惯性导航技术[1]是研究利用惯性传感器(陀螺仪[2]、加速度计)进行导航与制导的一门技术。它是一种完全自主的导航技术,主要依靠测量载体的加速度(惯性)和转角,推算出载体的瞬时速度、位置和姿态。
惯性导航属于一种推算导航方式,即从一已知点的位置根据连续测得的运载体航向角和速度推算出其下一点的位置。因而可连续测出载体的当前位置。
2、概念
说到惯性导航,需要先说清楚关于惯性导航主要器件的几个概念:
1、陀螺三大特性:
1)定轴性:陀螺在转动时,如果作用在它上面的外力的力矩为零,由角动量定理可知,这时陀螺对于支点的角动量守恒,在运动中角动量的方向始终保持不变.因此,每一个点在运动的时候,都极力使自己始终停留在跟旋转轴垂直的那个平面上.
2)进动性:当陀螺高速旋转时,陀螺的中心轴像是绕着一个竖立的杆子在转圈,这种高速自转物体的轴在空间转动的现象叫做进动.这是因为当陀螺受到对于支点的重力的力矩作用时,根据角动量定理,角动量的矢量方向便随着陀螺的转动,描出一个圆锥体.
3)章动性:陀螺不可能永无止境地旋转下去,当陀螺由于摩擦而开始慢慢下落时,所做的运动就是章动.章动是指刚体做进动时,绕自转轴的角动量的倾角在两个角度之间变化,拉丁语的意思就是点头.
2、陀螺漂移
理想情况下,若陀螺仪不受外力矩作用时,陀螺仪主轴的指向相对惯性空间应是不变的。但是,由于结构和工艺等方面的限制,实际的陀螺仪中总是不可避免地存在干扰力矩。例如,框架轴上支承的摩擦力矩、陀螺组件的质量不平衡等,都是造成作用在陀螺仪上的干扰力矩,会使陀螺产生漂移和章动,从而引起陀螺主轴的指向相对惯性空间发生变化。章动所引起的指向改变极为微小,其影响一般可以忽略,而漂移引起的指向改变比较明显,是影响陀螺精度的主要因素。这种由于干扰力矩引起陀螺主轴改变指向的现象称为陀螺漂移。而且陀螺漂移的角度是积累的。
3、零偏或零漂
零偏,又称为零位漂移或零位偏移,也可简称零漂或漂移率。零偏应理解为陀螺仪的输出信号围绕其均值的起伏或波动,习惯上用标准差(σ)或均方根(RMS)表示,一般折算为等效输入角速率(°/h)。在陀螺静止时,理想状态下该数值应为地球自转角速度的分量。在角速度输入为零时,陀螺仪的输出是一条复合白噪声信号缓慢变化的曲线,曲线的峰-峰值就是零偏值(drit)。在整个性能指标中,零偏是评价陀螺仪性能优劣的最重要指标。
4、零偏稳定性[3]
5、零偏不稳定性
6、零偏重复性
3、惯性导航系统
惯性导航系统是利用惯性敏感元件在飞机、舰船、火箭等载体内部测量载体相对惯性空间的线运动和角运动的参数,在给定的运动初始条件下,根据牛顿运动定律,推算载体的瞬时速度和瞬时位置。惯性导航是一种精密测量系统,具有以下主要优点:
1)依靠自身测量的载体运动加速度信息来连续推算载体速度和位置,因而是一种自主式的导航系统。
2)工作时不需要接收外部信息,因而不受外界干扰,包括气候条件的影响。
3)工作时不向外辐射能量,因而使载体具有隐蔽性。
4)在确定载体位置的同时,还能测量载体的姿态角。这是其他定位设备不能做到的。
惯性导航系统也有其不足之处:
解决方案就是:
1)惯性器件及系统的精确建模
陀螺仪与加速度计是惯导中的关键元器件,陀螺漂移数学模型就是陀螺漂移误差的数学方式。有了陀螺漂移模型就可以对陀螺仪误差进行补偿,从而提高系统的精度。加速度计也同样。因此精确建立陀螺仪、加速度计的数学模型与误差补偿模型对惯性导航来说是非常重要的。
2)多传感器信息融合:组合导航
单一传感器提供的信息很难满足目标跟踪或状态估计的精度要求,为了提高对动态载体运动目标(导弹、飞机、卫星、坦克、车辆、舰船等)的跟踪精度或对动态系统的状态估计精度,采用多个传感器进行组合导航,并将多类信息按某种最优融合准则进行最优融合,可望提高目标跟踪或状态估计的精度。多传感器组合导航(多星座卫星组合、卫星导航与惯性导航的组合等)已成为导航系统的发展趋势。
4、中国惯性导航技术的应用
惯性导航技术以其高精度、高可靠性和高稳定性等特点,成为了工业行业中不可或缺的重要设备和技术。随着国内工业化的加速和需求的增长,惯性导航市场逐渐扩大。根据市场研究机构的数据显示,从2014年的94.9亿元增长到了2019年的173.9亿元[4]。,其中工业领域的应用占据了很大的比重。
1、工业自动化
惯性导航技术在工业自动化领域中得到了广泛应用,可以用于各种类型的机器人、自动驾驶设备、自动导航车辆等。惯性导航技术可以通过对设备运动状态的监测和控制,实现设备的自主导航和运动控制,提高设备的精度和稳定性。
2、航空航天
惯性导航技术在航空航天领域中也得到了广泛应用,主要用于飞机、导弹、卫星等设备的导航和控制。惯性导航技术可以通过对飞行器的运动状态进行监测和控制,实时提供位置和航向信息,保证飞行器的精度和稳定性。
3、海洋测量
惯性导航技术在海洋测量领域中也得到了广泛应用,主要用于海洋测量船、潜水器等设备的导航和控制。惯性导航技术可以通过对设备的运动状态进行监测和控制,实现设备在海洋环境中的自主导航和运动控制,提高设备的精度和稳定性。
4、工业生产
惯性导航技术在工业生产领域中也有广泛的应用,主要用于工业机器人、加工设备等的运动控制和位置定位。通过惯性导航技术的应用,可以实现工业设备的高精度定位和运动控制,提高生产效率和产品质量,降低生产成本。
5、地下管线探测
惯性导航与惯性定位技术在地下管线探测领域中也发挥着重要的作用,采用惯性导航技术研发生产的地下管线惯性定位仪是目前市场上精度最高数据最可靠的地下管线探测设备,主要用于石油、燃气、电力、热力、水务、通信等市政工程、能源行业,可提供管道普查、施工前详查、竣工验收、应急抢修等管道三维定位服务。为城市地下空间的规划、设计和施工提供安全可靠的数据,同时有效防止国家管道信息的泄漏。
6、其他领域
除了以上几个领域,惯性导航技术在其他领域中也有广泛的应用,例如地震勘探、石油勘探、船舶导航等。惯性导航技术可以通过对设备的运动状态进行监测和控制,实现设备在复杂环境中的自主导航和运动控制,提高设备的精度和稳定性。
5、零偏科技
零偏科技,作为国内第一家研究采用惯性导航技术应用到地下管线惯性定位的公司,一直致力于惯性定位、信息融合和人工智能等技术的应用和推广。
零偏科技以“零偏”为名,以蓝色、形状“方、圆”、聚焦线、向下的发射线为公司Logo,表达了公司对科技的追求及积极进取的态度。
商高曰:“圆出于方,方出于矩,矩出于九九八十一”[5];《三国志》中的天圆地方[6],天圆则产生运动变化,地方则收敛静止。两者均寓意着不断的追求发展和创新!
聚焦线代表着目标,发射线代表着科技。
发射线向下的箭头垂直击中聚焦线中心,既代表了利用科技手段零偏命中目标,也代表了在技术研发上“零偏,我们的追求”;发射线顶部开阔,蕴含着向上蓬勃发展的无限可能。同时也寓意着以不断突破和创新的精神向着未来出发!
零偏科技经过近二十年的潜心研究和打磨,核心技术产品包括地下管线惯性定位仪、智慧管道管理系统、测控系统和无人机系统等。其中地下管线惯性定位技术被中国机械工业联合会专家鉴定为具有国际领先水平,在地下管线检测领域,已得到了广泛的应用与认可。同时基于惯性导航技术的室内碟形无人机解决了复杂、强磁干扰环境下的飞行安全性和准确性问题,是一款工业应用碟形飞行器,可用于室内、超低空的无人机检测、巡检等。
参考文献
[1]惯性技术研究现状及发展趋势,王巍北京航天控制仪器研究所《自动化学报》第39卷第6期,页码723-725,2013-06-15。
[2]陀螺仪的过去、现在和未来[J].王治平.数字通信世界,2019
[3]基于Allan方差分析的陀螺仪漂移误差辨识与仿真复现[J].严恭敏;李梓阳;朱宏堡.导航定位学报
[4]中国惯性导航系统市场深度调查与投资前景评估报告,共研网,1,2022-09