慣性導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用研究

趙天 湖南省長(zhǎng)沙市第一中學(xué)

慣性導(dǎo)航技術(shù)是近年來(lái)誕生的一門新興技術(shù)，可以借助慣性元件來(lái)測(cè)量運(yùn)載體加速度，經(jīng)過運(yùn)算與積分獲取到位置與速度，從而達(dá)到精準(zhǔn)定位的目的。慣性導(dǎo)航設(shè)備都設(shè)置在運(yùn)載體內(nèi)，既不需要依賴外界信息，也不會(huì)受到外界因素的干擾，有著良好的應(yīng)用與發(fā)展前景。

1 慣性導(dǎo)航技術(shù)的介紹

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)、慣性測(cè)量裝置、控制顯示器、陀螺儀、加速計(jì)等裝置組成，其中，陀螺儀是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的核心內(nèi)容，其發(fā)展流程經(jīng)歷了四個(gè)階段:

第一代是1930年以前的慣性技術(shù)，是現(xiàn)代慣性導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展雛形；

第二代誕生于上世紀(jì)40年代，其研究?jī)?nèi)容開始從慣性儀表技術(shù)擴(kuò)展至了慣性導(dǎo)航系統(tǒng)；

第三代誕生于上世紀(jì)70年代初期，在第二代基礎(chǔ)上新增了新型陀螺、導(dǎo)航系統(tǒng)以及加速度計(jì)。

目前，慣性導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)入了第四代，也開始朝著高可靠性、數(shù)字化、低成本、高精度的方向發(fā)展。根據(jù)目前慣性導(dǎo)航的常見安裝方式，可以將其分為平臺(tái)式與捷聯(lián)式兩種類型，其中平臺(tái)式又可以分為空間穩(wěn)定與本地水平兩類；捷聯(lián)式則包括速率型與位置型兩類，分別使用速率陀螺儀與自由陀螺儀。

2 慣性導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用

2.1 慣性導(dǎo)航技術(shù)在地下定位機(jī)器人中的應(yīng)用

目前，越來(lái)越多的機(jī)器人應(yīng)用了導(dǎo)航系統(tǒng)，在地下礦山中，機(jī)器人的使用會(huì)受到多種因素的影響，傳統(tǒng)導(dǎo)航系統(tǒng)并不實(shí)用，而慣性導(dǎo)航技術(shù)不會(huì)受到外界環(huán)境的影響，非常適合應(yīng)用在地下礦山機(jī)器人之中。近年來(lái)誕生的煤礦移動(dòng)機(jī)器人組合定位系統(tǒng)，就是應(yīng)用了數(shù)字羅經(jīng)、捷聯(lián)慣性測(cè)量裝置以及傳感器，定位系統(tǒng)可以快速準(zhǔn)確的提供機(jī)器人的速度、位置與姿態(tài)。為了避免干擾，裝置設(shè)置在機(jī)器人防磁金屬外殼之中，并應(yīng)用了激光測(cè)距儀、里程儀、ZUPT、自然地標(biāo)等來(lái)修正定位誤差，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的定位準(zhǔn)確性。

2.2 慣性導(dǎo)航技術(shù)在無(wú)人載體中的應(yīng)用

無(wú)人載體主要由基礎(chǔ)模塊、功能模塊兩部分組成，在基礎(chǔ)模塊中，需要設(shè)置自動(dòng)控制系統(tǒng)、供電系統(tǒng)以及導(dǎo)航定位系統(tǒng)。為了保證導(dǎo)航精度，研究人員將地磁慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用在其中，整個(gè)系統(tǒng)由地磁數(shù)據(jù)庫(kù)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、匹配計(jì)算機(jī)、地磁傳感器組成，內(nèi)部設(shè)置了修正模型，可以根據(jù)地理、時(shí)間等因素的變化對(duì)模型進(jìn)行修正、補(bǔ)償，得到正確的地理方位。

2.3 慣性導(dǎo)航技術(shù)在管道測(cè)繪儀中的應(yīng)用

管道測(cè)繪儀是石油、天然氣管道測(cè)量的關(guān)鍵儀器，是基于光纖陀螺管道測(cè)繪系統(tǒng)研發(fā)而來(lái)，這一系統(tǒng)使用便捷、結(jié)構(gòu)小巧，廣泛應(yīng)用在了天然氣、石油管道的測(cè)量中，可以為管道狀態(tài)的維護(hù)與監(jiān)測(cè)工作提供有效依據(jù)。系統(tǒng)由捷聯(lián)式INS測(cè)量單元、光纖陀螺、里程計(jì)、DGPS地標(biāo)組合構(gòu)成，在經(jīng)過管道時(shí)，可以計(jì)算出各點(diǎn)的位置參數(shù)和姿態(tài)信息，有效提高了測(cè)量的準(zhǔn)確度和精度。這種測(cè)試系統(tǒng)不會(huì)受到周圍的磁場(chǎng)干擾，在任何管道之中，都適合使用。

2.4 慣性導(dǎo)航技術(shù)在石油鉆井測(cè)量中的應(yīng)用

石油開采對(duì)于鉆井測(cè)量方位、深度準(zhǔn)確度的要求非常高，需要應(yīng)用油井測(cè)斜儀器，油井測(cè)斜儀器是基于慣性測(cè)量技術(shù)研發(fā)而來(lái)，可以獲取到理想的方位角度和精度信息，從而幫助測(cè)試人員了解油層分布情況與鉆井方向的信息。目前常用的光纖陀螺自主油井測(cè)斜儀使用的是捷聯(lián)慣性導(dǎo)航技術(shù)，可以方便的得出水平井的方位角與傾斜角，在任何情況下，都不會(huì)受到井下磁場(chǎng)的干擾。此外，應(yīng)用光纖陀螺自主油井測(cè)斜儀，不需要借助其他的設(shè)備，測(cè)量速度快、可靠性高、精度好，能夠無(wú)角度、全方位的進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，滿足了常規(guī)的測(cè)量需求。

2.5 慣性導(dǎo)航技術(shù)在智能交通中的應(yīng)用

智能交通技術(shù)將定位導(dǎo)航技術(shù)、信息融合技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)處理技術(shù)、圖象分析技術(shù)融合起來(lái)，構(gòu)建出了準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、高效的運(yùn)輸系統(tǒng)，慣性導(dǎo)航技術(shù)是智能交通的核心內(nèi)容，只有在精準(zhǔn)定位的情況下，才能夠保證行駛安全性、改善交通，解決數(shù)據(jù)信號(hào)丟失與更新率低的問題。

3 結(jié)束語(yǔ)

慣性導(dǎo)航是唯一的完全自主的導(dǎo)航方式，不依賴于任何外界信息的純慣性導(dǎo)航系統(tǒng)依然是一個(gè)獨(dú)立而有意義的研究方向。隨著對(duì)高性能自主導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用需求不斷增強(qiáng)和多模 GNSS 技術(shù)的廣泛應(yīng)用，組合導(dǎo)航系統(tǒng)將逐步替代純粹的 INS 成為未來(lái)的主要導(dǎo)航手段。

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