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惯性导航靠什么Carry全场?来补课

2022-07-09 Views:814

精度、速度和平衡是运动物体的关键。对于飞机、自动驾驶汽车、轮船、航天器、潜水艇、无人机 (UAV) 等复杂载运工具而言,配备一种精确系统来帮助维持并控制其运动至关重要。借助惯性导航系统,移动载运工具无需使用GPS即可安全、准确地完成任务。 


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惯性导航系统的工作原理

惯性导航系统 (INS) 无需GPS技术即可计算运动物体的位置、方向和速度。


INS设备通常使用加速度计和陀螺仪(即运动和旋转传感器),然后通过一个计算单元将数据转换成具备可操作性的控制指令。这是基本的惯性导航系统,也能增加其他功能,比如通过磁传感器和气压高度计进行升级。


INS运行于航位推算系统上,这意味着车辆的初始位置、速度和方向信息都来自外部数据源,其中可能是GPS信号接收机的数据或运营商的数据。通过这些数据,INS就能开始计算位置、速度和其他运动要素。随着车辆继续移动,基于运动传感器收集的大量信息,INS设备持续对运动要素进行计算和更新。 


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惯性导航系统的组成

如前所述,惯性导航系统主要由加速度计、陀螺仪以及处理运动传感器所提供信息的计算机组成。


陀螺仪用于测量传感器坐标系相对于惯性参考系的角速度。惯性参考系提供了系统的初始方向,在此基础上叠加角速度增量可确保惯性导航系统的方向始终可用。


陀螺仪提供方向信息时,加速度计会测量车辆相对于自身的线性加速度,从而提供速度和加速度方向的信息。角速度再加上线性加速度,就能提供移动中车辆所有位置变化的准确信息。


惯性导航系统的核心是惯性测量单元(IMU),而这些运动传感器则是IMU的重要组成部分。IMU是一种报告移动中车辆的运动和特性的设备,通常包括三个陀螺仪和三个加速度计;某些IMU还配备了磁力计。一个惯性导航系统至少需要包含三个加速度计和三个陀螺仪才能提供相应信息。


INS使用IMU提供的测量结果来计算车辆导航和控制所需的数据,如姿态、速度、方向等。


通过整合从运动传感器收集的数据,计算机单元可综合所有信息,从而计算出车辆的当前位置。


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惯性导航系统 vs GPS技术

GPS技术是指由卫星传输、地面控制段和专用设备支持的导航系统,能为陆地、空中和海上航行提供地理位置、时间、速度数据以及其他信息。为传达精确的测量结果,GPS设备至少需要与地球轨道卫星系统的四颗卫星保持连接。


GPS技术主要用于位置数据、测绘、移动物体跟踪、导航和定时估计与测量。但是,这些信息完全取决于卫星连接,如果GPS设备无法连接至少四个卫星,则提供的数据将不足以使设备正常运行。 


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GPS设备让智能手机如虎添翼,能让手机用户轻松到达目的地,预测交通量并向其他人展示自己的位置。但是,当涉及航空运输等复杂或关键活动时,除GPS技术外,还需要一个独立的解决方案。


惯性导航系统完成初始化后就是自主系统,不再依赖卫星连接,并且能提供比单独使用GPS设备更精细的数据。此外,由于它们是独立系统,因此其性能不会受到其它大功率信号源的干扰和影响。


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惯性导航系统:优势和挑战

惯性导航系统是陆地、海洋、空中和太空中复杂作业的理想解决方案,并且广泛适用于多种应用,包括被称为移动惯性导航系统的智能手机定位和跟踪。不过,它们主要的商业应用还是飞机和船舶导航、航天火箭制导。


随着微机电系统 (MEMS) 技术的进步,惯性导航系统变得更小更轻,如HGuide n380。

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HGuide n380惯性导航系统采用小巧轻便的封装,配备功能强大的惯性测量单元i300,并能提供超高精度的数据,如带时间戳的位置、速度、角速度、线性加速度、横滚、俯仰和航向信息。


当然,惯性测量单元仍面临着一些挑战,其中大部分挑战与测量的累计漂移有关,即在角速度和线性加速度的测量中会出现微小的误差。由于车辆的每个新位置都是根据前一个位置计算出来的,这些误差会逐渐累加并且变得愈加突出。误差累积会导致持续问题,所以车辆位置需要借助于不同的导航系统不时地进行校正。


这也是惯性导航系统通常与其他导航技术协同工作的主要原因。与使用单一导航系统相比,这有助于确保数据的准确性。


已有多种测量系统被专门开发用于识别惯性导航系统的错误,如LASEREF惯性参考系统。LASEREF系统是该领域中的佼佼者,并具有升级的微处理器机载数据加载功能,可使用GPS和飞行数据计算机的输出数据来确保导航性能并消除误差。


发展惯性导航系统是一项大胆的挑战,其历史超乎很多人的想象,最早可追溯到二十世纪四十年代,最初是尝试用于调整飞行中火箭的方位角。原型包括一台模拟计算机、两个陀螺仪和一个加速度计。在技术进步、好奇心以及对安全性和精度的需求的推动下,可实时提供关键信息的新一代惯性导航系统应运而生。


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