三分鐘了解慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、加速度計、陀螺儀的工作原理

1. 慣性導(dǎo)航系統(tǒng) INS( Inertia Navigation System，以下簡稱慣導(dǎo))

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

常規(guī)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)采用加速度計和陀螺儀傳感器來測量載體參數(shù)，而加速度計慣性導(dǎo)航系統(tǒng)主要由加速度計組成，該系統(tǒng)舍棄陀螺儀，用加速度計代替陀螺儀作為慣性測量元件，國際上有學(xué)者研究用多個加速度計替代陀螺儀的方案。

慣導(dǎo)中的陀螺儀用來形成一個導(dǎo)航坐標(biāo)系使加速度計的測量軸穩(wěn)定在該坐標(biāo)系中并給出航向和姿態(tài)角；加速度計用來測量運動體的加速度經(jīng)過對時間的一次和分得到速度，速度再經(jīng)過對時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：

（1）由于它是不依賴于任何外部信息，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。

其缺點是：

（1）由于導(dǎo)骯伯息經(jīng)過積分而產(chǎn)生，定位誤差隨時間而增大，長期精度差；

（2）每次使用之前需要較長的初始對準(zhǔn)時間；

（3）設(shè)備的價格較昂貴；

（4）不能給出時間信息。

2.加速度計:

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

加速度傳感器利用重力加速度，可以用于檢測設(shè)備的傾斜角度，但是它會受到運動加速度的影響，使傾角測量不夠準(zhǔn)確，所以通常需利用陀螺儀和磁傳感器補償。同時磁傳感器測量方位角時，也是利用地磁場，當(dāng)系統(tǒng)中電流變化或周圍有導(dǎo)磁材料時，以及當(dāng)設(shè)備傾斜時，測量出的方位角也不準(zhǔn)確，這時需要用加速度傳感器（傾角傳感器）和陀螺儀進(jìn)行補償。

通過測量由于重力引起的加速度，你可以計算出設(shè)備相對于水平面的傾斜角度。通過分析動態(tài)加速度，你可以分析出設(shè)備移動的方式。

加速度傳感器可以檢測交流信號以及物體的振動，人在走動的時候會產(chǎn)生一定規(guī)律性的振動，而加速度傳感器可以檢測振動的過零點，從而計算出人所走的步或跑步所走的步數(shù)，從而計算出人所移動的位移。并且利用一定的公式可以計算出卡路里的消耗。

用加速度傳感器檢測手持設(shè)備的振動/晃動幅度，當(dāng)振動/晃動幅度過大時鎖住照相快門，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，可以測量四軸傾斜的角速度，將角速度信號進(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，不會受到四軸振動影響。因此該信號中噪聲很小。四軸的角度又是通過對角速度積分而得，這可進(jìn)一步平滑信號，從而使得角度信號更加穩(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。由于從陀螺儀的角速度獲得角度信息，需要經(jīng)過積分運算。如果角速度信號存在微小的偏差，經(jīng)過積分運算之后，變化形成積累誤差。這個誤差會隨著時間延長逐步增加，最終導(dǎo)致電路飽和，無法形成正確的角度信號.

角度積分漂移校正

利用加速度計所獲得的角度信息θg 與陀螺儀積分后的角度θ進(jìn)行比較，將比較的誤差信號經(jīng)過比例Tg放大之后與陀螺儀輸出的角速度信號疊加之后再進(jìn)行積分。從圖中的框圖可以看出，對于加速度計給定的角度θg，經(jīng)過比例、積分環(huán)節(jié)之后產(chǎn)生的角度θ必然最終等于θg。由于加速度計獲得的角度信息不會存在積累誤差，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過長,可以采取以措施：

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

總的來說，加速度計在較長時間的測量值（測量飛行器的角度）是正確的，然而在較短時間內(nèi)由于信號噪聲以及運動方向的加速度存在，會有很大的誤差。具體表現(xiàn)為加速度靜止不動時值很穩(wěn)定，但是移動起來數(shù)據(jù)波動很大。陀螺儀測得的是角速度，在較短時間內(nèi)則比較準(zhǔn)確，而較長時間則會有積分漂移產(chǎn)生誤差。因此，剛才所說需要兩者（相互調(diào)整）融合來確保姿態(tài)角的正確。

4.電子羅盤

但是即使使用了加速度計和陀螺儀，也只可以用于測得飛機的俯仰和橫滾角度。對于偏航角度，由于偏航角和重力方向正交，無法用加速度計測量得到。（加速度計是根據(jù)測某方向重力加速度分量與重力加速度的關(guān)系來求得角度）這意味著在這個維度上沒有一個可靠的長期值來矯正陀螺儀的值，而只用陀螺儀測的角度會存在積分漂移的問題！因此還需要采用其他設(shè)備來校準(zhǔn)測量偏航角度的陀螺儀的漂移值。校準(zhǔn)的設(shè)備可以使用磁羅盤計（電子磁羅盤，對磁場變化和慣性力敏感）或者GPS。GPS數(shù)據(jù)更新較慢（1Hz到10Hz），并且短時間內(nèi)存在誤差。所以用GPS只能長時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了。（當(dāng)然也存在著不需要矯正的情況，我這里就沒矯正，使用陀螺儀積分的角度來湊合）

三維磁阻傳感器（電子羅盤）用來測量地球磁場，傾角傳感器是在磁力儀非水平狀態(tài)時進(jìn)行補償；MCU處理磁力儀和傾角傳感器的信號以及數(shù)據(jù)輸出和軟鐵、硬鐵補償。該磁力儀是采用三個互相垂直的磁阻傳感器，每個軸向上的傳感器檢測在該方向上的地磁場強度。可以把它簡單理解成一個指南針，無論在哪里你都能找到南方，然后根據(jù)就可以知道飛機的機頭偏離南方多少度角來鎖定航向。