《惯性导航系统》课件：精准定位与导航原理

《惯性导航系统》精准定位与导航原理本课件旨在全面介绍惯性导航系统（INS）的原理、组成、误差分析与校正方法，以及其在不同领域的应用通过本课程的学习，您将深入了解惯性导航的核心技术，掌握其数学基础，并能分析和解决实际应用中遇到的问题让我们一起探索精准定位与导航的奥秘！课程概述惯性导航的重要性自主性强实时性高抗干扰能力强惯性导航系统不依赖外部信号，具有完INS能够实时提供载体的位置、速度和姿由于不依赖外部信号，INS不易受到电磁全的自主性，适用于各种复杂环境，特态信息，满足高动态导航的需求，这对干扰和欺骗，具有很强的抗干扰能力，别是在GPS信号受限或不可用的情况下于需要快速反应的军事和航空应用至关确保导航系统的可靠性和安全性，其重要性尤为突出重要惯性导航的基本概念定义原理12惯性导航是一种不依赖外部信基于牛顿力学定律，通过测量息，利用惯性传感器测量载体载体在惯性空间中的加速度，的加速度和角速度，通过积分经过两次积分得到位移，从而运算来确定载体的位置、速度实现导航同时，利用陀螺仪和姿态的自主导航方法测量载体的角速度，确定姿态变化特点3自主性、实时性、抗干扰能力强，但存在误差累积问题误差随时间增长，需要定期校正或与其他导航技术组合使用惯性导航系统的组成惯性测量单元（）数据处理单元IMU包含陀螺仪和加速度计，用于测负责接收IMU的测量数据，进行量载体的角速度和加速度IMU数据处理、坐标转换、姿态解算是INS的核心部件，其性能直接、速度解算和位置解算数据处影响导航精度理单元通常由高性能计算机或嵌入式系统实现电源为INS提供稳定的电力供应，确保系统的正常工作电源的稳定性和可靠性对INS的性能至关重要惯性元件陀螺仪作用类型关键指标测量载体的角速度，用机械陀螺仪、光纤陀螺零偏稳定性、角度随机于确定载体的姿态变化仪（FOG）、环形激光游走、标度因数误差等陀螺仪的精度直接影陀螺仪（RLG）、这些指标直接影响陀响姿态解算的精度MEMS陀螺仪等不同螺仪的测量精度和INS类型的陀螺仪具有不同的导航性能的精度、尺寸和功耗陀螺仪的工作原理角动量守恒进动测量角速度基于角动量守恒定律，当陀螺仪的转子旋进动是指陀螺仪的旋转轴绕垂直于力矩方通过测量进动角速度，可以确定外部力矩转时，其角动量保持不变外部力矩作用向的轴旋转进动角速度与力矩大小成正的大小，从而计算出载体的角速度不同于陀螺仪时，会引起进动比，方向与力矩方向垂直的陀螺仪采用不同的方法测量进动角速度陀螺仪的分类与特性机械陀螺仪光纤陀螺仪（）环形激光陀螺仪（陀螺仪FOG RLGMEMS）利用高速旋转的转子实现角利用Sagnac效应测量角速度利用微机械结构测量角速度速度测量精度高，但体积精度中等，体积小、功耗利用激光干涉原理测量角速体积小、功耗低、成本低大、功耗高、寿命短常用低、寿命长应用广泛，性度精度高，稳定性好，但，但精度较低适用于消费于高精度导航系统价比高结构复杂、成本高常用于电子和低精度导航系统高精度导航系统惯性元件加速度计作用类型关键指标测量载体的加速度，用机械加速度计、石英挠零偏稳定性、噪声、标于确定载体的速度和位性加速度计、MEMS加度因数误差等这些指置变化加速度计的精速度计等不同类型的标直接影响加速度计的度直接影响速度和位置加速度计具有不同的精测量精度和INS的导航解算的精度度、尺寸和功耗性能加速度计的工作原理牛顿第二定律基于牛顿第二定律，加速度计测量的是作用在质量块上的力，该力与质量块的加速度成正比测量力通过测量力的大小，可以确定质量块的加速度不同的加速度计采用不同的方法测量力的大小压电效应有些加速度计利用压电效应，将力转换为电信号力越大，产生的电信号越强加速度计的分类与特性机械加速度计石英挠性加速度计加速度计MEMS利用机械结构测量加速度精度高，但利用石英晶体的挠性振动特性测量加速利用微机械结构测量加速度体积小、体积大、功耗高、寿命短常用于高精度精度较高，稳定性好，体积适中功耗低、成本低，但精度较低适用于度导航系统应用广泛消费电子和低精度导航系统惯性导航的数学基础坐标系定义常用坐标系12坐标系是描述物体位置和姿态地球坐标系（ECEF）、导航的参考框架在惯性导航中，坐标系（NED）、载体坐标系需要定义不同的坐标系，以便（b系）、惯性坐标系（i系）进行坐标转换和姿态解算等不同的坐标系具有不同的特点和应用场景坐标转换3将物体在不同坐标系中的坐标进行转换，以便进行导航计算坐标转换是惯性导航的关键步骤导航坐标系的选择坐标系坐标系选择原则NED ENU北东地坐标系，以当地的北向、东向和东东北坐标系，以当地的东向、北向和根据具体的应用场景和导航需求选择合地向为坐标轴适用于低速、小范围的天向为坐标轴适用于高精度定位和姿适的导航坐标系需要考虑导航精度、导航态解算计算复杂度和坐标转换的难易程度坐标系之间的转换旋转矩阵转换公式计算方法利用旋转矩阵描述不同坐标系之间的旋根据不同坐标系之间的旋转关系，推导利用旋转矩阵和转换公式，将物体在不转关系旋转矩阵是正交矩阵，其逆矩出坐标转换公式坐标转换公式通常包同坐标系中的坐标进行转换坐标转换阵等于其转置矩阵含旋转矩阵和位移向量的精度直接影响导航精度姿态角的定义与表示定义表示方法姿态角是描述载体姿态的三个角欧拉角、四元数、旋转矩阵等度，通常包括横滚角（Roll）、不同的表示方法具有不同的特点俯仰角（Pitch）和偏航角（和适用场景Yaw）选择原则根据具体的应用场景和导航需求选择合适的姿态角表示方法需要考虑计算复杂度和奇异性问题欧拉角定义优点缺点欧拉角是用三个旋转角度来描述刚体在直观易懂，符合人们的直觉欧拉角可存在奇异性问题，即万向节锁现象当三维空间里的取向这三个角度分别是以直接表示载体的姿态俯仰角为±90度时，横滚角和偏航角重合横滚角、俯仰角和偏航角，导致姿态解算失效四元数定义优点缺点四元数是一种超复数，由一个实部和三不存在奇异性问题，可以避免万向节锁不直观，难以理解四元数需要经过转个虚部组成四元数可以用来表示三维现象四元数在姿态解算中具有良好的换才能得到载体的姿态角空间中的旋转稳定性姿态更新算法积分2对角速度数据进行积分，得到姿态变化量陀螺仪数据1接收陀螺仪的角速度数据更新利用姿态变化量更新载体的姿态角或四3元数捷联式惯性导航系统定义优点捷联式INS是指惯性传感器直接体积小、重量轻、成本低、可靠固联在载体上，通过数据处理单性高捷联式INS具有很强的适元解算载体姿态和位置的INS应性，可以应用于各种载体是现代INS的主流形式缺点对数据处理能力要求高，需要实时解算姿态和位置捷联式INS的精度受到传感器误差和算法误差的影响捷联式的特点INS传感器固联数据处理12惯性传感器直接固联在载体上通过数据处理单元解算载体姿，无需平台稳定机构简化了态和位置对数据处理能力要系统结构，降低了成本求高，需要实时解算误差累积3存在误差累积问题，需要定期校正或与其他导航技术组合使用误差随时间增长，影响导航精度捷联式的计算流程INS数据采集采集陀螺仪和加速度计的测量数据数据预处理对测量数据进行滤波、校正等预处理姿态解算利用姿态更新算法解算载体的姿态速度解算利用加速度计数据解算载体的速度位置解算利用速度数据解算载体的位置姿态解算原理常用算法误差来源利用陀螺仪测量的角速度，通过积分运欧拉角法、四元数法、旋转矩阵法等陀螺仪误差、积分误差、算法误差等算得到载体的姿态变化姿态解算是捷不同的算法具有不同的特点和适用场景这些误差会影响姿态解算的精度联式INS的关键步骤速度解算原理常用算法误差来源利用加速度计测量的加速度，通过积分梯形积分法、龙格-库塔法等不同的算加速度计误差、积分误差、姿态误差等运算得到载体的速度变化速度解算是法具有不同的精度和计算复杂度这些误差会影响速度解算的精度捷联式INS的重要步骤位置解算原理常用算法误差来源利用速度解算得到的速度，通过积分运梯形积分法、龙格-库塔法等不同的算速度误差、积分误差、姿态误差等这算得到载体的位置变化位置解算是捷法具有不同的精度和计算复杂度些误差会影响位置解算的精度联式INS的最终目标惯性导航误差分析误差来源误差传播12陀螺仪误差、加速度计误差、误差会随着时间传播，导致位初始对准误差、计算误差等置误差、速度误差和姿态误差这些误差会导致导航精度下降不断增大需要采取措施抑制误差传播误差建模3对误差进行建模，以便进行误差分析和校正常用的误差模型包括随机误差模型和确定性误差模型陀螺仪误差模型确定性误差随机误差建模方法零偏、标度因数误差、安装误差等这角度随机游走、零偏不稳定性等这些AR模型、MA模型、ARMA模型等选些误差可以通过标定进行补偿误差难以通过标定进行补偿，需要利用择合适的误差模型可以提高误差校正的滤波算法进行抑制精度加速度计误差模型确定性误差随机误差建模方法零偏、标度因数误差、安装误差等这速度随机游走、零偏不稳定性等这些AR模型、MA模型、ARMA模型等选些误差可以通过标定进行补偿误差难以通过标定进行补偿，需要利用择合适的误差模型可以提高误差校正的滤波算法进行抑制精度误差传播方程状态方程观测方程卡尔曼滤波描述系统状态随时间变化的方程在惯描述系统观测值与系统状态之间的关系利用状态方程和观测方程，对系统状态性导航中，状态方程描述了位置误差、在惯性导航中，观测方程描述了陀螺进行估计和校正卡尔曼滤波是惯性导速度误差和姿态误差随时间的变化仪和加速度计的测量值与系统状态之间航误差校正的重要方法的关系误差校正方法标定1对陀螺仪和加速度计的确定性误差进行补偿标定可以提高传感器的测量精度滤波2对陀螺仪和加速度计的随机误差进行抑制常用的滤波算法包括卡尔曼滤波、粒子滤波等组合导航3与其他导航技术组合使用，利用其他导航技术的优势弥补惯性导航的不足常用的组合导航技术包括GPS、里程计等卡尔曼滤波原理步骤应用利用状态方程和观测方程，对系统状态状态预测、观测更新、状态校正等卡惯性导航误差校正、组合导航、目标跟进行最优估计卡尔曼滤波是一种递推尔曼滤波的精度受到状态方程和观测方踪等卡尔曼滤波是现代控制理论的重滤波算法，可以实时估计系统状态程的精度的影响要组成部分零速度更新（）ZUPT原理实现应用当载体静止或低速运动时，利用加速度通过检测加速度计的输出是否接近于零步态导航、行人导航等ZUPT可以有效计测量到的加速度接近于零的特性，对，判断载体是否处于静止或低速运动状抑制惯性导航系统的误差累积惯性导航系统进行误差校正态当检测到静止或低速运动状态时，将速度误差置零里程计辅助导航原理实现应用利用里程计测量载体的行驶距离，对惯性通过测量车轮的转动圈数，计算载体的行车辆导航、机器人导航等里程计可以有导航系统进行误差校正里程计可以提供驶距离里程计的精度受到车轮打滑、轮效抑制惯性导航系统的误差累积载体的速度信息胎磨损等因素的影响全球定位系统（）辅助导航GPS原理实现应用利用GPS提供的精确位置信息，对惯性通过卡尔曼滤波等算法，将GPS的位置航空导航、航海导航、车辆导航等导航系统进行误差校正GPS可以提供和速度信息与惯性导航系统的信息进行GPS可以有效抑制惯性导航系统的误差载体的位置和速度信息融合，得到更精确的导航结果累积组合导航系统导航GPS提供精确的位置和速度信息，但易受干2扰惯性导航1提供自主导航能力，抗干扰能力强数据融合利用卡尔曼滤波等算法，将惯性导航和GPS的信息进行融合，得到更精确的导3航结果惯性导航与其他导航技术的融合最优导航1信息融合2多种传感器3惯性导航与其他导航技术的融合是提高导航精度的重要手段通过将惯性导航与其他导航技术的信息进行融合，可以得到更精确、更可靠的导航结果组合导航的优势提高精度提高可靠性提高适应性123通过信息融合，可以提高导航精度多种导航技术相互补充，提高了导适应各种复杂环境，确保导航系统，降低误差累积航系统的可靠性的正常工作组合导航的架构松组合1惯性导航和GPS分别进行导航解算，然后将解算结果进行融合紧组合2将GPS的原始测量数据与惯性导航的信息进行融合，然后进行导航解算深组合3将GPS接收机的信号处理过程与惯性导航的信息进行融合，实现更高级别的信息融合惯性导航在航空领域的应用飞行控制自动着陆导弹制导提供飞机的姿态、速度辅助飞机进行自动着陆为导弹提供制导信息，和位置信息，用于飞行，提高着陆的安全性和提高导弹的命中精度控制和导航精度惯性导航在航海领域的应用船舶导航水下导航海洋勘探提供船舶的姿态、速度为潜艇提供水下导航信为海洋勘探设备提供导和位置信息，用于船舶息，确保潜艇的安全航航信息，提高勘探的精导航和控制行度和效率惯性导航在陆地车辆导航领域的应用车辆导航自动驾驶地图测绘提供车辆的姿态、速度和位置信息，用于为自动驾驶车辆提供环境感知和定位信息为地图测绘车辆提供高精度的定位信息，车辆导航和控制，实现自动驾驶功能提高地图测绘的精度和效率惯性导航在机器人领域的应用自主导航姿态控制工业自动化为机器人提供自主导航为机器人提供精确的姿应用于工业自动化领域能力，使其能够在未知态控制，使其能够完成，提高生产效率和精度环境中自主移动复杂的任务惯性导航在地下导航领域的应用矿井导航隧道施工地下管线为矿井车辆和人员提供为隧道施工设备提供定为地下管线探测设备提导航信息，确保安全生位信息，提高施工精度供导航信息，提高探测产和效率的精度和效率惯性导航系统MEMS定义特点应用MEMS惯性导航系统是指采用微机电体积小、重量轻、功耗低、成本低，智能手机、平板电脑、可穿戴设备、系统（MEMS）技术制造的惯性导航但精度较低适用于消费电子和低精无人机等MEMS惯性导航系统应用系统具有体积小、功耗低、成本低度导航系统广泛，市场潜力巨大等优点技术的优势MEMS体积小功耗低12MEMS器件的尺寸通常在微米MEMS器件的功耗通常较低，级别，可以实现高度集成适用于电池供电的设备成本低3MEMS器件可以批量生产，降低了生产成本惯性传感器的特点MEMS体积小功耗低成本低精度低MEMS惯性传感器的尺寸通MEMS惯性传感器的功耗通MEMS惯性传感器可以批量MEMS惯性传感器的精度通常在毫米级别，可以集成到常较低，适用于电池供电的生产，降低了生产成本常较低，适用于低精度导航各种小型设备中设备系统惯性导航的应用前景MEMS智能手机MEMS惯性导航可以提高智能手机的定位精度和用户体验可穿戴设备MEMS惯性导航可以为可穿戴设备提供运动跟踪和导航功能无人机MEMS惯性导航可以提高无人机的自主飞行能力和任务执行能力光纤陀螺仪（）FOG定义特点光纤陀螺仪是一种利用Sagnac精度中等、体积小、功耗低、寿效应测量角速度的陀螺仪具有命长、抗震动能力强应用广泛精度中等、体积小、功耗低、寿，性价比高命长等优点应用航空导航、航海导航、车辆导航、机器人导航等光纤陀螺仪应用广泛，市场潜力巨大的工作原理FOG效应测量光程差计算角速度Sagnac当光在旋转的介质中传播时，顺时针和通过测量干涉条纹的移动量，可以确定利用Sagnac效应公式，计算出旋转介质逆时针方向的光程差会发生变化，从而旋转介质的角速度的角速度产生干涉条纹的移动的优势与应用FOG优势航空导航航海导航车辆导航精度中等、体积小、功耗低应用于飞机、导弹等航空器应用于船舶、潜艇等航海器应用于车辆、机器人等陆地、寿命长、抗震动能力强的导航和控制的导航和控制载体的导航和控制光纤陀螺仪具有很高的性价比环形激光陀螺仪（）RLG定义特点环形激光陀螺仪是一种利用激光精度高、稳定性好、动态范围大干涉原理测量角速度的陀螺仪、抗干扰能力强，但结构复杂、具有精度高、稳定性好等优点成本高应用航空导航、航天导航、精密测量等环形激光陀螺仪应用于高精度导航系统的工作原理RLG效应Sagnac当激光在旋转的环形腔中传播时，顺时针和逆时针方向的激光频率会发生变化测量频差通过测量顺时针和逆时针方向的激光频率差，可以确定旋转介质的角速度计算角速度利用Sagnac效应公式，计算出旋转介质的角速度的优势与应用RLG优势航空导航航天导航精密测量精度高、稳定性好、动态范应用于飞机、导弹等航空器应用于卫星、飞船等航天器应用于地球自转测量、地震围大、抗干扰能力强环形的导航和控制的导航和控制监测等精密测量领域激光陀螺仪是高精度导航系统的首选新型惯性导航技术的发展趋势小型化1惯性导航系统向小型化、集成化方向发展，以适应各种小型化设备的需求高精度2不断提高惯性导航系统的精度，以满足高精度导航的需求低功耗3降低惯性导航系统的功耗，以延长电池供电时间智能化4利用人工智能技术提高惯性导航系统的智能化水平，使其能够适应各种复杂环境无陀螺惯性导航原理优势挑战利用多个加速度计测量载体的线加速度成本低、体积小、功耗低无陀螺惯性精度较低、对加速度计的性能要求高，通过算法解算出载体的角速度和姿态导航系统具有很高的性价比需要解决加速度计的误差问题无需使用陀螺仪原子陀螺仪原理优势利用原子自旋的量子特性测量角精度极高、稳定性好、长期漂移速度具有极高的精度和稳定性小原子陀螺仪是未来高精度导航系统的发展方向挑战体积大、功耗高、成本高原子陀螺仪的实用化还面临很多挑战量子导航原理优势挑战利用量子力学的原理进行导航具有极精度极高、抗干扰能力强、安全性高技术难度高、成本高、实用化还面临很高的精度和安全性量子导航是未来导航技术的发展方向多挑战量子导航的研究还处于起步阶段课程总结惯性导航的关键技术惯性传感器技术数据处理技术12陀螺仪和加速度计是惯性导航数据处理单元负责接收IMU的系统的核心部件，其性能直接测量数据，进行数据处理、坐影响导航精度标转换、姿态解算、速度解算和位置解算误差校正技术3误差校正技术是提高惯性导航系统精度的关键常用的误差校正方法包括标定、滤波和组合导航惯性导航的挑战与未来挑战未来提高精度、降低成本、缩小体积、降低功耗、提高可靠性惯性小型化、高精度、低功耗、智能化、量子化惯性导航技术的发导航技术的发展面临诸多挑战展前景广阔思考题惯性导航的误差来源及抑制方法•请列举惯性导航系统的主要误差来源•请分析不同误差来源对导航精度的影响•请提出抑制惯性导航系统误差的方法案例分析惯性导航系统故障诊断故障现象诊断步骤解决方法惯性导航系统输出的位置和速度信息与检查惯性传感器是否正常工作、检查数更换损坏的传感器、修复数据处理单元实际情况不符据处理单元是否正常工作、检查电源是、更换电源否稳定实验演示惯性导航系统的数据采集与处理数据采集数据处理结果分析利用惯性测量单元（IMU）采集载体对采集到的数据进行滤波、坐标转换分析解算得到的位置、速度和姿态信的角速度和加速度数据、姿态解算、速度解算和位置解算息，评估惯性导航系统的性能。