無陀螺慣性導航技術 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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周紅進，許江寜，覃方君 著

圖書標籤:

• 慣性導航
• 陀螺
• 導航技術
• MEMS
• 誤差分析
• 濾波算法
• 係統集成
• 姿態估計
• 運動控製
• 精密測量

店鋪： 廣影圖書專營店

齣版社： 國防工業齣版社

ISBN：9787118114232

商品編碼：29708687425

包裝：精裝

齣版時間：2017-12-01

基本信息

書名:無陀螺慣性導航技術

定價：69.00元

售價：46.9元,便宜22.1元,摺扣67

作者:周紅進,許江寜,覃方君

齣版社：國防工業齣版社

齣版日期：2017-12-01

ISBN：9787118114232

字數：

頁碼：134

版次：1

裝幀：精裝

開本：16開

商品重量：0.4kg

編輯推薦

內容提要

《無陀螺慣性導航技術》旨在介紹實現無陀螺慣性導航必須解決的一些關鍵技術。其中：章介紹無陀螺慣性導航技術的發展曆程和現狀；第2章介紹無陀螺慣性導航係統的基本原理，主要是利用加速度計通過“杆臂效應”測量剛體角運動參數的原理和方法、典型的加速度計配置方案，也介紹瞭課題組研製的無陀螺慣性測量試驗裝置；第3章介紹無陀螺慣性導航係統進行自主初始對準和藉助外部信息輔助初始對準的技術方法；第4章介紹無陀螺慣性導航係統的姿態解算技術，主要介紹基於四元數法設計姿態解算算法的流程和注意事項；第5章對無陀螺慣性導航係統的主要慣性元件加速度計的噪聲特性分析和降噪技術進行比較研究，推導瞭非標準觀測噪聲條件下的卡爾曼濾波基本方程；第6章分析瞭加速度計安裝誤差對導航參數解算的影響，提齣瞭一種簡化快捷的加速度計安裝誤差校準方法；第7章介紹無陀螺慣導與GPS進行組閤導航的方法，包括EKF、UKF和PF等非綫性濾波方法。

目錄

作者介紹

文摘

序言

章 概述
1．1 慣性導航
1．2 無陀螺慣性導航
1．3 本書內容簡介

第2章 無陀螺慣性導航原理
2．1 加速度計工作原理
2．2 剛體運動模型
2．3 載體角速度解算
2．3．1 角加速度的解算
2．3．2 角速度平方的解算
2．3．3 角速度交叉乘積項的解算
2．3．4 其他組閤方式的角速度解算
2．4 加速度計配置方案
2．4．1 經典6加速度計配置方案
2．4．2 典型的9加速度計配置方案
2．4．3 一種12加速度計的配置方案
2．5 GFIMU試驗裝置

第3章 無陀螺慣導初始對準
3．1 自主式初始對準
3．1．1 捷聯慣導對準原理應用於無陀螺慣導的可行性分析
3．1．2 單軸鏇轉的自主式對準方法
3．1．3 初始對準精度分析
3．1．4 仿真
3．2 外部信息輔助無陀螺慣導初始對準
3．2．1 外部信息輔助初始對準模型
3．2．2 仿真

第4章 無陀螺慣導姿態解算
4．1 方嚮餘弦法
4．2 歐拉角法
4．3 四元數法
4．3．1 鏇轉矢量與四元數
4．3．2 四元數與方嚮餘弦矩陣
4．4 基於四元數的姿態解算算法
4．4．1 姿態解算算法設計
4．4．2 鏇轉矢量求解
4．4．3 更新四元數單位化
4．4．4 姿態角解算
4．4．5 劃槳效應補償
4．5 姿態解算精度分析
4．5．1 圓錐效應
4．5．2 四元數解算誤差
4．6 試驗

第5章 加速度計噪聲特性分析與降噪方法
5．1 加速度計噪聲特性分析及處理
5．1．1 加速度計噪聲的直觀分析
5．1．2 基於Allan方差的加速度計噪聲分析
5．2 改進的自適應卡爾曼濾波降噪
5．2．1 基於新息的噪聲自適應估計
5．2．2 滑動估計窗口寬度的優化
5．3 基於小波卡爾曼濾波降噪
5．3．1 觀測噪聲在綫近似估計方法
5．3．2 非標準觀測噪聲條件下卡爾曼濾波基本方程的理論推導
5．4 試驗
5．4．1 無陀螺慣導中加速度計降噪模型
5．4．2 基於新息自適應卡爾曼濾波器的加速度計降噪方法
5．4．3 小波卡爾曼濾波降噪方法

第6章 加速度計安裝誤差校準方法
6．1 加速度計安裝誤差的影響分析
6．2 加速度計安裝誤差校準原理
6．3 一種簡化的安裝誤差校準方法
6．4 仿真
6．4．1 基於數字仿真的安裝誤差校準一般方法
6．4．2 基於數字-仿真的安裝誤差校準簡化方法
6．5 加速度計安裝誤差校準試驗
6．6 加速度計安裝誤差補償試驗
6．6．1 加速度計輸齣誤差確定
6．6．2 誤差補償

第7章 GPS與無陀螺慣導組閤導航
7．1 引言
7．1．1 級聯組閤方式
7．1．2 鬆組閤方式
7．1．3 緊組閤方式
7．2 GPS／GFINS非綫性組閤模型
7．2．1 係統狀態方程
7．2．2 係統觀測方程
7．3 GPS／GFINS非綫性組閤濾波
7．3．1 EKF濾波算法
7．3．2 UKF濾波算法
7．3．3 PF濾波算法
7．3．4 基於PF算法的GPS／GFINS組閤濾波器解算流程
7．4 GPS／GFIMU組閤導航試驗

附錄A 圓錐效應計算
參考文獻

《無陀螺慣性導航技術》是一本麵嚮專業人士和研究人員的深度技術專著，旨在全麵、係統地介紹和探討當前慣性導航技術領域中最具潛力的前沿方嚮——無陀螺慣性導航。本書內容聚焦於如何擺脫傳統光學、機械陀螺的束縛，利用半導體、微機電係統（MEMS）等先進傳感技術，實現高精度、低成本、小體積的慣性測量與導航。 本書的結構設計嚴謹，邏輯清晰，從基本原理齣發，層層遞進，深入到具體的關鍵技術、算法模型、係統設計以及工程應用等多個層麵。全書共分為八個主要章節，並輔以詳細的附錄和參考文獻，力求為讀者提供一個完整且深入的知識體係。 第一章 緒論 本章首先迴顧瞭慣性導航技術的發展曆程，從早期的機械陀螺係統，到激光陀螺、光縴陀螺的齣現，闡述瞭它們在性能、成本、功耗、可靠性等方麵的優劣。在此基礎上，著重引齣瞭無陀螺慣性導航的時代背景和技術需求，分析瞭其技術發展的驅動力，例如航空航天、無人係統、智能汽車、可穿戴設備等領域對慣性導航係統日益增長的需求。本章還對無陀螺慣性導航的定義、核心組成部分（如MEMS加速度計、MEMS角速度計、磁力計等）以及其潛在的技術優勢進行瞭概括性的介紹，為後續章節的學習奠定基礎。 第二章 MEMS慣性傳感器的原理與特性 作為無陀螺慣性導航係統的核心，MEMS慣性傳感器是本章的重點。本章詳細介紹瞭主流的MEMS加速度計和MEMS角速度計的工作原理。對於加速度計，將深入剖析壓阻式、電容式、壓電式等不同類型傳感器的結構設計、信號産生機製以及誤差來源。對於角速度計，將重點講解利用科裏奧利力效應的微機械陀螺（如振動陀螺）的原理，包括其動力學模型、輸齣信號特性以及影響性能的關鍵因素。此外，本章還將深入探討MEMS傳感器的各項性能指標，如零偏、尺度因子誤差、穩定性、噪聲水平、帶寬、抗衝擊能力等，並分析這些參數如何直接影響導航係統的精度。同時，會涵蓋傳感器的製造工藝、封裝技術及其對性能的影響。 第三章 慣性測量單元（IMU）的標定與補償 IMU的標定是提高慣性導航精度的關鍵步驟。本章將係統介紹IMU的靜態標定和動態標定方法。靜態標定主要針對傳感器的零偏、尺度因子、軸不對齊等靜態誤差進行校正，將詳細闡述標定模型的建立、標定數據的采集以及參數辨識算法，如最小二乘法等。動態標定則旨在校正溫度、振動等動態因素引起的誤差，將介紹多種動態標定方案，包括利用轉颱、振動颱等設備進行標定，以及相關的模型辨識技術。本章還會深入探討誤差補償的常用方法，包括溫度補償、振動補償、老化補償等，以及如何構建有效的誤差補償模型。 第四章 無陀螺慣性導航的基本原理與算法 本章是全書的核心理論部分，詳細闡述瞭無陀螺慣性導航係統的基本原理。首先，將從牛頓力學和歐拉動力學方程齣發，推導慣性導航的基本運動方程，包括位置、速度和姿態的更新方程。在此基礎上，重點介紹基於IMU數據進行姿態解算的核心算法，如四元數法、方嚮餘弦矩陣法、歐拉角法等，並分析它們的優缺點和適用場景。隨後，將深入探討如何利用IMU數據進行位置和速度的積分更新，並分析由於傳感器誤差帶來的積分漂移問題。本章還將介紹多種常用的導航濾波算法，如卡爾曼濾波（Kalman Filter, KF）、擴展卡爾曼濾波（Extended Kalman Filter, EKF）、無跡卡爾曼濾波（Unscented Kalman Filter, UKF）等，以及它們在慣性導航係統中的應用，闡述如何利用這些濾波算法融閤外部傳感器信息（如GPS、磁力計、氣壓計等）以抑製漂移，提高導航精度。 第五章 慣性導航係統的誤差分析與建模 精確的誤差分析和建模是實現高精度導航的基礎。本章將深入剖析慣性導航係統中各種誤差的來源和傳播機製。內容將涵蓋傳感器的內在誤差（如零偏、尺度因子、軸不對齊、噪聲等）如何影響導航解算；IMU的安裝誤差；地球的自轉、非球形效應；以及導航狀態量的誤差傳播，例如位置誤差、速度誤差和姿態誤差的演化規律。本章將重點介紹誤差傳播方程的建立，以及如何利用這些方程來預測和評估係統的長期精度。同時，還將討論如何通過數學建模的方式，將這些誤差量化，為後續的誤差補償和濾波算法設計提供理論依據。 第六章 慣性導航係統的高精度化技術 為瞭進一步提升無陀螺慣性導航係統的精度，本章將介紹一係列先進的技術手段。首先，將探討多傳感器融閤策略，不僅包括IMU與其他慣性傳感器的融閤，還將重點闡述IMU與GPS/GNSS、視覺傳感器、激光雷達、輪速計、氣壓計、磁力計等外部導航輔助信息的高效融閤方法。將詳細介紹不同的融閤框架，如鬆耦閤、緊耦閤以及更高級彆的深度融閤。其次，本章將深入研究先進的濾波算法，如無跡卡爾曼濾波（UKF）、粒子濾波（Particle Filter, PF）等，以及它們在處理非綫性係統和非高斯噪聲時的優勢。此外，還將介紹數據後處理技術，如平滑算法（如Rauch-Tung-Striebel smoother, RTS）等，以及如何利用這些技術進一步提高導航軌跡的精度。最後，會對一些新興的高精度慣性導航技術進行介紹，例如基於機器學習的誤差建模與補償方法。 第七章 無陀螺慣性導航係統的工程實踐與應用 本章將視角轉嚮實際工程應用，探討無陀螺慣性導航係統在不同領域的具體實現和部署。將詳細介紹航空航天領域，如無人機、衛星、導彈的慣性導航係統設計考慮，包括其對精度、可靠性、功耗、尺寸、重量的要求。在汽車領域，將深入分析自動駕駛汽車對慣性導航的需求，以及如何與GPS、攝像頭、雷達等傳感器進行融閤，實現高精度定位和車輛狀態感知。此外，還將探討慣性導航在機器人、智能穿戴設備、海洋測繪、地質勘探等領域的應用實例。本章還會涉及係統集成、軟件開發、測試驗證等工程化環節的關鍵問題，以及如何根據不同應用場景的需求，對係統進行優化和定製。 第八章 未來發展趨勢與挑戰 本章著眼於慣性導航技術的未來發展方嚮，並分析當前麵臨的主要挑戰。將探討新型MEMS傳感器的研發進展，如高精度、低噪聲的陀螺和加速度計；新型慣性器件（如半導體激光陀螺、冷原子陀螺等）的潛力；以及如何進一步提高無陀螺慣性導航係統的自主性和魯棒性。本章還將討論計算能力的提升、人工智能與慣性導航的結閤，以及如何應對復雜、動態、惡劣環境下的導航難題。最後，會總結當前無陀螺慣性導航技術仍需剋服的挑戰，例如長期穩定性、成本效益、標準與規範的建立等，並對未來的研究方嚮提齣展望。 附錄 附錄部分將包含一些重要的數學公式、常用的物理常數、典型MEMS傳感器參數示例，以及一套簡化的慣性導航仿真程序代碼（例如使用Python或MATLab），旨在幫助讀者更直觀地理解書中內容，並進行相關的仿真實驗。 參考文獻 本書引用瞭大量國內外重要的學術論文、期刊文章、會議論文、技術報告和相關專著，力求內容的權威性和前沿性，為讀者提供進一步深入學習的資源。 本書的語言風格嚴謹、專業，但力求清晰易懂，避免使用過於晦澀的術語。圖文並茂，配有大量的示意圖、原理圖、數據圖錶和實例分析，以便讀者更好地理解抽象的概念。本書的目標讀者包括高校相關專業的學生（如導航製導、電子工程、機械工程、自動化等）、科研院所的研究人員、以及相關行業的工程師，包括但不限於航空航天、國防軍工、汽車電子、機器人、智能設備等領域。通過閱讀本書，讀者將能夠全麵掌握無陀螺慣性導航技術的基本原理、關鍵技術、工程實現方法以及發展趨勢，從而為該領域的研究和開發提供堅實的基礎和有力的支持。

評分☆☆☆☆☆

這本名為《無陀螺慣性導航技術》的著作，其標題本身就透露齣一種對傳統技術路綫的挑戰與革新。作為一個長期關注導航技術發展的讀者，我原本期望書中能深入探討如何替代陀螺儀在慣導係統中的核心地位，例如對光縴陀螺、激光陀螺、甚至新興的MEMS慣導技術在係統集成、誤差模型補償和軟件濾波算法上的最新突破進行詳盡的論述。然而，實際閱讀體驗中，我發現內容似乎更偏嚮於對現有成熟技術的理論復述和工程實現細節的羅列，對於如何從根本上解決“無陀螺”這一概念所隱含的精度漂移、環境適應性以及成本效益平衡等前沿問題，著墨不多。特彆是涉及到一些跨學科的交叉點，比如如何利用深度學習或先進的傳感器融閤框架（如擴展卡爾曼濾波的更高階變種或粒子濾波）來最大化地提升基於加速度計的導航單元的短期穩定性，這些關鍵的、能體現“技術前沿性”的內容，感覺像是蜻蜓點水，未能形成有力的論證體係。我對那些關於新型敏感元件結構優化和噪聲抑製的章節感到有些失望，它們更像是教科書式的迴顧，而非一場關於未來導航方嚮的深度對話。如果作者能在理論框架中引入更多的實際工程案例的“教訓與經驗”，而不是僅僅停留在公式推導上，本書的價值或許能得到更大的提升。我期待的“無陀螺”技術，是能切實撼動現有市場的顛覆性力量，而這本書展現的更多是穩健但略顯保守的改進。

評分☆☆☆☆☆

讀完《無陀螺慣性導航技術》後，我的感受非常復雜，它像是一份詳盡但略顯陳舊的工程手冊，而非一本麵嚮未來的技術展望。我原本以為書中會重點闡述如何通過純粹的算法優化，例如引入先進的狀態估計方法，來從根本上剋服僅依賴加速度計和磁力計進行定位時固有的纍積誤差問題。比如，針對城市峽榖、室內環境或水下等GNSS信號極度受限的場景，該如何設計一個魯棒性極強的、能長時間保持厘米級精度的無陀螺係統。然而，書中對這些復雜環境下的實際應用挑戰，如多路徑乾擾下的磁場畸變修正、或者在非綫性運動模型下的最優觀測器設計，討論得不夠深入。大量的篇幅似乎被分配給瞭對基礎傳感器原理的介紹，這對於一個明確以“技術”為核心的書籍來說，稍顯冗餘。更讓我感到遺憾的是，在信息安全和抗乾擾性方麵，這本書幾乎沒有觸及。在當前對導航係統安全性和可靠性要求日益提高的背景下，探討如何設計抗欺騙、抗外部信號乾擾的無陀螺導航冗餘方案，無疑是一個至關重要的方嚮。這本書更像是為初級工程師準備的入門指南，而不是為資深研究人員提供啓發性的新思路。

評分☆☆☆☆☆

這本書的敘事風格相當嚴謹，但節奏感把握得並不太好。它更像是一係列獨立技術模塊的堆砌，缺乏一個貫穿始終、引人入勝的邏輯主綫來連接這些“無陀螺”的技術點。比如，在討論到MEMS慣性測量單元（IMU）的非綫性標定與溫度漂移補償時，描述得非常細緻，這部分內容對於需要動手搭建實驗係統的讀者無疑是寶貴的資料。但緊接著，它又跳躍到一套相對基礎的航位推算算法，仿佛在前一個高深的技術點和這個基礎點之間，存在著某種天然的斷層。我原本期待看到的是一條清晰的演進路徑：從如何剋服單個加速度計的瞬時噪聲，到如何利用多傳感器異構信息進行長期狀態維持的係統級設計哲學。此外，書中對“無陀螺”係統的核心瓶頸——即如何精確估計角速度（或姿態變化率）——的討論，總是在最後關頭收瞭迴去，沒有勇敢地深入到那些極具爭議性和前瞻性的解決方案中去。這種“到為止”的敘述方式，使得整本書讀起來像是高射炮的預演，聽到瞭巨大的聲響，卻沒能看到最終的射擊效果。

評分☆☆☆☆☆

從一個注重實際應用和成本控製的視角來看待《無陀螺慣性導航技術》，這本書的側重點似乎存在一定的偏差。它花費瞭大量的筆墨來分析那些理論上精度極高的、往往需要昂貴實驗室設備纔能驗證的特定技術細節，但對於如何將這些技術“平價化”並大規模應用於消費級或工業級的低成本終端，卻鮮有涉及。例如，在探討如何利用環境特徵匹配（地貌匹配、視覺裏程計輔助）來糾正無陀螺係統的漂移時，作者給齣的算法模型過於理想化，沒有充分考慮真實世界中傳感器數據的獲取成本、計算資源限製以及實時處理的延遲問題。我希望看到的是關於“低功耗、高魯棒性”的係統設計範例，是關於如何在資源受限的邊緣計算平颱上高效部署復雜狀態估計算法的討論。這本書的理論深度是毋庸置疑的，但它似乎過於沉醉於“能做到多精確”，而忽略瞭“在現實中如何經濟有效地做到”。對於那些預算有限，但對導航連續性有硬性要求的應用領域（如無人機自主巡檢、低成本自動駕駛輔助），這本書提供的直接可操作性的指導價值相對有限。

評分☆☆☆☆☆

這本書的結構安排，更像是一本為特定專業背景人員編寫的參考書，而非麵嚮更廣泛技術愛好者的科普讀物。它假定讀者已經具備瞭紮實的信號處理基礎、矩陣代數知識，以及對經典導航方程的深刻理解。如果一個對慣性導航僅有初步瞭解的讀者試圖從中尋找一個循序漸進的入門路徑，他們很可能會在早期章節中就被大量的數學符號和抽象概念所淹沒。尤其是在涉及新型傳感器融閤框架的章節，作者似乎更傾嚮於直接給齣最終的數學錶達式，而跳過瞭對這些錶達式背後物理意義和設計初衷的直觀解釋。我希望看到更多類比、圖示和簡化的模型來幫助理解復雜係統的動態行為。這本書的價值在於其內容的深度，但這種深度是以犧牲可讀性和普及性為代價的。它更適閤作為已經掌握基礎理論的研究生或工程師，在特定技術點上進行快速參考和查閱，而不是作為一本能激發興趣、引領探索的導讀之作。它的專業性毋庸置疑，但其“可觸及性”卻是一個明顯的短闆。