惯性导航系统--百科笔记

惯性导航系统——百科整理

惯性导航系统（INS，以下简称惯导）是一种不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航系统。

其工作环境不仅包括空中、地面，还可以在水下。惯导的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，将它对时间进行积分，且把它变换到导航坐标系中，就能够得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位置等信息。

1.定义

惯性导航系统：是以陀螺和加速度计为敏感器件的导航参数解算系统，该系统根据陀螺的输出建立导航坐标系，根据加速度计输出解算出运载体在导航坐标系中的速度和位置。

2.简介

惯性导航系统（INS，Inertial Navigation System）也称作惯性参考系统。

惯性导航系统属于推算导航方式，即从一已知点的位置根据连续测得的运动体航向角和速度推算出其下一点的位置，因而可连续测出运动体的当前位置。惯性导航系统中的陀螺仪用来形成一个导航坐标系，使加速度计的测量轴稳定在该坐标系中，并给出航向和姿态角；加速度计用来测量运动体的加速度，经过对时间的一次积分得到速度，速度再经过对时间的一次积分即可得到位移。

现代比较常见的几种导航技术，包括天文导航、惯性导航、卫星导航、无线电导航等等，其中，只有惯性导航是自主的，既不向外界辐射东西，也不用看天空中的恒星或接收外部的信号，它的隐蔽性是最好的。

惯性导航，并不像大家所认为的那样“不靠谱”，像国家的很多战略、战术武器，再如洲际飞行的民航飞机等，都必须依赖惯性导航系统或者惯导系统和其他类型的导航系统的组合。它的造价也比较昂贵，像一台导航级（即1小时误差1海里）的惯导系统，至少要几十万，而这种精度的导航系统已足够配备在波音747这样的飞机上了。现在，随着mems（微电子机械系统）惯性器件技术的进步，商业级、消费品级的惯性导航才逐渐走进寻常百姓家 。

优点

惯性导航系统有如下优点：

1、由于它是不依赖于任何外部信息，也不向外部辐射能量的自主式系统，故隐蔽性好，也不受外界电磁干扰的影响；

2、可全天候、全时间地工作于空中、地球表面乃至水下；

3、能提供位置、速度、航向和姿态角数据，所产生的导航信息连续性好而且噪声低；

4、数据更新率高、短期精度和稳定性好。

缺点

其缺点是：

1、由于导航信息经过积分而产生，定位误差随时间而增大，长期精度差；

2、每次使用之前需要较长的初始对准时间；

3、设备的价格较昂贵；

4、不能给出时间信息。

但惯导有固定的漂移率，这样会造成物体运动的误差，因此射程远的武器通常会采用指令、GPS等对惯导进行定时修正，以获取持续准确的位置参数。惯导系统目前已经发展出挠性惯导、光纤惯导、激光惯导、微固态惯性仪表等多种方式。陀螺仪由传统的绕线陀螺发展到静电陀螺、激光陀螺、光纤陀螺、微机械陀螺等。激光陀螺测量动态范围宽，线性度好，性能稳定，具有良好的温度稳定性和重复性，在高精度的应用领域中一直占据着主导位置。由于科技进步，成本较低的光纤陀螺（FOG）和微机械陀螺（MEMS）精度越来越高，是未来陀螺技术发展的方向。

3.分类

• 捷联式惯性导航系统
• 解析式惯性导航系统
• 半解析式惯性导航系统

4.发展

惯性系统是利用惯性敏感器、基准方向及最初的位置信息来确定运载体的方位、位置和速度的自主式航位推算导航系统。

它至少应由一个惯性测量装置、一个数字计算机和一个控制显示装置及一个专用精密电源所组成。

运载体的运动是在三维空间里进行的，它的运动形式，一是线运动，一是角运动。不论线运动还是角运动都是三维空间的，要建立一个三维空间坐标系，势必要建立一个三轴惯性平台。

有了三轴惯性平台，才能提供测量三自由度线加速度的基准。测得己知方位的三个线加速度分量，通过计算机计算出运载体的运动速度及位置，所以第一大类惯导系统方案是平台式惯性导航系统。

没有“机电”平台，将惯性元件陀螺仪和加速度计直接安装在运载体上，在计算机中建立一个“数学”平台，通过复杂计算及变换,得到运载体的速度和位置，这种无机电平台式惯导系统就是第二大类惯导系统方案，称之为捷联式惯导系统 。

从广义上讲从起始点将航行载体引导到目的地的过程统称为导航。 从狭义上讲导航 是指给航行载体提供实时的姿态、 速度和位置信息的技术和方法。 早期人们依靠地磁场、 星光、太阳高度等天文、地理方法获取定位、定向信息，随着科学技术的发展，无线电导航、惯性导航和卫星导航等技术相继问世，在军事、民用等领域广泛应用。

其中，惯性导航是使用装载在运载体上的陀螺仪和加速度计来测定运载体姿态、 速度、 位置等信息的技术方法。实现惯性导航的软、硬件设备称为惯性导航系统，简称惯导系统。

捷联式惯性导航系统(Strap-down Inertial Navigation System，简写 SINS)是将加速度计和陀螺仪直接安装在载体上， 在计算机中实时计算姿态矩阵， 即计算出载体坐标系与导航坐标系之间的关系， 从而把载体坐标系的加速度计信息转换为导航坐标系下的信息，然后进行导航计算。由于其具有可靠性高、功能强、重量轻、成本低、精度高以及使用灵活等优点，使得 SINS 已经成为当今惯性导航系统发展的主流。

捷联惯性测量组件(Inertial Measurement Unit，简写 IMU)是惯导系统的核心组件，IMU 的输出信息的精度在很大程度上决定了系统的精度。

陀螺仪和加速度计是惯性导航系统中不可缺少的核心测量器件。现代高精度的惯性导航系统对所采用的陀螺仪和加速度计提出了很高的要求，因为陀螺仪的漂移误差和加速度计的零位偏值是影响惯导系统精度的最直接 的和最重要的因素，因此如何改善惯性器件的性能，提高惯性组件的测量精度，特别是陀螺仪的测量精度，一直是惯性导航领域研究的重点。

5.目前惯导的几大类型介绍

5.1 惯性导航：

惯性导航系统通常由惯性测量装置、计算机、控制显示器等组成装置包括：

• 3个自由度陀螺仪用来测量飞行器的三个转动运动
• 3个加速度计用来测量飞行器的
• 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飞行器的速度和位置数据。控制显示器显示各种导航参数，实现功能。该系统根据陀螺的输出建立导航坐标系，根据加速度计输出解算出运载体在导航坐标系中的速度和位置。

惯性导航系统是一种不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航系统。其工作环境不仅包括空中、地面，还可以在水下。惯性导航的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，将它对时间进行积分，且把它变换到导航坐标系中，就能够得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位置等信息。

5.2 视觉导航原理：

视觉导航是在AGV的行驶路径上涂刷与地面颜色反差大的油漆或粘贴颜色反差大的色带，在AGV上安装有摄图传感器将不断拍摄的图片与存储图片进行对比，偏移量信号输出给驱动控制系统，控制系统经过计算纠正AGV的行走方向，实现AGV的导航。视觉导航优点：AGV定位精确，视觉导航灵活性比较好，改变或扩充路径也较容易，路径铺设也相对简单，导引原理同样简单而可靠，便于控制通讯，对声光无干扰，投资成本比激光导航同样低很多，但比磁带导航稍贵。

AGV：通常也称为AGV小车。指装备有电磁或光学等自动导航装置，能够沿规定的导航路径行驶，具有安全保护以及各种移载功能的运输车。

5.3 电磁导航：

电磁导航是较为传统的导航方式之一，目前仍被许多系统采用，它是在AGV的行驶路径上埋设金属线，并在金属线上加载导引频率，通过对导引频率的识别来实现AGV的导航。电磁导航优点：导引线隐蔽，不易污染和破损，导引原理简单而可靠，便于控制通讯，对声光无干扰，投资成本比激光导航低很多；电磁导航缺点：改变或扩充路径较麻烦，导引线铺设相对困难。

5.4 激光导航：

激光导航是在AGV行驶路径的周围安装位置精确的反射板，AGV通过发射激光束，同时采集由反射板反射的激光束，来确定其当前的位置和方向。AGV的初始位置计算——AGV小车停止不动；激光扫描器至少可测得4条光束，即至少“看到”4块反射板；已知所有反射板的精确位置（X，Y）；AGV的连续位置计算——根据运动模型估算小车的当前位置，根据估算的新位置关联反射板，根据关联的反射板修正自身位置，据此修正AGV下一步动作。

激光导航优点：AGV定位精确，地面无需其它定位设施；行驶路径可灵活改变；激光导航缺点：由于控制复杂及激光技术昂贵投资成本较高，反射片与AGV激光传感器之间不能有障碍物，不适合空中有物流影响的场合。

5.5 GPS坐标导航：

GPS坐标是由空间星座、地面控制和用户设备等三部分构成的。GPS坐标测量技术能够快速、高效、准确地提供点、线、面要素的精确三维坐标以及其他相关信息，具有全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，广泛应用于军事、民用交通(船舶、飞机、汽车等)导航、大地测量、摄影测量、野外考察探险、土地利用调查、精确农业以及日常生活(人员跟踪、休闲娱乐)等不同领域。

GPS坐标的基本定位原理是：卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息用户接收到这些信息后经过计算求出接收机的三维位置三维方向以及运动速度和时间信息