三分鐘了解慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、加速度計(jì)、陀螺儀的工作原理

1. 慣性導(dǎo)航系統(tǒng) INS( Inertia Navigation System，以下簡(jiǎn)稱(chēng)慣導(dǎo))

慣導(dǎo)是一種利用慣性傳感器測(cè)量載體的比力及角速度信息，并結(jié)合給定的初始條件實(shí)時(shí)推算速度、位置、姿態(tài)等參數(shù)的自主式導(dǎo)航系統(tǒng)．具體來(lái)說(shuō)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)屬于一種推算導(dǎo)航方式。即從一已知點(diǎn)的位置根據(jù)連續(xù)測(cè)得的運(yùn)載體航向角和速度推算出其下一點(diǎn)的位置，因而可連續(xù)測(cè)出運(yùn)動(dòng)體的當(dāng)前位置。

常規(guī)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)采用加速度計(jì)和陀螺儀傳感器來(lái)測(cè)量載體參數(shù)，而加速度計(jì)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)主要由加速度計(jì)組成，該系統(tǒng)舍棄陀螺儀，用加速度計(jì)代替陀螺儀作為慣性測(cè)量元件，國(guó)際上有學(xué)者研究用多個(gè)加速度計(jì)替代陀螺儀的方案。

慣導(dǎo)中的陀螺儀用來(lái)形成一個(gè)導(dǎo)航坐標(biāo)系使加速度計(jì)的測(cè)量軸穩(wěn)定在該坐標(biāo)系中并給出航向和姿態(tài)角；加速度計(jì)用來(lái)測(cè)量運(yùn)動(dòng)體的加速度經(jīng)過(guò)對(duì)時(shí)間的一次和分得到速度，速度再經(jīng)過(guò)對(duì)時(shí)間的一次積分即可得到距離。

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)有如下主要優(yōu)點(diǎn)：

（1）由于它是不依賴(lài)于任何外部信息，也不向外部輻射能量的自主式系統(tǒng)，故隱蔽性好已不受外界電磁干擾的影響；

（2）可全天流全球、全時(shí)間地工作于空中地球表面乃至水下；

（3）能提供位置、速度、航向和姿態(tài)角數(shù)據(jù)，所產(chǎn)生的導(dǎo)航信息連續(xù)性好而且噪聲低；

（4）數(shù)據(jù)更新率高、短期精度和穩(wěn)定性好。

其缺點(diǎn)是：

（1）由于導(dǎo)骯伯息經(jīng)過(guò)積分而產(chǎn)生，定位誤差隨時(shí)間而增大，長(zhǎng)期精度差；

（2）每次使用之前需要較長(zhǎng)的初始對(duì)準(zhǔn)時(shí)間；

（3）設(shè)備的價(jià)格較昂貴；

（4）不能給出時(shí)間信息。

2.加速度計(jì):

加速度計(jì)有兩種：一種是角加速度計(jì)，是由陀螺儀（角速度傳感器）改進(jìn)的。另一種就是線(xiàn)加速度計(jì)。

加速度傳感器利用重力加速度，可以用于檢測(cè)設(shè)備的傾斜角度，但是它會(huì)受到運(yùn)動(dòng)加速度的影響，使傾角測(cè)量不夠準(zhǔn)確，所以通常需利用陀螺儀和磁傳感器補(bǔ)償。同時(shí)磁傳感器測(cè)量方位角時(shí)，也是利用地磁場(chǎng)，當(dāng)系統(tǒng)中電流變化或周?chē)袑?dǎo)磁材料時(shí)，以及當(dāng)設(shè)備傾斜時(shí)，測(cè)量出的方位角也不準(zhǔn)確，這時(shí)需要用加速度傳感器（傾角傳感器）和陀螺儀進(jìn)行補(bǔ)償。

通過(guò)測(cè)量由于重力引起的加速度，你可以計(jì)算出設(shè)備相對(duì)于水平面的傾斜角度。通過(guò)分析動(dòng)態(tài)加速度，你可以分析出設(shè)備移動(dòng)的方式。

加速度傳感器可以檢測(cè)交流信號(hào)以及物體的振動(dòng)，人在走動(dòng)的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生一定規(guī)律性的振動(dòng)，而加速度傳感器可以檢測(cè)振動(dòng)的過(guò)零點(diǎn)，從而計(jì)算出人所走的步或跑步所走的步數(shù)，從而計(jì)算出人所移動(dòng)的位移。并且利用一定的公式可以計(jì)算出卡路里的消耗。

用加速度傳感器檢測(cè)手持設(shè)備的振動(dòng)/晃動(dòng)幅度，當(dāng)振動(dòng)/晃動(dòng)幅度過(guò)大時(shí)鎖住照相快門(mén)，使所拍攝的圖像永遠(yuǎn)是清晰的。

3. 角速度傳感器-陀螺儀

在四軸上安裝陀螺儀，可以測(cè)量四軸傾斜的角速度，將角速度信號(hào)進(jìn)行積分便可以得到四軸的傾角。由于陀螺儀輸出的是四軸的角速度，不會(huì)受到四軸振動(dòng)影響。因此該信號(hào)中噪聲很小。四軸的角度又是通過(guò)對(duì)角速度積分而得，這可進(jìn)一步平滑信號(hào)，從而使得角度信號(hào)更加穩(wěn)定。因此四軸控制所需要的角度和角速度可以使用陀螺儀所得到的信號(hào)。由于從陀螺儀的角速度獲得角度信息，需要經(jīng)過(guò)積分運(yùn)算。如果角速度信號(hào)存在微小的偏差，經(jīng)過(guò)積分運(yùn)算之后，變化形成積累誤差。這個(gè)誤差會(huì)隨著時(shí)間延長(zhǎng)逐步增加，最終導(dǎo)致電路飽和，無(wú)法形成正確的角度信號(hào).

角度積分漂移校正

利用加速度計(jì)所獲得的角度信息θg 與陀螺儀積分后的角度θ進(jìn)行比較，將比較的誤差信號(hào)經(jīng)過(guò)比例Tg放大之后與陀螺儀輸出的角速度信號(hào)疊加之后再進(jìn)行積分。從圖中的框圖可以看出，對(duì)于加速度計(jì)給定的角度θg，經(jīng)過(guò)比例、積分環(huán)節(jié)之后產(chǎn)生的角度θ必然最終等于θg。由于加速度計(jì)獲得的角度信息不會(huì)存在積累誤差，所以最終將輸出角度θ中的積累誤差消除了。

為了避免輸出角度θ跟著θg過(guò)長(zhǎng),可以采取以措施：

在控制電路和程序運(yùn)行的開(kāi)始，盡量保持四軸在水平狀態(tài)，這樣一開(kāi)始就使得輸出角度θ與θg相等。此后，加速度計(jì)的輸出只是消除積分的偏移，輸出角度不會(huì)出現(xiàn)很大的偏差。

總的來(lái)說(shuō)，加速度計(jì)在較長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)量值（測(cè)量飛行器的角度）是正確的，然而在較短時(shí)間內(nèi)由于信號(hào)噪聲以及運(yùn)動(dòng)方向的加速度存在，會(huì)有很大的誤差。具體表現(xiàn)為加速度靜止不動(dòng)時(shí)值很穩(wěn)定，但是移動(dòng)起來(lái)數(shù)據(jù)波動(dòng)很大。陀螺儀測(cè)得的是角速度，在較短時(shí)間內(nèi)則比較準(zhǔn)確，而較長(zhǎng)時(shí)間則會(huì)有積分漂移產(chǎn)生誤差。因此，剛才所說(shuō)需要兩者（相互調(diào)整）融合來(lái)確保姿態(tài)角的正確。

4.電子羅盤(pán)

但是即使使用了加速度計(jì)和陀螺儀，也只可以用于測(cè)得飛機(jī)的俯仰和橫滾角度。對(duì)于偏航角度，由于偏航角和重力方向正交，無(wú)法用加速度計(jì)測(cè)量得到。（加速度計(jì)是根據(jù)測(cè)某方向重力加速度分量與重力加速度的關(guān)系來(lái)求得角度）這意味著在這個(gè)維度上沒(méi)有一個(gè)可靠的長(zhǎng)期值來(lái)矯正陀螺儀的值，而只用陀螺儀測(cè)的角度會(huì)存在積分漂移的問(wèn)題！因此還需要采用其他設(shè)備來(lái)校準(zhǔn)測(cè)量偏航角度的陀螺儀的漂移值。校準(zhǔn)的設(shè)備可以使用磁羅盤(pán)計(jì)（電子磁羅盤(pán)，對(duì)磁場(chǎng)變化和慣性力敏感）或者GPS。GPS數(shù)據(jù)更新較慢（1Hz到10Hz），并且短時(shí)間內(nèi)存在誤差。所以用GPS只能長(zhǎng)時(shí)間的在地面跟蹤較為穩(wěn)定和慢速的飛行器，如果需要矯正航向我們就只有使用電子羅盤(pán)了。（當(dāng)然也存在著不需要矯正的情況，我這里就沒(méi)矯正，使用陀螺儀積分的角度來(lái)湊合）

三維磁阻傳感器（電子羅盤(pán)）用來(lái)測(cè)量地球磁場(chǎng)，傾角傳感器是在磁力儀非水平狀態(tài)時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償；MCU處理磁力儀和傾角傳感器的信號(hào)以及數(shù)據(jù)輸出和軟鐵、硬鐵補(bǔ)償。該磁力儀是采用三個(gè)互相垂直的磁阻傳感器，每個(gè)軸向上的傳感器檢測(cè)在該方向上的地磁場(chǎng)強(qiáng)度。可以把它簡(jiǎn)單理解成一個(gè)指南針，無(wú)論在哪里你都能找到南方，然后根據(jù)就可以知道飛機(jī)的機(jī)頭偏離南方多少度角來(lái)鎖定航向。