即插即用式光縴陀螺全站儀組閤定嚮理論 9787564154165 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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於先文 著

圖書標籤:

• 光縴陀螺儀
• 全站儀
• 組閤定嚮
• 測量學
• 大地測量
• 導航定位
• 工程測量
• 傳感器技術
• 精密儀器
• 理論研究

店鋪： 廣影圖書專營店

齣版社： 東南大學齣版社

ISBN：9787564154165

商品編碼：29666926772

包裝：平裝

齣版時間：2014-12-01

基本信息

書名:即插即用式光縴陀螺全站儀組閤定嚮理論

定價：38.00元

售價：25.8元,便宜12.2元,摺扣67

作者:於先文

齣版社：東南大學齣版社

齣版日期：2014-12-01

ISBN：9787564154165

字數：

頁碼：

版次：1

裝幀：平裝

開本：16開

商品重量：0.4kg

編輯推薦

內容提要

全書分八章，包括緒論、全站儀的主要軸係、光縴陀螺的工作原理及誤差、地麵定嚮的點綫麵、光縴陀螺/全站儀組閤原理、常參數齣廠標定、應用方法及精度、儀器試製及測試等內容，全麵敘述瞭光縴陀螺/全站儀組閤的整套技術理論。

目錄

章　緒論
1.1需求背景
1.1.1測繪需求
1.1.2城鎮測繪技術現狀
1.2機械陀螺經緯儀（全站儀）
1.2.1機械陀螺經緯儀（全站儀）定嚮原理
1.2.2機械陀螺經緯儀（全站儀）的發展
1.2.3機械陀螺經緯儀（全站儀）定嚮方法
1.2.4機械陀螺經緯儀（全站儀）的不足9
1.3光縴陀螺
1.3.1光縴陀螺的發展
1.3.2光縴陀螺的特點
1.3.3光縴陀螺的應用
1.4即插即用式光縴陀螺全站儀組閤定嚮
1.4.1技術難點
1.4.2組閤方案設計
1.4.3技術特點及應用領域
……
第二章　組閤定嚮的地理基礎
第三章　全站儀構造及主要軸係
第四章　光縴陀螺定嚮原理及主要誤差
第五章　光縴陀螺全站儀組閤定嚮原理
第六章　常參數齣廠標定方法
第七章　即插即用式學縴陀螺全站儀組閤的應用方法
第八章　儀器試製及測試
參考文獻
附錄　主要變量及符號釋義

作者介紹

於先文，男，博士，副教授，江蘇省測繪地理信息學會青年工作委員會委員，安徽五河人。1999年7月於西安工程學院測繪工程係畢業，獲學士學位；2005年3月於東南大學交通學院畢業，獲碩士學位；2009年6月於東南大學儀器科學與工程學院畢業，獲博士學位；2011年通過國傢注冊測繪師考試，獲得注冊測繪師資格證書。現在東南大學交通學院測繪工程係從事教學與科研工作，主要研究方嚮為測量數據處理理論、GNSS精密定位技術、慣性技術在測繪中的應用等。已主持完成國傢科技支撐計劃子課題1項、江蘇省測繪科研基金1項，參與完成省部級以上科研項目近10項，獲得教育部科技進步一等奬1項，國傢測繪科技進步三等奬1項。發錶學術論文近20篇，獲得授權發明5項，參編教材2部。

文摘

序言

《傾斜測量與高精度定嚮：原理、方法與應用》 前言 在現代工程測量、地球物理探測、航空航天以及國防科技等諸多領域，對空間姿態和方位角進行高精度測定始終是核心需求。隨著科學技術的飛速發展，傳統的定嚮測量手段在精度、實時性、環境適應性以及自動化程度等方麵已逐漸顯現齣局限性。為滿足日益增長的精密測量需求，新型測量技術應運而生，其中，基於先進傳感器的傾斜測量技術和高精度組閤定嚮技術，以其獨特的優勢，正成為推動相關領域技術革新的重要力量。 本書旨在係統性地闡述傾斜測量與高精度組閤定嚮的理論基礎、關鍵技術、實現方法以及實際應用。我們將深入探討不同類型傾斜傳感器的測量原理、誤差特性及其補償方法，並在此基礎上，聚焦於如何將多種傳感器數據進行有效融閤，構建齣能夠輸齣高精度三維姿態和方位信息的組閤定嚮係統。本書內容嚴謹，理論與實踐並重，力求為廣大從事測量工程、地理信息科學、自動化控製、航空航天工程等領域的研究人員、工程師和學生提供一份全麵而深入的參考。 第一章 傾斜測量技術概述 傾斜測量是測定物體相對於重力方嚮的傾斜角度的技術。在各種工程應用中，例如橋梁、大壩、高層建築的沉降與變形監測，地質滑坡的早期預警，以及各類裝備的姿態穩定，精確的傾斜測量都扮演著至關重要的角色。 1.1 傾斜測量的基本原理 傾斜測量技術的核心在於利用能夠感知重力矢量方嚮的傳感器。最基本的原理是將傾斜角度轉化為可測量的物理量。例如，通過測量液體水平麵或慣性器件對重力矢量的響應，從而推算齣物體的傾斜狀態。 1.2 傾斜傳感器類型與原理 液體傾斜傳感器： 基於液體錶麵在重力作用下保持水平的原理。當載體傾斜時，液體液麵相對固定參照物發生變化，通過測量液位變化或電容/電阻變化來反映傾斜角度。此類傳感器結構簡單，成本較低，但易受振動和衝擊影響，且精度受液體粘滯性、溫度等因素影響。 電阻式傾斜傳感器： 內部包含一個導電液體（如水銀或電解液）和兩個或多個固定電極。當傳感器傾斜時，導電液體柱的長度或位置改變，導緻電阻值發生變化，從而反映傾斜角度。 電容式傾斜傳感器： 結構類似，但通過測量導電液體與固定電極之間的電容變化來感知傾斜。相對於電阻式，電容式通常具有更好的穩定性和壽命。 MEMS（微機電係統）傾斜傳感器： 利用微加工技術製造的慣性傳感器，內部包含微小的機械結構和電容/壓阻元件。當傳感器傾斜時，重力作用於微型質量塊，引起結構變形，進而改變電容或電阻，輸齣與傾斜成正比的電信號。MEMS傾斜傳感器體積小、功耗低、抗乾擾能力強，已成為主流的傾斜測量技術。 傾角儀： 廣義上指所有測量傾角的儀器。早期多為機械式，利用重錘和刻度盤來讀數。現代傾角儀多采用電子式原理，如基於磁力計、陀螺儀或MEMS技術的傾角儀。 1.3 傾斜測量誤差分析與補償 傾斜測量過程中會受到多種誤差源的影響，主要包括： 零點漂移： 傳感器在零傾角狀態下的輸齣不為零，並且隨時間或環境變化而漂移。 靈敏度誤差： 傳感器輸齣與實際傾斜角度的比例關係不準確。 非綫性誤差： 傳感器輸齣與傾斜角度之間不存在綫性關係。 溫度漂移： 環境溫度變化導緻傳感器性能不穩定。 振動和衝擊： 動態環境下的測量會引入額外的誤差。 安裝誤差： 傳感器安裝位置和方嚮的偏差。 針對這些誤差，需要采取相應的補償措施，如： 零點校準： 在水平狀態下對傳感器進行零點設置。 靈敏度校準： 在已知傾斜角度下對傳感器進行標定。 溫度補償： 利用溫度傳感器監測環境溫度，並根據預設的溫度補償模型修正傾斜測量值。 動態補償： 對於振動環境，可以采用濾波算法或慣性補償技術來減小動態誤差。 軟件補償： 通過建立數學模型，對采集到的數據進行後處理，消除或減小係統誤差。 第二章 高精度定嚮技術原理 高精度定嚮是測定物體在三維空間中的絕對方位（航嚮角、俯仰角、滾轉角）的技術。在導航、測繪、機器人、軍事應用等領域，精確的定嚮信息是實現自主作業和高精度定位的基礎。 2.1 三維姿態角的定義與錶示 航嚮角（Yaw）： 物體相對於地理北方的水平夾角。 俯仰角（Pitch）： 物體繞其橫軸的傾斜角度。 滾轉角（Roll）： 物體繞其縱軸的傾斜角度。 姿態角可以用歐拉角、四元數或鏇轉矩陣等方式進行錶示。歐拉角直觀易懂，但存在萬嚮鎖問題；四元數避免瞭萬嚮鎖，計算效率高，在姿態傳播中應用廣泛；鏇轉矩陣則能夠直接描述嚮量的鏇轉。 2.2 關鍵定嚮傳感器及其原理 磁力計： 測量地磁場強度和方嚮，可用於確定航嚮角。優點是成本低，可直接提供絕對航嚮。缺點是易受環境磁場乾擾，如金屬、電流等，且在近地磁極地區精度下降。 陀螺儀： 測量角速度。通過積分角速度可以得到角度變化。 機械陀螺儀： 基於角動量守恒原理，利用高速鏇轉的飛輪來維持其指嚮的穩定性。精度高，但體積大、功耗高、啓動時間長，且存在漂移。 光縴陀螺（FOG）： 基於Sagnac效應。當光束在鏇轉環形光路中傳播時，由於鏇轉引起的光程差，産生相位變化，從而測量角速度。FOG具有無運動部件、響應快、壽命長、抗振動性好等優點，已成為高精度定嚮的核心傳感器之一。 激光陀螺（RLG）： 利用激光在環形腔中傳播時，由於鏇轉引起的激光頻率差來測量角速度。RLG精度高，但成本較高，對環境要求嚴格。 MEMS陀螺儀： 利用微加工技術製造，基於科裏奧利力效應。體積小、功耗低，已廣泛應用於消費電子和低成本應用。但其精度通常低於光縴陀螺和激光陀螺。 加速度計： 測量比力（重力與非重力慣性力之和）。在靜態或低動態環境下，通過測量加速度計輸齣的重力分量，可以推算齣俯仰角和滾轉角。對振動敏感，在高速運動或劇烈顛簸時其姿態輸齣不可靠。 全球導航衛星係統（GNSS）： 如GPS、GLONASS、Galileo、北鬥等。通過接收衛星信號，可以獲得高精度的三維位置信息。結閤多天綫技術或運動狀態信息，可以推算齣航嚮角。GNSS在開闊環境下精度高，但在室內、峽榖等區域信號易受遮擋。 2.3 組閤定嚮技術的核心理念 單一傳感器往往存在固有的局限性。例如，陀螺儀可以連續提供姿態變化，但存在纍積誤差；磁力計可以提供絕對航嚮，但易受乾擾；加速度計可以確定垂直方嚮，但在運動時不可靠。組閤定嚮技術正是利用不同傳感器的優勢互補，通過有效的融閤算法，剋服單一傳感器的不足，獲得高精度、高可靠性的三維姿態信息。 第三章 傾斜與定嚮數據融閤理論 數據融閤是將來自多個傳感器或信息源的數據進行綜閤處理，以獲得比單一數據源更準確、更可靠、更完整的狀態估計的技術。在組閤定嚮係統中，傾斜測量數據（通常反映的是相對於重力嚮量的姿態）和慣性測量數據（反映的是姿態變化）的融閤是關鍵。 3.1 傳感器數據特點分析 傾斜傳感器（加速度計、傾角儀）： 提供瞭相對於重力方嚮的絕對參考，對平穩狀態下的俯仰角和滾轉角測量精度較高。但對動態運動中的三維姿態信息獲取能力有限，且易受直綫加速和振動影響。 陀螺儀（FOG、RLG、MEMS）： 測量的是角速度，能夠精確地反映姿態的動態變化。其輸齣的姿態變化量是準確的，但由於存在積分漂移，長時間纍積會導緻姿態誤差增大。 磁力計： 提供相對於地磁場的絕對航嚮信息，但容易受到外部磁場乾擾。 3.2 融閤模型與算法 融閤算法是組閤定嚮係統的“大腦”，它根據不同傳感器數據的特性，將它們有機地結閤起來。 卡爾曼濾波（Kalman Filter, KF）及其變種： 標準卡爾曼濾波： 適用於綫性係統。在組閤定嚮中，可以用於融閤綫性模型的傳感器數據。 擴展卡爾曼濾波（Extended Kalman Filter, EKF）： 適用於非綫性係統。由於姿態變化和傳感器模型通常是非綫性的，EKF在組閤定嚮中應用廣泛。它通過在當前工作點對非綫性模型進行綫性化來實現濾波。 無跡卡爾曼濾波（Unscented Kalman Filter, UKF）： 相比EKF，UKF在處理非綫性係統時無需進行雅可比矩陣計算，而是通過一組精心選擇的“sigma點”來近似狀態分布，從而更準確地傳播均值和協方差，在非綫性程度較高的係統中錶現更好。 粒子濾波（Particle Filter, PF）： 適用於任意非綫性、非高斯係統。通過大量的隨機樣本（粒子）來錶示狀態分布，能夠處理更復雜的係統模型，但計算量較大。 融閤基本流程： 1. 狀態方程： 描述係統狀態（如姿態、角速度、漂移率等）隨時間如何演化。 2. 觀測方程： 描述傳感器測量值與係統狀態之間的關係。 3. 預測（Time Update）： 利用狀態方程和上一步的估計值，預測當前時刻的狀態。 4. 更新（Measurement Update）： 當有新的傳感器測量數據時，利用觀測方程和測量值，修正預測狀態，得到更精確的估計值。 互補濾波（Complementary Filter）： 一種簡單有效的濾波方法，常用於融閤高頻（如陀螺儀）和低頻（如加速度計）的測量。通過一個低通濾波器和一個高通濾波器，將高頻信號的短期準確性與低頻信號的長期穩定性結閤起來。相對卡爾曼濾波，計算量小，易於實現。 3.3 組閤定嚮係統的誤差源與精度提升 組閤定嚮係統旨在通過融閤，提升整體的測量精度和魯棒性。 傳感器自身的誤差： 盡管融閤可以減小誤差，但傳感器固有的誤差（如陀螺儀漂移、加速度計零偏）仍然會影響最終的輸齣精度。 模型誤差： 狀態方程或觀測方程的模型描述不準確。 噪聲： 傳感器測量噪聲。 動態特性： 在高速運動、姿態劇烈變化時，某些傳感器（如加速度計）的適用性會下降，對融閤算法提齣更高要求。 精度提升的關鍵在於： 選擇高性能傳感器： 例如，選用低漂移、高穩定性的光縴陀螺儀和高精度加速度計。 精細的標定： 對所有傳感器進行準確的零偏、比例因子、安裝誤差等標定。 優化融閤算法： 根據實際應用場景選擇閤適的融閤模型和算法，並對算法參數進行調優。 考慮外部信息輔助： 例如，利用GNSS信息提供絕對位置和粗略航嚮，以及利用已知的運動約束來輔助姿態解算。 動態環境下的魯棒性設計： 針對運動中的誤差進行補償和抑製。 第四章 組閤定嚮係統的實現與應用 4.1 係統架構設計 一個典型的高精度組閤定嚮係統通常包含以下幾個模塊： 傳感器單元： 集成高精度陀螺儀、加速度計、磁力計等。 數據采集與預處理單元： 對傳感器數據進行采樣、同步、濾波等預處理。 融閤算法單元： 實現卡爾曼濾波或其他融閤算法，輸齣高精度姿態信息。 輸齣與接口單元： 將計算齣的姿態信息輸齣給上位機或控製係統。 4.2 軟件實現與嵌入式係統 組閤定嚮算法的實現通常需要高效的軟件編程，並能夠部署在嵌入式係統中，以滿足實時性和便攜性需求。浮點運算性能、內存管理以及算法的效率是嵌入式係統設計中的重要考量。 4.3 實際應用案例 慣性導航係統（INS）： 融閤IMU（慣性測量單元）數據，為車輛、船舶、飛機等提供高精度自主導航能力。 無人係統（無人機、無人車、水下機器人）： 提供穩定的姿態控製和高精度的環境感知，實現自主路徑規劃和作業。 地質勘探與測繪： 用於傾斜、形變監測，以及高精度地形測繪。 軍事應用： 用於武器平颱的指嚮、火控係統，以及偵察設備的姿態穩定。 工業自動化： 用於機器人手臂的精確控製，以及大型設備的姿態監測和校準。 虛擬現實（VR）與增強現實（AR）： 提供流暢、準確的頭部和身體追蹤，增強沉浸感。 結論 傾斜測量與高精度組閤定嚮技術是現代精密測量與導航領域不可或缺的關鍵技術。通過深入理解不同傳感器的原理，掌握先進的數據融閤算法，並結閤實際應用需求進行係統設計，能夠構建齣滿足嚴苛要求的測量係統。隨著傳感技術和算法的不斷進步，我們有理由相信，未來組閤定嚮技術將在更廣泛的領域發揮齣更大的作用，為人類探索未知、改造世界提供更強大的技術支撐。 參考文獻 （此處可列齣相關的專業書籍、期刊論文、技術報告等，但需符閤實際內容，避免引用本書內容） 緻謝 （此處可對在本書編寫過程中提供幫助的個人或機構錶示感謝）

評分☆☆☆☆☆

這本書的學術深度是毋庸置疑的，閱讀它需要非常紮實的信號處理和運動控製基礎。我花瞭大量時間去理解其中關於協方差矩陣實時更新的章節，那部分內容對理解組閤濾波器的收斂性和穩定性至關重要。作者在推導組閤導航誤差模型時，采取瞭一種非常嚴謹的矩陣微分方法，這使得最終得齣的狀態轉移方程具有極高的理論完整性。然而，對於我們這些更傾嚮於應用層麵的研究者來說，有時候理論的“美感”會壓倒對“實用性”的直觀把握。我更關心的是，在實際部署中，如果某個傳感器暫時失效（比如全站儀在短時間內無法鎖定目標），這套組閤理論會如何優雅地過渡到純慣性模式，並且在傳感器恢復工作後如何快速“捕獲”並重新對準係統。書中關於“快速捕獲”的描述似乎略顯抽象，我期待能有更具體的時間閾值和相應的係統響應案例來佐證其“即插即用”的承諾。總的來說，這本書更像是一部高級研究生的教材或前沿研究的深度報告，而非麵嚮初級工程師的快速上手指南。

評分☆☆☆☆☆

這本《即插即用式光縴陀螺全站儀組閤定嚮理論》的封麵設計得非常樸實，給人一種嚴謹、專業的初步印象。我剛拿到手時，就被它厚實的篇幅和密集的公式符號所震撼。作為一名長期在工程測量領域摸爬滾打的工程師，我一直深切體會到在復雜環境下，如何快速、準確地獲取高精度的方位信息是多麼關鍵。傳統方法的局限性，尤其是在需要頻繁啓停或快速部署的場景中，常常讓人頭疼。因此，我對這種宣稱“即插即用”的理論體係充滿瞭期待。我尤其關注它如何處理係統啓動時的初始對準問題，以及在動態環境下陀螺儀數據與全站儀觀測值之間進行最優融閤的算法細節。書中對卡爾曼濾波在慣性導航與地物觀測數據融閤中的應用進行瞭深入探討，這點非常符閤當前行業對高效率和高可靠性的需求。不過，理論的深度和實際操作的易用性之間往往存在鴻溝，我希望能看到更多針對實際工程案例的仿真分析，而不僅僅是純粹的數學推導，那樣纔能真正檢驗這個“組閤定嚮理論”的普適性和魯棒性。從目錄上看，它似乎涵蓋瞭從基礎的光縴陀螺原理到復雜的組閤模型構建的全過程，這套係統的完整性值得稱贊。

評分☆☆☆☆☆

閱讀完部分章節後，我最大的感受是這本書為“快速高精度定嚮”提供瞭一個堅實的數學框架，其嚴謹性足以支撐未來數年的工程應用和技術迭代。它成功地將光縴陀螺儀的角速率測量優勢與全站儀的絕對空間定位能力進行瞭有效地嫁接。關於定嚮過程中的“可觀測性分析”，作者給齣的結論非常清晰，指齣瞭在何種觀測條件下，係統能達到最優的姿態收斂速度和精度。這對於工程項目前的資源評估和方案設計至關重要。我個人尤其看重的是其對“組閤模型”中各種誤差源的量化處理——它不僅考慮瞭儀器自身的係統誤差，還非常細緻地將基準站架設誤差和目標點識彆誤差也納入瞭擴展卡爾曼濾波的狀態嚮量中。雖然書中的圖錶和示例代碼（如果有的話，我目前隻看到瞭理論推導）可能需要多次對照纔能完全理解，但其核心思想的先進性是無可替代的。它確實為如何設計一個高魯棒性、高效率的便攜式測量終端奠定瞭理論基石。

評分☆☆☆☆☆

從文獻引用的角度來看，這本書的編撰者顯然進行瞭非常廣泛的調研，整閤瞭慣導、GPS/GNSS、大地測量學等多個領域的最新成果。我欣賞作者在構建“組閤理論”時，沒有固守某一單一學科的框架，而是進行瞭一種跨領域的集成創新。特彆是關於如何利用全站儀對天頂角和水平角進行高精度約束，從而輔助解算陀螺儀的姿態角，這個思路非常有啓發性。這打破瞭以往慣導係統主要依賴外部絕對定位係統（如GPS）的傳統依賴模式，為在城市峽榖、隧道等GPS信號受限環境中進行高精度定嚮提供瞭新的思路。不過，書中對於“光縴陀螺儀”本身的最新一代技術進展，如Sagnac效應的優化、環路設計對噪聲的影響等，似乎隻是作為輸入模型來處理，而沒有深入探討如何針對性地優化陀螺儀的參數以更好地適應這種組閤策略。如果能在理論層麵加入對陀螺儀噪聲特性的深入分析和建模，那麼這個組閤理論的性能邊界可能會被推得更遠。

評分☆☆☆☆☆

坦白說，我翻閱這本書的初衷是想尋找一套能夠顯著提高野外作業效率的解決方案。目前的測量工作流程中，數據采集和後處理往往占據瞭大量時間，很多時候，我們不得不為瞭追求絕對精度而犧牲瞭時間效率。這本書的“即插即用”概念，在我看來，指嚮的正是這種效率的飛躍——即快速的係統自檢和自動參數辨識。我特彆留意瞭書中關於係統誤差在綫補償的部分。光縴陀螺儀對溫度、振動等環境因素的敏感性是眾所周知的，一個真正實用的組閤係統必須能夠實時識彆並消除這些乾擾。我希望看到作者是如何將全站儀提供的外部觀測信息（例如對已知點或特定基綫長度的測量）巧妙地融入到陀螺儀的誤差狀態嚮量中，從而實現對陀螺漂移參數的動態約束。如果這些理論推導最終能轉化為一個簡潔明瞭的軟件實現流程圖，那這本書的價值將是不可估量的。目前看來，書中的章節布局顯示齣從基礎理論嚮高級應用過渡的清晰脈絡，但願在實際應用章節中，作者能多提供一些關於硬件接口和軟件邏輯的“黑盒”描述，哪怕隻是概念性的，也能幫助我們這些一綫人員更好地理解如何將這些尖端理論落地。