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慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)是一種自主式的導(dǎo)航設(shè)備，能連續(xù)、實(shí)時(shí)地提供載體位置、姿態(tài)、速度等信息。該設(shè)備被廣泛應(yīng)用于 領(lǐng)域，是現(xiàn)代 系統(tǒng)的核心技術(shù)產(chǎn)品。隨著成本的降低和需求的增長(zhǎng)，慣性導(dǎo)航技術(shù)已擴(kuò)展到資源勘測(cè)、地球物理測(cè)量、海洋探測(cè)、鐵路及隧道等商用領(lǐng)域。

不同領(lǐng)域使用慣性傳感器的目的、方法大致相同，但對(duì)器件性能要求的側(cè)重各不相同。從精度方面來(lái)看，航天與航海領(lǐng)域?qū)纫蟾?，其連續(xù)工作時(shí)間也長(zhǎng)；從系統(tǒng)壽命來(lái)看，衛(wèi)星、空間站等航天器要求最高，因其發(fā)射升空后不可更換或維修；制導(dǎo) 對(duì)系統(tǒng)壽命要求最短，但須要滿(mǎn)足長(zhǎng)時(shí)間戰(zhàn)備要求，此外對(duì)可靠性要求也比較高。

慣性導(dǎo)航工作原理

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是一種自主式的導(dǎo)航方法，它完全依靠載體上的設(shè)備自主地確定載體的航向、位置、姿態(tài)和速度等導(dǎo)航參數(shù)，而不需要借助外界任何的光、電、磁等信息。

其基本工作原理是以牛頓力學(xué)定律為基礎(chǔ)，通過(guò)測(cè)量載體在慣性參考系的加速度、角加速度，將它對(duì)時(shí)間進(jìn)行一次積分，求得運(yùn)動(dòng)載體的速度、角速度，之后進(jìn)行二次積分求得運(yùn)動(dòng)載體的位置信息，然后將其變換到導(dǎo)航坐標(biāo)系，得到在導(dǎo)航坐標(biāo)系中的速度、偏航角和位置信息等。

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)分類(lèi)

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)根據(jù)陀螺儀的不同，可分為機(jī)電(包含液浮、氣浮、靜電、撓性等種類(lèi))陀螺儀、光學(xué)(包含激光、光纖等種類(lèi)) 陀螺儀、微機(jī)械(MEMS)陀螺儀等類(lèi)型的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。而根據(jù)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的力學(xué)編排實(shí)現(xiàn)形式又可以分為：平臺(tái)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。

平臺(tái)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是將陀螺儀和加速度等慣性元件通過(guò)萬(wàn)向支架角運(yùn)動(dòng)隔離系統(tǒng)與運(yùn)動(dòng)載物固聯(lián)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，通過(guò)框架伺服系統(tǒng)隔離了載體的角運(yùn)動(dòng)，因此可以獲得較高的系統(tǒng)精度，但其造價(jià)、維修費(fèi)用十分昂貴，而且其采用了框架伺服系統(tǒng)，相對(duì)可靠性將會(huì)下降。

捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，其慣性測(cè)量裝臵(加速度計(jì)和陀螺儀)直接裝在飛行器、艦艇、導(dǎo)彈等載體上，陀螺儀測(cè)量載體角運(yùn)動(dòng)，計(jì)算載體姿態(tài)角，從而確定加速度計(jì)敏感軸指向，再通過(guò)坐標(biāo)變換，將加速度計(jì)輸出的信號(hào)變換到導(dǎo)航坐標(biāo)系上，進(jìn)行導(dǎo)航計(jì)算。便于安裝、維修和更換，體積小，是其最大的優(yōu)點(diǎn)，但卻惡化了慣性測(cè)量裝臵工作環(huán)境，降低了系統(tǒng)的應(yīng)用精度。

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的核心元器件

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)通常由慣性測(cè)量裝臵、計(jì)算機(jī)、顯示器等組成。慣性測(cè)量裝臵由加速度計(jì)和陀螺儀這兩大核心慣性元器件組成。三個(gè)自由度的陀螺用來(lái)測(cè)量飛行器的角加速度，三個(gè)加速度計(jì)用來(lái)測(cè)量飛行器的加速度，計(jì)算機(jī)通過(guò)測(cè)得的角加速度和加速度數(shù)據(jù)計(jì)算出飛行器的速度和位子數(shù)據(jù)。下面就具體來(lái)說(shuō)說(shuō)這兩大核心慣性元器件。

陀螺儀

傳統(tǒng)意義上的陀螺儀是安裝在框架中繞回轉(zhuǎn)體的對(duì)稱(chēng)軸高速旋轉(zhuǎn)的物體，具有穩(wěn)定性和進(jìn)動(dòng)性，利用這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，現(xiàn)在習(xí)慣上把能夠完成陀螺功能的裝臵統(tǒng)稱(chēng)為陀螺。

陀螺儀種類(lèi)多樣，這里我們按照支承系統(tǒng)可分為滾珠軸承支承陀螺，液浮、氣浮與磁浮陀螺，撓性陀螺(動(dòng)力調(diào)諧式撓性陀螺儀)及靜電陀螺。陀螺儀即角速度傳感器，這里說(shuō)的是角速度而不是角度，角度是需要把角速度乘以時(shí)間算出來(lái)的。陀螺儀具有兩個(gè)特性：

定軸性：當(dāng)陀螺轉(zhuǎn)子以高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，在沒(méi)有任何外力矩作用在陀螺儀上時(shí)，陀螺儀的自轉(zhuǎn)軸在慣性空間中的指向保持穩(wěn)定不變，即指向一個(gè)固定的方向；同時(shí)反抗任何改變轉(zhuǎn)子軸向的力量。這種物理現(xiàn)象稱(chēng)為陀螺儀的定軸性或穩(wěn)定性。

進(jìn)動(dòng)性：轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，若外力矩作用于外環(huán)軸，陀螺儀將繞內(nèi)環(huán)軸轉(zhuǎn)動(dòng)；若外力矩作用于內(nèi)環(huán)軸，陀螺儀將繞外環(huán)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。其轉(zhuǎn)動(dòng)角速度方向與外力矩作用方向互相垂直。

加速度計(jì)

加速度計(jì)是用來(lái)感測(cè)運(yùn)動(dòng)載體，沿一定方向的比力的慣性器件，可以測(cè)量出加速度和重力，從而計(jì)算載體的速度和位臵。多數(shù)加速度傳感器是根據(jù)壓電效應(yīng)的原理來(lái)工作的。所謂的壓電效應(yīng)就是“對(duì)于不存在對(duì)稱(chēng)中心的異極晶體加在晶體上的外力除了使晶體發(fā)生形變以外，還將改變晶體的極化狀態(tài)，在晶體內(nèi)部建立電場(chǎng)，這種由于機(jī)械力作用使介質(zhì)發(fā)生極化的現(xiàn)象稱(chēng)為正壓電效應(yīng)”。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是東西壓在板子上，板子受到的力能通過(guò)一些手段測(cè)出來(lái)。

腦補(bǔ)一下，如果一個(gè)盒子的六個(gè)面都是用這種板子做的，然后里面放著一個(gè)球，然后球在每個(gè)面上的壓力都能輕而易舉的計(jì)算出來(lái)，用牛頓第一定律也就可以求出空間上的加速度。知道了角速度，線(xiàn)加速度，再加個(gè)時(shí)間積分，推算運(yùn)動(dòng)軌跡就不成問(wèn)題了。

標(biāo)簽： 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)