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航姿参考(AHRS)和惯性导航系统(INS)

日期:2019-04-11 01:26
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摘要:AHRS称为航姿参考系统包括多个轴向传感器,能够为飞行器提供航向,横滚和侧翻信息,这类系统用来为飞行器提供准确可靠的姿态与航行信息。航姿参考系统包括基于MEMS的三轴陀螺仪,加速度计和磁强计。航姿参考系统与惯性测量单元IMU的区别在于,航姿参考系统(AHRS)包含了嵌入式的姿态数据解算单元与航向信息,惯性测量单元(IMU)仅仅提供传感器数据,并不具有提供准确可靠的姿态数据的功能。目前常用的航姿参考系统(AHRS)内部采用的多传感器数据融合进行的航姿解算单元为卡尔曼滤波器。 惯性导航系统(INS)是一个使用加速计和陀螺仪来测量物体的加速度和角速度,并用计算机来连续估算运动物体位置、姿态和速度的辅助导航系统。
航姿参考(AHRS)和惯性导航系统(INS) 


AHRS称为航姿参考系统包括多个轴向传感器,能够为飞行器提供航向,横滚和侧翻信息,这类系统用来为飞行器提供准确可靠的姿态与航行信息。

航姿参考系统AHRS包括基于MEMS的三轴陀螺仪,加速度计和磁强计。航姿参考系统与惯性测量单元IMU的区别在于,航姿参考系统(AHRS)包含了嵌入式的姿态数据解算单元与航向信息,惯性测量单元(IMU)仅仅提供传感器数据,并不具有提供准确可靠的姿态数据的功能。目前常用的航姿参考系统(AHRS)内部采用的多传感器数据融合进行的航姿解算单元为卡尔曼滤波器。 

惯性导航系统(INS)是一个使用加速计和陀螺仪来测量物体的加速度和角速度,并用计算机来连续估算运动物体位置、姿态和速度的辅助导航系统。

航姿参考(AHRS)和惯性导航系统(INS) 原理:

惯性导航系统至少包括计算机及含有加速度计、陀螺仪或其他运动传感器的平台(或模块)。开始时,有外界(操作人员及全球地定系统接收器等)给惯性导航系统提供初始位置及速度,此后惯性导航系统通过对运动传感器的信息进行整合计算,不断更新当前位置及速度。 INS 的优势在于给定了初始条件后,不需要外部参照就可确定当前位置、方向及速度。通过检测系统的加速度和角速度,惯性导航系统可以检测位置变化(如向东或向西的运动),速度变化(速度大小或方向)和姿态变化(绕各个轴的旋转)。它不需要外部参考的特点使它自然地不受外界的干扰或欺骗。

陀螺在惯性参照系中用于测量系统的角速率。通过以惯性参照系中系统初始方位作为初始条件,对角速率进行积分,就可以时刻得到系统的当前方向。这可以想象成被蒙上眼睛的乘客坐在汽车中,感觉汽车左转、右转、上坡、下坡,仅根据这些信息他知道了汽车朝哪里开,但不知道汽车是快,是慢或是否汽车滑向路边。

加速度计在惯性参照系中用于测量系统的线加速度,但只能测量相对于系统运动方向的加速度(由于加速度计与系统固定并随系统转动,不知道自身的方向)。这可以想象成一个被蒙上眼睛的乘客在汽车加速时向后挤压座位,汽车刹车时身体前倾,汽车加速上坡时下压座位,汽车越过山顶下坡时从座位上弹起,仅根据这些信息,乘客知道汽车相对自身怎样加速,即向前、向后、向上、向下、向左 或向右,但不知道相对地面的方向。

然而,通过跟踪系统当前角速率及相对于运动系统测量到的当前线加速度,就可以确定参照系中系统当前线加速度。以起始速度作为初始条件,应用正确的运动学方程,对惯性加速度进行积分就可得到系统惯性速率,然后以起始位置座作初始条件再次积分就可得到惯性位置。

航姿参考(AHRS)和惯性导航系统(INS)传感器的小误差会随时间累积成大误差,其误差大体上与时间成正比,因此需要不断进行修正。现代惯性导航系统使用各种信号(例如全球定位系统及磁罗盘等)对其进行修正,采取控制论原理对不同信号进行权级过滤,保证惯性导航系统的精度及可靠性。

航姿参考(AHRS)和惯性导航系统(INS) 有各自的优点和缺点,在实际运用中,技术人员通常把航姿参考(AHRS)和惯性导航系统(INS) 组合起来使用,发挥各自的优势,相互修正和补充,以便达到*佳的性能。


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