陀螺仪与惯性导航共17页
惯性导航陀螺仪
当汽车行驶到地下隧道、高层楼群、高速公路等遮掩物而与捕获不到GPS卫星信号时，系统可自动导入自律导航系统，此时由车速传感器检测出汽车的行进速度，通过微处理单元的数据处理，从速度和时间中直接算出前进的距离，陀螺传感器直接检测出前进的方向，陀螺仪还能自动存储各种数据，即使在更换轮胎暂时停车时，系统也可以重新设定。
惯性导航 inertial?navigation???? 通过测量飞行器的加速度(惯性)，并自动进行积分运算，获得飞行器瞬时速度和瞬时位置数据的技术。
组成惯性导航系统的设备都安装在飞行器内，工作时不依赖外界信息，也不向外界辐射能量，不易受到干扰，是一种自主式导航系统。
1942年德国在V-2火箭上首先应用了惯性导航原理。
1954年惯性导航系统在飞机上试飞成功。
1958年舡鱼号潜艇依靠惯性导航在北极冰下航行21天。
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。
惯性测量装置包括加速度计和陀螺仪，又称惯性导航组合。
3个自由度陀螺仪用来测量飞行器的3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。
按照惯性导航组合在飞行器上的安装方式，分为平台式惯性导航系统(惯性导航组合安装在惯性平台的台体上)和捷联式惯性导航系统(惯性导航组合直接安装在飞行器上)；后者省去平台，所以结构简单、体积小、维护方便，但仪表工作条件不佳(影响精度)，计算工作量大。
陀螺仪 gyroscope??? 由一个高速旋转转子和保证转子的旋转轴能在空间自由转动的支承系统组成的仪器。
简称陀螺，又称回转仪(见图)。
陀螺仪是量测载体的方位或角速度的核心元件，利用它的动力学特性制成的各种仪表或装置（见陀螺装置）广泛用于航空、航天、航海的导航系统和稳定装置中。
???? 陀螺仪可根据不同的支承方式分类：由一个或两个框架支承的陀螺仪称为框架陀螺仪；利用静电场或磁场支承的陀螺仪称为静电支承或磁支承陀螺仪；利用液体或气体润滑膜支承的陀螺仪称为液浮或气浮陀螺仪；利用挠性接头支承的陀螺仪称为挠性陀螺仪。
陀螺仪原理惯性导航精选幻灯片
实际的陀螺仪中，由于结构和工艺的不完 备，总是不可避免的存在着干扰力矩。从而破 坏了稳定性，产生了章动（瞬时冲击力矩）和 进动（一定持续时间的力矩） 。
章动：陀螺受 到瞬时冲击力矩作 用后，自转轴在原 位附近做微小的圆 锥运动，其转子轴 的大方向基本不变。
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2、陀螺相对地球的视在运动 由于陀螺仪的转动相对惯性空间保持方向
3.本身作为一个元部件，与其它自动控制元部件 组成各种陀螺装置。如陀螺稳定平台，惯性导 航系统等。
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2.1 三自由度陀螺及基本特性 一、两个主要特性：
稳定性：陀螺转子绕自转轴高速旋转即具 有动量矩时，如果不受外力矩作用，自转轴将 相对惯性空间保持方向不变的特性。
进动性：在陀螺上施加外力矩时，会引起 陀螺动量矩矢量相对惯性空间转动的特性。
陀螺的应用：指示仪表，传感器，把陀螺本身作为 一个元部件，与其他自动控制元部件组成各种陀螺装
置。
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基本部件：陀螺转子，内、外框架（支承部 件），附件（电机、力矩器等）
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陀螺应用
1.指示仪表：指示飞机俯仰角和倾斜角的航空地 平仪，指示航向角的罗盘，指示转弯方向和速 度的转弯仪。
2.传感器:输出与被测量参数成一定关系的电信 号。如陀螺航向传感器，角速度传感器。
哥氏加速度是由于质点不仅做圆周运动， 而且也做径向或周向运动所产生的。
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陀螺简介
陀螺是什么？ 我们小时候都玩过它。它是
一种圆锥形玩具，下端有尖针， 绕上细绳，猛甩出去就能在地上 旋转。 陀螺定义：绕自身对称轴高速旋转 的刚体。（刚体—不变形的固体）
为什么用鞭子抽 打后，先轻微摆 动，后绕自转轴
高速旋转？
2.1 三自由度陀螺及基本特性 2.2 陀螺力矩 2.3 坐标系关系 2.4 二自由度陀螺及其应用
《陀螺仪与惯导》课件
结论
陀螺仪与惯导作为现代导航和控制系统的重要组成部分，在航空航天、航 海、军事、交通、运动器材等领域得到广泛使用。随着技术的日益成熟和 应用场景的不断拓展，它们具有广阔的应用前景。
惯导仪的工作原理是基于牛顿第一定律，利用 加速度计测量直线加速度，再通过对加速度的 积分得到速度和位置信息。
陀螺仪的分类和运用领域
航空航天
飞机、导弹、卫星、航母等复 杂系统的导航、姿态控制、随 动平台等。
水面舰船
船舶、潜艇、遥控船等的自动 导航、稳定性控制和动态姿态 补偿，保证良好的航行性能。
汽车
并级惯导
车载导航、惯性测量单元 等便携式应用，以及姿态 控制等微小型载荷的试验 测试。
航空航天
汽车
飞机、导弹、卫星等复杂系统 的初始对准、飞行控制和导航， 保证高精度的位置、速度和姿 态信息。
车辆动态稳定控制、陀螺仪式 导航等，提高驾驶安全和舒适 性。
航天器和导弹
航天器进入轨道前的精确定位、 姿态调整和火箭导弹的制导系 统，确保极高的导航精度和命 中率。
陀螺仪和惯导的工作原理及区别
陀螺仪
按照旋转轴的不同，可分为陀螺式、圆盘式和 振荡器式，其中陀螺式陀螺仪是最常见的一种。
陀螺仪的工作原理是基于质量守恒和角动量守 恒原理，利用内部转子的角动量维持和检测平 台的角运动状态。
惯导仪
根据陀螺仪和加速度计的不同组合方式，可分 为串级、并级和纯陀螺式的惯性导航系统，其 中串级惯导系统是最为常见的一种。
陀螺仪和惯导的应用举例
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飞机、船舶的导航
利用水平和垂直陀螺仪，加速度计、罗盘等传感器，实现飞机和船舶的控制与导 航，保证航线和航速的准确稳定。
2
火箭、导弹的控制
陀螺仪基本知识惯性导航
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将大地水准体用 一个有确定参数的 旋转椭球体来逼近 代替（如椭球面与 真实大地水准面之 间的高度差的偏差 平方和最小），这 种旋转椭球体称为 参考椭球体，简称 参考椭球。
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国际通用参考椭球体
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WGS-84坐标系基本参数
（1）椭球长半径 (a) 6378137 2m;
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5.机体坐标系 OX BY(BMZBobile Frame，Body Frame )
机体坐标系与飞机固连，
用表示OX BYB，Z坐B 标原点 机O纵与轴飞一机致重，心重O与合Z飞，B 机O竖X与B轴飞
一致， O与Y飞B 机横轴一致。Fra bibliotekZB YB
XB
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6.平台坐标系OX pYpZ（pPlatform frame ）
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二、惯性系统中常用的坐标系
在地球上进行导航，所定义的坐标系要将惯导系统 的测量值与地球的主要方向联系起来。因此涉及到了 各种不同的坐标系，主要有以下几类：
陀螺坐标系 地理坐标系 惯性坐标系 地球坐标系 载体坐标系
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1.陀螺坐标系oxyz
x轴：与陀螺内环轴一致，固连于内环上； z轴：与陀螺转子轴一致，固连于内环上；但不随转子转动； y轴：与oxy平面平行，大方向与外环一致，但一般不与外环轴一致
2.传感器:输出与被测量参数成一定关系的电信号 。如陀螺航向传感器，角速度传感器。
3.本身作为一个元部件，与其它自动控制元部件 组成各种陀螺装置。如陀螺稳定平台，惯性导 航系统等。
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NS●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。
惯性导航ppt课件
受任何干扰 、隐蔽性强 、输出信息量大 、输出信息实时性强
等优点 ，使其在军事领域和许多民用领域都得到了广泛的应
用 ，已被许多机种选为标准导航设备或必装导航设备 。
一、惯性导航技术的发展历史
图1.4 陀螺仪弹
惯性导航是一门涉及精密机械、计算机技术、微电子、光 学、自动控制、材料等多种学科和领域的综合技术。由于陀螺 仪是惯性导航的核心部件，因此，可以按各种类型陀螺出现的 先后、理论的建立和新型传感器制造技术的出现，将惯性技术 的发展划分为四代。
几种姿态结算是重点
三、惯导系统的分类
Bortz 和 Jordon 最早提出了等效旋转矢量概念用于陀 螺输出不可交换误差的修正， 从而在理论上解决了不可交换 误差的补偿问题， 其后的研究就主要集中在旋转矢量的求解 上 ，根据在相同姿态更新周期内 ，对陀螺角增量等间隔采样 数的不同 、有双子样算法、 三子样算法等 。为减少计算量 Gilmore 提出了等效旋转矢量双回路迭代算法Miller 讨论 了在纯锥运动环境下等效旋转矢量的三子样优化算法， 此后 ，在 Miller 理论的基础上 Jang G. Lee 和 Yong J.Yoon 对等效旋转矢量的四子样优化算法进行了研究。 Y.F.Jiang 对利用陀螺的角增量及前一更新周期采样值的算法进行了研究 ， 研究结果表明， 采样阶数越高，更新速率越快 ，姿态更新 算法的误差就越小。 Musoff 提出了圆锥补偿算法的优化指 标， 分析了圆锥补偿后的算法误差与补偿周期幂次 r 的关系 。 这些理论研究奠定了姿态更新算法的经典理论基础 。
一、惯性导航技术的发展历史
图1.5 惯导技术发展历史
二、惯性传感器的最新发展现状
2.1陀螺仪 定义：传统意义上的陀螺仪是安装在框架中绕回转体的对
惯性导航系统概论惯性导航
惯性导航系统概论惯性导航惯性导航系统（Inertial Navigation System，简称INS）是一种利用陀螺仪和加速度计等惯性传感器，通过测量物体的加速度和角速度来推导出物体的位置、方向和速度的导航系统。
与传统的基于外部引导信号的导航系统相比，惯性导航具有独立、快速响应和高精度等优点，因此在航空航天、船舶、火箭、导弹等领域得到广泛应用。
传感器部分是惯性导航系统的输入部分，主要由陀螺仪和加速度计两种惯性传感器组成。
陀螺仪用于测量物体的角速度，加速度计用于测量物体的线加速度。
陀螺仪通常有旋转式陀螺仪和光纤陀螺仪两种类型，光纤陀螺仪具有高精度和长寿命等优点。
加速度计常用的有压电式加速度计和微机械加速度计等。
计算部分是惯性导航系统的核心部分，主要包括运动方程、数值积分和误差补偿三个模块。
在运动方程模块中，根据牛顿第二定律和角动量守恒定律，建立物体的运动方程。
在数值积分模块中，对加速度和角速度数据进行积分，得到物体的速度和位移。
在误差补偿模块中，对传感器测量误差进行补偿，提高导航系统的精度和稳定性。
惯性导航系统的工作过程可以简单描述为：系统首先将初始位置和方向输入，并根据运动方程和数值积分推导出物体的速度和位移。
然后，系统利用传感器测量物体的加速度和角速度，并进行误差补偿，对上一时刻的位置和方向进行更新。
通过不断重复上述步骤，惯性导航系统能够实时更新物体的位置、方向和速度信息。
惯性导航系统具有许多优点。
首先，惯性导航系统不依赖于外部引导信号，具有独立工作的能力，能够在无GPS信号或其他导航信号的情况下进行导航定位。
其次，惯性导航系统响应速度快，能够实时更新导航信息，适用于需要高频率更新的应用场景。
此外，惯性导航系统具有高精度的特点，可以满足精密导航的需求。
然而，惯性导航系统也存在一些问题。
由于传感器测量误差的存在，惯性导航系统会产生导航漂移问题，即导航误差会随着时间的推移不断累计。
为了解决导航漂移问题，可以采用多传感器融合技术，将惯性导航系统与其他导航系统（如GPS）相结合，提高导航精度和可靠性。
惯性导航_第3章
武汉大学测绘学院 卫星应用研究所
它的核心部分为产生谐振运动的壳体(或
称谐振子)。谐振壳体有圆柱形和半球形 两种类型，目前后者应用较普遍。 半球谐振陀螺仪的随机漂移率可做到 0.005度/小时，可应用于炮弹的制导系 统中。
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6.激光陀螺仪
早在1913年，法国科 学家萨格奈克 (Sagnac)提出一种 环形回路干涉仪，即 著名的萨格奈克干涉 仪，它成后来开发发 激光陀螺仪的基础。
陀螺仪— — 旋转的不倒翁
广义讲,凡是绕定点转动的刚体都可称为陀螺 仪;狭义讲,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成为应用的陀螺 仪。 1852年法国科学家傅科给陀螺仪定义为具有大 角动量的装置。陀螺(gyroscope)一词起源于 文明古国希腊,它含有“ 对称和旋转” 的意思,俄 语和英语中陀螺这一单词都是取自希腊语中的 译音,即含有“ 观察转动装置” 的意思。
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常用的各种陀螺仪
自从框架式陀螺仪被应用到 工程实际后，为了减少支承 的干扰力矩，先后发展了下 列各种不同支承的陀螺仪， 此外还发展了没有转子和支 承等转动部件的光学陀螺 仪，例如激光陀螺仪、光纤 陀螺仪等已得到广泛应用。
1.液浮陀螺仪 2.气浮陀螺仪 3.静电陀螺仪 4.挠性陀螺仪 5.谐振式陀螺仪 6.激光陀螺仪 7.光纤陀螺仪
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转子陀螺仪的组成与精度指标
在转子式陀螺仪中，最基本的元件包括下列 四种 : 1.陀螺转子及其驱动元件 2.万向支架 3.力矩器 4.角度传感器
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11、战争满足了，或曾经满足过人的 好斗的 本能， 但它同 时还满 足了人 对掠夺 ，破坏 以及残 酷的纪 律和专 制力的 欲望。 ——查·埃利奥 特 12、不应把纪律仅仅看成教育的手段 。纪律 是教育 过程的 结果， 首先是 学生集 体表现 在一切 生活领 域—— 生产、 日常生 活、学 校、文 化等领 域中努 力的结 果。— —马卡 连柯(名 言网)
13、遵守纪律的风气的培养，只有领 导者本 身在这 方面以 身作则 才能收 到成效 。—— 马卡连 柯 14、劳动者的组织性、纪律性、坚毅 精神以 及同全 世界劳 动者的 团结一 致，是 取得最 后胜利 的保证 。—— 列宁 摘自名言网
15、机会是不守纪律的。——雨果
56、书不仅是生活，而且是现在、过 去和未 来文化 生活的 源泉。 ——库 法耶夫 57、生命不可能有两次，但许多人连一 次也不 善于度 过。— —吕凯 特 58、问渠哪得清如许，为来 愈发觉 自己的 无知。 ——笛 卡儿
拉
60、生活的道路一旦选定，就要勇敢地 走到底 ，决不 回头。 ——左