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        慣性導航靠什么Carry全場?來補課

        2022-07-09 瀏覽量:1267

        精度、速度和平衡是運動物體的關鍵。對于飛機、自動駕駛汽車、輪船、航天器、潛水艇、無人機 (UAV) 等復雜載運工具而言,配備一種精確系統來幫助維持并控制其運動至關重要。借助慣性導航系統,移動載運工具無需使用GPS即可安全、準確地完成任務。 


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        01

        慣性導航系統的工作原理

        慣性導航系統 (INS) 無需GPS技術即可計算運動物體的位置、方向和速度。


        INS設備通常使用加速度計和陀螺儀(即運動和旋轉傳感器),然后通過一個計算單元將數據轉換成具備可操作性的控制指令。這是基本的慣性導航系統,也能增加其他功能,比如通過磁傳感器和氣壓高度計進行升級。


        INS運行于航位推算系統上,這意味著車輛的初始位置、速度和方向信息都來自外部數據源,其中可能是GPS信號接收機的數據或運營商的數據。通過這些數據,INS就能開始計算位置、速度和其他運動要素。隨著車輛繼續移動,基于運動傳感器收集的大量信息,INS設備持續對運動要素進行計算和更新。 


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        02

        慣性導航系統的組成

        如前所述,慣性導航系統主要由加速度計、陀螺儀以及處理運動傳感器所提供信息的計算機組成。


        陀螺儀用于測量傳感器坐標系相對于慣性參考系的角速度。慣性參考系提供了系統的初始方向,在此基礎上疊加角速度增量可確保慣性導航系統的方向始終可用。


        陀螺儀提供方向信息時,加速度計會測量車輛相對于自身的線性加速度,從而提供速度和加速度方向的信息。角速度再加上線性加速度,就能提供移動中車輛所有位置變化的準確信息。


        慣性導航系統的核心是慣性測量單元(IMU),而這些運動傳感器則是IMU的重要組成部分。IMU是一種報告移動中車輛的運動和特性的設備,通常包括三個陀螺儀和三個加速度計;某些IMU還配備了磁力計。一個慣性導航系統至少需要包含三個加速度計和三個陀螺儀才能提供相應信息。


        INS使用IMU提供的測量結果來計算車輛導航和控制所需的數據,如姿態、速度、方向等。


        通過整合從運動傳感器收集的數據,計算機單元可綜合所有信息,從而計算出車輛的當前位置。


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        03

        慣性導航系統 vs GPS技術

        GPS技術是指由衛星傳輸、地面控制段和專用設備支持的導航系統,能為陸地、空中和海上航行提供地理位置、時間、速度數據以及其他信息。為傳達精確的測量結果,GPS設備至少需要與地球軌道衛星系統的四顆衛星保持連接。


        GPS技術主要用于位置數據、測繪、移動物體跟蹤、導航和定時估計與測量。但是,這些信息完全取決于衛星連接,如果GPS設備無法連接至少四個衛星,則提供的數據將不足以使設備正常運行。 


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        GPS設備讓智能手機如虎添翼,能讓手機用戶輕松到達目的地,預測交通量并向其他人展示自己的位置。但是,當涉及航空運輸等復雜或關鍵活動時,除GPS技術外,還需要一個獨立的解決方案。


        慣性導航系統完成初始化后就是自主系統,不再依賴衛星連接,并且能提供比單獨使用GPS設備更精細的數據。此外,由于它們是獨立系統,因此其性能不會受到其它大功率信號源的干擾和影響。


        04

        慣性導航系統:優勢和挑戰

        慣性導航系統是陸地、海洋、空中和太空中復雜作業的理想解決方案,并且廣泛適用于多種應用,包括被稱為移動慣性導航系統的智能手機定位和跟蹤。不過,它們主要的商業應用還是飛機和船舶導航、航天火箭制導。


        隨著微機電系統 (MEMS) 技術的進步,慣性導航系統變得更小更輕,如HGuide n380。

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        HGuide n380慣性導航系統采用小巧輕便的封裝,配備功能強大的慣性測量單元i300,并能提供超高精度的數據,如帶時間戳的位置、速度、角速度、線性加速度、橫滾、俯仰和航向信息。


        當然,慣性測量單元仍面臨著一些挑戰,其中大部分挑戰與測量的累計漂移有關,即在角速度和線性加速度的測量中會出現微小的誤差。由于車輛的每個新位置都是根據前一個位置計算出來的,這些誤差會逐漸累加并且變得愈加突出。誤差累積會導致持續問題,所以車輛位置需要借助于不同的導航系統不時地進行校正。


        這也是慣性導航系統通常與其他導航技術協同工作的主要原因。與使用單一導航系統相比,這有助于確保數據的準確性。


        已有多種測量系統被專門開發用于識別慣性導航系統的錯誤,如LASEREF慣性參考系統。LASEREF系統是該領域中的佼佼者,并具有升級的微處理器機載數據加載功能,可使用GPS和飛行數據計算機的輸出數據來確保導航性能并消除誤差。


        發展慣性導航系統是一項大膽的挑戰,其歷史超乎很多人的想象,最早可追溯到二十世紀四十年代,最初是嘗試用于調整飛行中火箭的方位角。原型包括一臺模擬計算機、兩個陀螺儀和一個加速度計。在技術進步、好奇心以及對安全性和精度的需求的推動下,可實時提供關鍵信息的新一代慣性導航系統應運而生。


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