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科普贴|怎样认识惯性导航系统最全面? 发布时间:2019-07-22   浏览量:1529次

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。该设备被广泛应用于 领域,是现代 系统的核心技术产品。随着成本的降低和需求的增长,惯性导航技术已扩展到资源勘测、地球物理测量、海洋探测、铁路及隧道等商用领域。

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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 对系统寿命要求最短,但须要满足长时间战备要求,此外对可靠性要求也比较高。


惯性导航工作原理


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。

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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。


惯性导航系统分类


惯性导航系统根据陀螺仪的不同,可分为机电(包含液浮、气浮、静电、挠性等种类)陀螺仪、光学(包含激光、光纤等种类) 陀螺仪、微机械(MEMS)陀螺仪等类型的惯性导航系统。而根据惯性导航系统的力学编排实现形式又可以分为:平台式惯性导航系统和捷联式惯性导航系统。

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平台式惯性导航系统是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,通过框架伺服系统隔离了载体的角运动,因此可以获得较高的系统精度,但其造价、维修费用十分昂贵,而且其采用了框架伺服系统,相对可靠性将会下降。

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捷联式惯性导航系统,其惯性测量装臵(加速度计和陀螺仪)直接装在飞行器、舰艇、导弹等载体上,陀螺仪测量载体角运动,计算载体姿态角,从而确定加速度计敏感轴指向,再通过坐标变换,将加速度计输出的信号变换到导航坐标系上,进行导航计算。便于安装、维修和更换,体积小,是其最大的优点,但却恶化了惯性测量装臵工作环境,降低了系统的应用精度。

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惯性导航系统的核心元器件


惯性导航系统通常由惯性测量装臵、计算机、显示器等组成。惯性测量装臵由加速度计和陀螺仪这两大核心惯性元器件组成。三个自由度的陀螺用来测量飞行器的角加速度,三个加速度计用来测量飞行器的加速度,计算机通过测得的角加速度和加速度数据计算出飞行器的速度和位子数据。下面就具体来说说这两大核心惯性元器件。

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陀螺仪


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,具有稳定性和进动性,利用这些特性制成了敏感角速度的速率陀螺和敏感角偏差的位置陀螺,现在习惯上把能够完成陀螺功能的装臵统称为陀螺。

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陀螺仪种类多样,这里我们按照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)及静电陀螺。陀螺仪即角速度传感器,这里说的是角速度而不是角度,角度是需要把角速度乘以时间算出来的。陀螺仪具有两个特性:


定轴性:当陀螺转子以高速旋转时,在没有任何外力矩作用在陀螺仪上时,陀螺仪的自转轴在惯性空间中的指向保持稳定不变,即指向一个固定的方向;同时反抗任何改变转子轴向的力量。这种物理现象称为陀螺仪的定轴性或稳定性。


进动性: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。


加速度计


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,可以测量出加速度和重力,从而计算载体的速度和位臵。多数加速度传感器是根据压电效应的原理来工作的。所谓的压电效应就是“对于不存在对称中心的异极晶体加在晶体上的外力除了使晶体发生形变以外,还将改变晶体的极化状态,在晶体内部建立电场,这种由于机械力作用使介质发生极化的现象称为正压电效应”。简单来说就是东西压在板子上,板子受到的力能通过一些手段测出来。


脑补一下,如果一个盒子的六个面都是用这种板子做的,然后里面放着一个球,然后球在每个面上的压力都能轻而易举的计算出来,用牛顿第一定律也就可以求出空间上的加速度。知道了角速度,线加速度,再加个时间积分,推算运动轨迹就不成问题了。


标签: 惯性导航系统

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