实用产品。 目前具有广泛应用或已具备技术成熟技术的陀螺元件液浮陀螺仪包括机械陀螺，液浮陀螺、挠性陀螺、动力调谐陀螺等机电陀螺；激光陀螺、光纤陀螺等光学陀螺以及微机械陀螺仪等。通常机电陀螺普遍具有精度高的优点，但结构复杂，加工成本较高。光学陀螺和微机械陀螺具有成本低廉、抗冲击性好，可靠性高等优点，在问世之初精度尚不及高精度的机电陀螺，但随着制造材料和加工工艺的进步，其精度在不断改善。 2、未来发展趋势： 1、材料和工艺：生产厂商采用低劳动密集型生产模式和批量处理技术，采用新器件、新材料向来是提高惯性仪表和系统性能的重要手段 2、成本：包括产品自身成本和操作维护费用。由于大规模的批量生产，惯性传感器成本在大幅下降。 3、体积：惯性测量传感器在不断向轻量化、小型化、微型化方向发展。 4、应用中，微机械陀螺和光纤陀螺将逐步取代传统机电陀螺成为主流产品。同时，以纳机电线性加速度计、超流体量子陀螺仪、原子干涉惯性传感器等为代表的新一代型惯性传感器将得到长足进步，美国的研究机构计划在未来数年内生产出具有实践价值的新型惯性导航元件产品。 5、平台式惯性系统需充分利用最新控制理论和控制技术来进一步改善其稳定回路的性能；捷联式系统将越来越多的采用数字化固态惯性仪表和系统集成一体化、先进数据滤波等技术，使其综合性能不断提高。未来发展中，在特定领域，平台惯导系统技术仍将保留一定市场，但总的趋势上，惯性系统将逐步从平台技术转向捷联技术； 二、 1、主要特点：光纤陀螺仪与传统的机械陀螺仪相比，优点是全固态，没有旋转部件和摩擦部件，寿命长，动态范围大，瞬时启动，结构简单，尺寸小，重量轻。与激光陀螺仪相比，光纤陀螺仪没有闭锁问题，也不用在石英块精密加工出光路，成本低。 2、基本工作原理：光纤陀螺本质上就是一个环形干涉仪，采用多匝光纤线圈来增强相对惯性空间的旋转引起的Sagnac效应。 3、误差来源：由于环境及光纤陀螺本身的各种噪声源，光纤陀螺输出信号中存在着各种随机误差项。在实际系统中，萨格纳克效应非常微弱，构成光纤陀螺的每个元件都 可能是噪声源，而且存在各种各样的寄生效应 4、补偿方法：静态标定误差补偿，动态误差补偿光源性能的好坏直接影响到后续光 学器件的性能， 对于干涉型的光纤陀螺而言，应用宽光谱光源，可以得到很好的零位路径差(null path difference)干涉对比。 通过优选调制频率可减少l/f噪声分量，用电子学方法可减少放大器噪声，而散粒噪声只能通过选择尽可能大的光源功率和低损耗的光纤通路来增强光信号，提高信噪比。提高器件性能和光路组装的工艺水平，以获得高性能的器件和光路。 速率实验，多位置实验。 信号的正态性和平稳性检验，建立随机误差系统方程，再验证。 三、
惯性器件简答题
1． 典型刚体转子陀螺仪有哪几种？ 答案：主要有三浮陀螺仪（又分为气浮，液浮，磁悬浮三种），静电陀螺仪，动力调谐陀螺仪。 2． 描述一下动力调谐陀螺仪的结构？ 答案：调谐陀螺由驱动轴带动转子，转子由平衡环，内挠性轴，外挠性轴组成。 3.增大陀螺转子角动量而又不增加重量的办法？ 答案：可从两方面考虑：一是增加陀螺转子的旋转速度；二是将陀螺转子的有效质量外移，如动力谐陀螺将转子设计成环状。 4.理解陀螺漂移的概念（以机械陀螺为例）？ 答案：在不受外力矩的情况下，机械陀螺的高速转子相对惯性空间具有定轴性，即相对惯性空间的指向不变，这是陀螺的工作基础。在受到外力矩时陀螺转子会产生进动现象，进动角速度可表示为 d M H ω=外。进行陀螺仪系统设计应力求陀螺转子不受外力矩作用即0M =外，但磨擦力矩是不可避免的，由此引起陀螺转子的进动，即表现为陀螺漂移，漂移角速度为 M H ω= f 。 5光陀螺的自锁效应是什么？ 答案：激光陀螺的自锁是指当输入角速度小于某一临界值时，陀螺输出频差为零的现象。 6一个采用氦氖气体激光器的激光陀螺仪，三角形谐振腔的每边长为111.76mm 激光波长。当用它来测量地球自转角速度时，频差为多少？ 7.设一陀螺仪的角动量20.392/H kg m s =，对内外环轴的转动惯量为422.510x I kg m -=?和 42 310y I kg m -=?，并设绕内环轴正向作用有冲击力矩 210x M N m -=，作用时间0.01t s ?=。求章动频率和振幅？ 8.陀螺仪三特性：定轴性，进动性，陀螺反作用力矩 9.陀螺罗经为什么不能应用于飞机上？简述理由 10.对于刚体的转动惯量为何一般只有三项，而不是九项。 11.欧拉动力学方程，双框架陀螺仪完整动力学方程分别建立在何坐标系下？ 12，双框架陀螺仪完整动力学方程简化成陀螺技术方程的条件是什么？陀螺技术方程化简成陀螺进动方程。 13.陀螺漂移项中哪些量通过合理的设计可以忽略，要是忽略这些项的话对陀螺设计有何特殊要求？ 16挠性陀螺目前包括哪些？他们消除弹性的力矩的方法各是什么？
振动惯性器件的结构形式
振动惯性器件的结构形式 振动惯性器件有多种结构形式，有低精度、中等精度、高精度等级的产品，可广泛应用于各种武器系统中。AVX微机械振动惯性器件可像集成电路一样进行大批量生产，这是当前任何其他惯性器件都无法做到的。 振动惯性器件最突出的特点是没有旋转部分，因而可靠性高、成本低、抗冲击振动能力强、动态范围宽，是一种理想的捷联惯性器件。 在电气方面必须按照射频同轴传输线的传输理论合理确定内、外导体的直径以及内、外导体直径的比值，合理选择射频反射和补偿的结构尺寸，并合理选择介质材料，使之满足射频传输特性的有效性和一致性；用户必须合理地选择射频同轴连接器。在商业和民用方面，还可用于汽车、摄像机、玩具等。 压电陀螺执行的军用标准为GJB 5245-2004《压电陀螺仪通用规范》，石英微机械陀螺参照此规范执行；钽电容石英挠性加速度计执行的军用标准为GJB 2504-1995《石英挠性加速度计通用规范》，性能评价依据足CJB 1037A-2004《单轴摆式伺服线加速度计试验方法》。半球陀螺执行贴片钽电容企军标Q/UE 30002-2005《HRG3D-FS-1型半球谐振陀螺仪详细规范》。振动、加速度传感器执行军用标准GJB 5439-2005《压阻式加速度传感器通用规范》、行业标准SJ 20811—2002《压阻式加速度传感器总规范》。 振动惯性器件的敏感部分由振动元件构成，，用于敏感运动物体的角速度、角加速度、角位移、姿态角、线加速度、线速度、线位移等。它主要包括：压电角速率陀螺，压电角位移陀螺，压电角加速度陀螺，石英微机械振动陀螺，半球谐振陀螺，振梁式加速度计等。 元件、温度传感器介绍 （1）热敏元件、温度传感器分类 1．热电偶如：TAJA336K004RNJ是将温度变化转变为热电动势变化的敏感元件。能覆盖的测温范围：-200～+2000℃；灵敏度：几微伏至几十微伏。热电偶加上放大和归一化电路可以做成温度传感器（或温度变送器）。2．金属热敏电
捷联惯性技术
船用捷联惯性导航系统研究 陈建国邵云生彭会斌 （海军驻上海地区水声导航系统军事代表室上海200136） [关键词]捷联惯性导航 [摘要]本文概述了捷联惯性导航技术的数学模型、基本原理以及与传统平台式惯性导航系统相比的优势，介绍了美国等发达国家船用捷联惯导系统的装备概况，展望了捷联惯性导航系统在我国海军的应用前景。 Study of marine strapdown inertial navigation system Chen Jianguo Shao Yunsheng Peng Huibin Keywords:strapdown; inertial navigation Abstract:This article explains the mathematic model,basic principle and the advantage over platform system of the strapdown Inertial Navigation System.It introduces the applications of this system in USA navy.It foresees the vast equipment of the strapdown inertial navigation system in our country in the near future. 0引言 惯性导航系统(Inertial Navigation System)，是利用惯性敏感元件、初始状态和初始位置信息来确定运载体的位置、姿态和速度的自主式航位推算系统。惯性导航系统既不向载体外发射信号，也不从外部接收信号，具有完全自主、全天候、抗干扰能力强的特点；它的这些特性使其广泛应用于航天、航空、航海等军事领域。捷联惯性导航系统也就是将惯性敏感元件（陀螺和加速度计）直接“捆绑”在载体上，从而完成导航任务的系统。捷联惯性导航系统是捷联系统得一种。与传统的平台系统相比，捷联系统有如下特点： 1）捷联系统敏感元件便于安装、维修和更换； 2）捷联系统可以直接给出舰船坐标系的所有导航参数，提供给导航、稳定控制系统和武器控制系统； 3）捷联系统敏感元件易于重复布置，在惯性敏感元件级上易于实现冗余技术，这对提高性能和可靠性十分有利； 4）捷联系统无常平架平台，消除了平台稳定过程的各种误差，同时减小系统体