现代导航与制导课件:第七章 惯性导航系统.ppt
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1、 上课时间、地点上课时间、地点 任课教师:任课教师:重要信息:7.1概述7.2惯性传感器7.3惯性测量单元7.4惯性导航方程7.5惯性导航方程的解算方法第7章 惯性导航系统7.6惯性导航系统初始对准7.7惯性导航系统误差传递理论7.8平台惯导系统与捷联惯导系统简介概述概述 惯性导航系统(INS)简称惯导系统,它是航位推测系统的一种。INS有时也成为惯性导航单元(Inertial Navigation Unit , INU),是完整的三维航位推算导航系统,包括一组惯性传感器以及导航处理器。惯性传感器通常包含3个相互正交的加速度计和与之安装在一起的3个陀螺仪。导航处理器对惯性测量单元的输出进行积分
2、,产生速度、位置和姿态。概述概述7.1概述7.2惯性传感器7.3惯性测量单元7.4惯性导航方程7.5惯性导航方程的解算方法7 现代导航概论7.6惯性导航系统初始对准7.7惯性导航系统误差传递理论7.8平台惯导系统与捷联惯导系统简介惯性传感器惯性传感器 惯性传感器包括加速度计和陀螺仪,后者一般简称为陀螺。加速度计测量比力,陀螺仪测量角速率,两者的测量过程都不需要外部参照。 最高精度的惯性传感器用于舰船、潜艇和某些飞机。航海级惯导的成本超过100万美元,提供的导航定位精度为:24h不超过1.8km。惯性传感器惯性传感器 美国空军订购的航空级,或者称为导航级精度的惯导系统,要求符合SNU(Stand
3、ard Navigation Unit)84标准:在第一个小时的导航工作期间,水平定位误差最大不超过1.5km。 战术级的IMU可用的单独工作时间仅为几分钟。但是,如果和其他的定位系统组合,比如GPS,就可以实现长时间的高精度导航。惯性传感器惯性传感器加速度计加速度计:下图是一个简单的加速度计原理图。惯性传感器惯性传感器 上图所示的加速度计是不完整的。检测质量块需要在垂直于敏感轴的方向支撑,此外,为了限制质量块的震动,还需要有阻尼。不过,所有加速度计的设计都是基于上述原理。 捷联惯导系统中使用的是摆式加速度计摆式加速度计或者振梁式加速度计振梁式加速度计。而摆式积分陀螺加速式积分陀螺加速度计度计
4、可以实现非常高的精度,但只适合平台式惯导系统使用。下面将重点介绍前面两种类型的加速度计。惯性传感器惯性传感器摆式加速度计:摆式加速度计: 下图给出了机械开环摆式加速度计的结构图。其性能受三个因素的严重制约其性能受三个因素的严重制约:首先,位移指示器的分辨率很差;其次,弹簧产生的力与弹簧伸缩量之间,只是近似线性关系,从而表现出滞后和非线性特性;最后,由于加速度计敏感轴始终垂直于摆臂,如果摆臂运动,那么敏感轴就会相对于壳体发生变化,这将导致沿敏感轴方向比力测量的非线性以及垂直敏感轴方向比力测量的灵敏度。惯性传感器惯性传感器 为了解决上述问题,高精度的加速度计采用闭环结构闭环结构,或者称为力反馈的结
5、构力反馈的结构。惯性传感器惯性传感器 闭环设计可以保证加速度计的敏感轴与壳体的夹角固定,且闭环方式的力矩器比开环的弹簧和线位移指示具有更大的动态范围、更好的线性度。惯性传感器惯性传感器闭环方式的缺点:闭环方式的缺点: 当闭环加速度计不通电时,摆臂不受约束,运输过程有被损坏的危险,尤其在壳体内部采用气体填充、而不是注油填充的情况下,更容易损坏。 采用MEMS技术,同样可以设计出开环和闭环的摆式加速度计,后者采用静电方式取代常规的磁和力矩器方式。惯性传感器惯性传感器振梁式加速度计:振梁式加速度计: 振梁式加速度计又称为共振加速度计,保留了摆式加速度计的检测质量块和摆臂设计。但是,振梁式的质量块支撑
6、方式不同于摆式加速度计。 为了提高振梁式加速度计的精度,通常采用一对振动梁的设计方案:一个梁被压缩时另一个梁同时被拉伸。振梁式加速度计既可采用单个检测质量块,也可采用两个独立的质量块,如下图:惯性传感器惯性传感器 从本质上说,振梁式加速度计是一个开环测量装置。然而,检测质量块实际上被振动梁约束固定,因此,振梁式加速度计的敏感轴不会相对于壳体发生变化。惯性传感器惯性传感器陀螺仪:陀螺仪: 介绍三种主要类型陀螺仪的原理:转子转子陀螺陀螺、光学陀螺光学陀螺和震动陀螺震动陀螺。 转子陀螺转子陀螺工作的基本原理是角动量守恒。惯性传感器惯性传感器 光学陀螺包括:环形激光陀螺环形激光陀螺和干涉型干涉型光纤陀
7、螺光纤陀螺。惯性传感器惯性传感器惯性传感器惯性传感器震动陀螺:震动陀螺: 震动陀螺均包含一个受迫作简谐振动的原件。振动元件可以是弦线、单梁、双梁,还可以是音叉、圆环、圆柱,或者半球等。各种不同的震动陀螺都基于同一个物理原理;当陀螺壳体转动时,振动元件会产生哥氏加速度,检测哥氏加速度就可以间接测量角运动。7.1概述7.2惯性传感器7.3惯性测量单元7.4惯性导航方程7.5惯性导航方程的解算方法7 现代导航概论7.6惯性导航系统初始对准7.7惯性导航系统误差传递理论7.8平台惯导系统与捷联惯导系统简介惯性测量单元惯性测量单元 下图给出了典型惯性测量单元的主要构成: 加速度计和陀螺仪、IMU处理器、
8、标定参数存储器、温度传感器和相关电源系统。惯性测量单元惯性测量单元误差特性:误差特性: 系统性误差包括四部分:常值项、随温常值项、随温度变化项、逐次启动项度变化项、逐次启动项和工作期间变化项工作期间变化项。 理论上,惯性导航的工作期间变化误差可以通过与其他导航传感器的组合予以修正,但实际上难以实现。 真正决定惯性导航系统精度、影响组合导航系统设计的是补偿了常值项误差之后惯性传感器的性能。惯性测量单元惯性测量单元零偏零偏:零偏是所有的加速度计和陀螺仪都变现出来的常值误差。零偏与载体实际的比力和角速率都没有关系。在大多数情况下,零偏是惯性仪表所有误差构成中的主要误差项。惯性测量单元惯性测量单元标度
9、因数误差标度因数误差:标度因数误差是指经过IMU量纲转换之后,惯性仪表输入-输出的斜率与标称值之间的偏差,如下图所示。惯性测量单元惯性测量单元交叉耦合误差交叉耦合误差:在各种类型的IMU中,交叉耦合误差是由于惯性传感器的敏感轴与载体坐标系的正交轴之间不对准造成的。而导致轴与轴之间不对准的本质原因是受加工工艺所限,如下图所示。惯性测量单元惯性测量单元随机噪声随机噪声:受多种误差源的影响,所有的惯性传感器都表现出随机噪声。电气方面的噪声限制了惯性传感器的分辨率,对于输出信号非常微弱的MEMS传感器更是如此。深层次误差源深层次误差源:由于惯性传感器的设计方式不同,加速度计和陀螺仪还表现出某些深层次的
10、误差特性。 惯性传感器还表现出标度因数非线性误差。非线性误差是指标度因数随着比力或角速率的大小不同而变化。惯性测量单元惯性测量单元7.1概述7.2惯性传感器7.3惯性测量单元7.4惯性导航方程7.5惯性导航方程的解算方法7 现代导航概论7.6惯性导航系统初始对准7.7惯性导航系统误差传递理论7.8平台惯导系统与捷联惯导系统简介惯性导航方程惯性导航方程惯性系导航方程惯性系导航方程:下图展示了如何利用t到t+ti时间内、相对于惯性系的角速率和比力测量值,更新计算惯性坐标系中的姿态、速度和位置等导航参数。惯性导航方程惯性导航方程bibiibbbibCC惯性导航方程惯性导航方程惯性导航方程惯性导航方程
11、惯性导航方程惯性导航方程惯性导航方程惯性导航方程惯性导航方程惯性导航方程地球系导航方程:地球系导航方程:优点优点:在卫星/惯性组合导航系统中,将ECEF系定位惯性导航计算坐标系,较为便利。在某些应用中,比如航空摄影测量,在ECEF系中表示最终导航结果更加方便。缺点缺点:用做导航的ECEF系,绕传感器测量输出的惯性系存在转动,这会增加求解的复杂性。 下图展示了如何利用角速率和比力测量值,更新地球系下姿态、速度和位置的过程惯性导航方程惯性导航方程惯性导航方程惯性导航方程当地导航系导航方程当地导航系导航方程:在当地导航系进行惯性导航计算时,ECEF系被作为参考系,而当地导航系构成解析投影坐标系。优点
12、优点:计算的导航结果适合用户直接使用。缺点缺点:相比于ECI系和ECEF系中的导航计算,在当地导航系中导航计算增加了复杂程度。 下图展示了如何利用角速率和比力测量值,更新地球系下姿态、速度和位置的过程惯性导航方程惯性导航方程7.1概述7.2惯性传感器7.3惯性测量单元7.4惯性导航方程7.5惯性导航方程的解算方法7 现代导航概论7.6惯性导航系统初始对准7.7惯性导航系统误差传递理论7.8平台惯导系统与捷联惯导系统简介惯性导航方程的解算方法惯性导航方程的解算方法 惯性导航方程的设计实现,是综合考虑精度精度、计算效率计算效率和复杂性复杂性三者之后的折衷。不能使三者同时达到最优。导航方程的精度又取
13、决于三个因素:迭代频率迭代频率、所用近似方所用近似方法的特性法的特性以及动态震动环境动态震动环境。 传统上,对惯性导航的精度需求很高。时至今日,采用高速的处理器往往比耗费大量的努力去设计、实现以及调试复杂的导航公式具有更高的效费比。惯性导航方程的解算方法惯性导航方程的解算方法迭代频率:迭代频率:如果处理惯性传感器测量值的频率低于IMU输出的频率,将会产生误差。在给定的动态等级条件下,积分步长越大(迭代频率越低)上述近似产生的误差就越大。因而,提高给定的导航方程组的迭代计算频率,可以提高导航精度。给定迭代频率时,在导航方程计算的不同阶段,采用不同的近似方法,对整体误差预算会产生不同的影响效果。相
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