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邓志红付梦印张继伟肖烜 著

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• 惯性器件
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• 惯性导航系统
• 传感器
• MEMS
• 导航技术
• 控制工程
• 自动控制
• 工程技术
• 精密仪器

店铺： 科学出版社旗舰店

出版社： 科学出版社

ISBN：9787030346469

商品编码：10673974152

开本：16

出版时间：2016-01-15

页数：332

字数：403

内容介绍

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【图书基本信息】

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书名：惯性器件与惯性导航系统
作者：邓志红,付梦印,张继伟,肖烜
定价：96

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【作者简介】

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【读者对象】

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【内容简介】

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惯性器件（陀螺仪和加速度计）是各类惯性导航系统的核心部件。本书以惯性器件及其系统技术发展为主线，系统介绍惯性技术理论基础、经典陀螺仪结构及工作原理、光学陀螺仪结构及工作原理、振动陀螺仪结构及工作原理、加速度计、平台式惯性导航系统、捷联式惯性导航系统、惯性测试技术、组合导航技术等内容。本书不但注重已有原理的阐述，而且注重前沿性，如加入原子陀螺仪、旋转捷联式惯性导航系统技术以及海洋地球物理辅助导航技术等，使读者在掌握基本原理的同时也能把握学科方向的发展前沿。, 本书可作为高年级本科生的专业基础课教材，也可作为研究生和专业人员进行科学研究的参考书。

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《惯性器件与惯性导航系统》 本书简介 本书深入探讨了惯性器件与惯性导航系统的理论基础、关键技术、设计方法、性能评估以及最新发展动态。内容全面且详实，旨在为读者提供一个系统、深入的学习和研究平台，无论您是相关领域的初学者，还是经验丰富的专业人士，都能从中获益。 第一部分：惯性器件基础 惯性导航系统的核心在于惯性器件，它们能够感知并测量载体的运动状态。本部分将从最基础的原理讲起，逐步深入到各种主流惯性器件的设计、制造和性能特点。 角速度传感器（陀螺仪）： 原理与分类： 详细阐述不同类型陀螺仪的工作原理，包括机械式陀螺仪（如动力调谐陀螺、漂浮陀螺）的机械结构与动力学特性，以及现代光纤陀螺（FOG）和环形激光陀螺（RLG）的光学干涉原理、波导结构、信号解调方法和补偿技术。重点分析其精度、稳定性、动态响应以及对环境因素（温度、振动、加速度）的敏感性。 技术进展： 介绍微机电系统（MEMS）陀螺仪的微细加工技术、MEMS谐振式陀螺仪（如振梁式、颤动式）的工作机理，以及MEMS陀螺仪在尺寸、功耗、成本方面的优势，并讨论其在消费电子、无人机等领域的广泛应用。 性能指标与测试： 详细定义和解释陀螺仪的关键性能指标，如零偏（Bias）、零偏不稳定性（Bias Instability）、角随机游走（Angular Random Walk, ARW）、尺度因子（Scale Factor）、尺度因子不稳定性（Scale Factor Instability）、噪声等。介绍标准的性能测试方法和设备，以及如何通过数据分析来评估和标定陀螺仪的精度。 加速度传感器： 原理与分类： 深入讲解压电式、压阻式、电容式、科里奥利力式等不同类型加速度计的工作原理。重点阐述MEMS电容式加速度计的微结构设计、驱动方式、信号读取电路以及其在惯性导航中的应用。 技术进展： 探讨高精度加速度计的研制进展，包括微机械结构优化、材料选择、环境隔离技术等，以提高其线性度、动态范围和抗干扰能力。 性能指标与测试： 详细定义和解释加速度计的关键性能指标，如零偏（Bias）、零偏不稳定性（Bias Instability）、速度随机游走（Velocity Random Walk, VRW）、尺度因子（Scale Factor）、尺度因子不稳定性（Scale Factor Instability）、线性度、横轴耦合等。介绍标准的性能测试方法，如振动台法、重力法等。 磁力计（作为辅助传感器）： 原理与应用： 介绍不同类型的磁力计，如霍尔效应磁力计、磁阻效应磁力计、各向异性磁致伸缩（AMR）磁力计、巨磁阻（GMR）磁力计等的工作原理。重点讨论磁力计在惯性导航系统中的辅助定位作用，尤其是在GPS信号丢失或弱化的环境中，通过测量地磁场强度和方向来辅助航向对准和修正。 挑战与补偿： 分析磁力计易受环境磁干扰（如铁磁材料、电机、电缆等）的影响，并介绍磁场校准和补偿的方法，包括硬磁、软磁补偿以及在线校准技术。 第二部分：惯性导航系统原理与设计 本部分将聚焦于如何将惯性器件组合起来，构建出能够自主导航的惯性导航系统（INS）。 惯性导航基本原理： 姿态、速度与位置的解算： 详细推导惯性导航系统的运动学方程，包括姿态更新方程（欧拉角、四元数、旋转矩阵）、速度更新方程和位置更新方程。深入讲解捷联式惯性导航（SINS）和平台式惯性导航（PINS）的基本结构与工作流程。 参考坐标系： 阐述导航系统中常用的坐标系，如地理坐标系、当地水平坐标系、平台坐标系、载体坐标系等，以及它们之间的相互转换关系。 误差源分析： 系统地分析惯性器件本身的误差（如零偏、噪声、尺度因子误差）以及系统误差（如地球自转、地球曲率、平台倾斜误差）对导航精度的影响。 惯性导航系统集成与误差补偿： 对准技术： 深入探讨惯性导航系统的对准过程，包括粗对准（利用地球重力场、地球自转角速度进行初始姿态估计）和精对准（利用精密测量和迭代算法提高姿态精度）。介绍不同环境下的对准策略，如静止对准、运动对准。 卡尔曼滤波（Kalman Filter, KF）及其变种： 详细讲解线性卡尔曼滤波的原理、递推方程和实现过程。重点介绍扩展卡尔曼滤波（EKF）在处理非线性系统中的应用，以及无迹卡尔曼滤波（UKF）在提高滤波精度方面的优势。深入阐述如何将卡尔曼滤波应用于惯性导航系统的状态估计和误差补偿，包括状态向量的定义、系统模型和量测模型的建立。 组合导航： 探讨如何将惯性导航系统与外部辅助导航系统（如GPS/GNSS、测距雷达、视觉传感器、轮式里程计等）进行组合，利用各自的优势，弥补惯性导航的不足，提高导航的整体精度、可靠性和可用性。详细介绍组合导航的原理、数据融合策略（如松组合、紧组合、深组合）以及滤波器的设计。 惯性导航系统的设计考虑： 系统架构设计： 讨论不同应用场景下惯性导航系统的架构选择，如微型惯性导航系统（MENS）、高精度惯性导航系统、多轴惯性导航系统等。 硬件选型与集成： 根据应用需求，选择合适的惯性器件（如MEMS、光纤、激光陀螺、高精度加速度计），考虑其精度等级、成本、功耗、尺寸等因素，并介绍硬件集成时的关键问题，如传感器安装、信号采集、数据处理硬件平台。 软件设计与实现： 讲解惯性导航系统软件设计中的关键模块，包括数据采集、标定与补偿、导航解算、滤波与估计、输出接口等。介绍常用的开发语言、工具和算法实现技巧。 第三部分：惯性导航系统的性能评估与应用 本部分将侧重于如何评估惯性导航系统的性能，以及其在各个领域的广泛应用。 性能评估方法： 静态测试： 介绍惯性导航系统在静止状态下的位置、速度、姿态精度评估方法，以及如何分析误差随时间的变化。 动态测试： 阐述惯性导航系统在不同运动状态下的性能评估，包括直线运动、转弯运动、振动、冲击等。介绍如何通过与高精度参考系统（如高精度GPS/GNSS、激光跟踪仪）进行比对来评估导航精度。 长期稳定性测试： 探讨惯性导航系统在长时间运行中的零偏漂移、尺度因子漂移等稳定性指标的评估方法。 故障诊断与容错： 介绍惯性导航系统潜在的故障模式（如器件失效、数据异常），以及相应的故障诊断和容错策略，以确保系统的可靠性。 惯性导航系统的应用领域： 航空航天： 飞机、导弹、火箭、卫星的姿态控制、导航与制导。 汽车工业： 自动驾驶汽车的车辆定位、姿态感知、路径规划。 海洋工程： 潜艇、水面舰船、水下机器人（AUV）的自主导航与定位。 机器人技术： 移动机器人、工业机器人、无人机的自主导航、路径跟踪与避障。 地质勘探与测绘： 地震仪、钻井平台的姿态测量，以及高精度地形测绘。 智能手机与消费电子： 运动追踪、虚拟现实（VR）、增强现实（AR）、电子罗盘等。 军事应用： 战场定位、精确制导武器、无人侦察机。 第四部分：惯性导航系统的前沿技术与发展趋势 本部分将展望惯性导航技术的未来发展方向。 微型化与低成本化： 介绍MEMS技术在推动惯性器件小型化、低功耗、低成本方面的最新进展，以及其在物联网（IoT）设备和可穿戴设备中的应用潜力。 高精度化与长寿命化： 探讨新型惯性器件（如原子干涉仪、量子陀螺）的研制进展，以及它们在达到前所未有精度水平方面的潜力。 抗干扰与鲁棒性： 介绍提高惯性导航系统在复杂电磁环境、强震动、高动态等恶劣条件下的鲁棒性和抗干扰能力的新技术，如新型滤波算法、传感器融合策略。 智能化与自适应性： 探讨惯性导航系统如何利用人工智能（AI）和机器学习（ML）技术，实现更智能的误差补偿、自适应参数调整、故障诊断和场景识别。 与其他技术的融合： 展望惯性导航系统与5G、边缘计算、数字孪生等新兴技术的深度融合，以构建更强大、更智能的定位导航服务。 新型导航模式： 探讨在GNSS信号受限或失效的情况下，惯性导航系统与其他无源或有源传感器的融合，以实现自主、连续、高精度的导航，如视觉-惯性里程计（VIO）、雷达-惯性里程计（RIO）等。 总结 本书力求从理论到实践，从基础到前沿，系统地呈现惯性器件与惯性导航系统的全貌。通过深入的学习，读者将能够深刻理解惯性导航系统的核心原理，掌握其设计与分析方法，并能为相关领域的研发与创新提供坚实的基础。 （本书内容详实，涵盖了惯性器件的原理、分类、性能指标、 MEMS 技术、光纤技术、激光技术等，以及惯性导航系统的基本原理、捷联式导航、姿态解算、速度与位置解算、误差分析、对准技术、卡尔曼滤波、组合导航，还有性能评估方法、应用领域，以及未来的发展趋势，旨在为读者提供一个全面、深入的学习参考。）

评分☆☆☆☆☆

我必须得提一下这本书的案例分析部分，真是太给力了！它不仅仅停留在理论层面，而是紧密结合了航空航天、海洋工程乃至无人系统中的实际应用。比如，书中对机载惯导系统在强干扰环境下的鲁棒性设计进行了深入探讨，这对我正在进行的某项特定应用的研究非常有启发性。它没有回避工程实践中遇到的“脏活累活”，反而把这些挑战展示出来，并给出了一套系统的解决方案框架。读起来让人感觉作者是真正“摸爬滚打”出来的专家，而不是只待在象牙塔里写理论的学者。这种理论与实践深度融合的写作风格，极大地提升了这本书的实用价值。

评分☆☆☆☆☆

这本书的语言风格非常严谨又不失灵动，节奏把控得恰到好处。它没有使用太多晦涩难懂的行话，即使是引入新概念时，也会先用最直白的语言铺垫。这使得我在阅读时，能够保持很高的流畅度，不容易产生阅读疲劳。最让我欣赏的是作者在阐述不同导航体制之间的相互作用和优势互补时所展现出的宏观视野。它不仅仅聚焦于惯性系统本身，而是将其置于整个导航、制导与控制的大背景下去审视，这对于培养系统思维至关重要。总而言之，这是一本值得反复研读、可以跟随职业生涯一起成长的技术宝典。

评分☆☆☆☆☆

天呐，这本书简直是为我这种对导航技术痴迷的人量身定做的！我刚翻开目录就被深深吸引住了。它不是那种枯燥的教科书，而是用一种非常引人入胜的方式，把惯性导航这个看似高深莫测的领域掰开了揉碎了讲。我尤其喜欢它对陀螺仪和加速度计工作原理的阐述，简直是生动形象到我都感觉自己能上手制作一个了。书中对各种误差来源的分析也特别到位，不是那种泛泛而谈，而是结合实际案例，让我对惯导系统的精度是如何受限以及如何改进有了更深刻的理解。读完前几章，我简直迫不及待地想去了解更多关于姿态解算和位置估计的复杂算法，这本书为我打开了一扇通往精密导航世界的大门，让我对接下来的学习充满了期待。

评分☆☆☆☆☆

坦率地说，这本书的深度是超乎我预期的。我本来以为它会是入门级的科普读物，结果发现它对高级主题的探讨也毫不含糊。特别是在讨论高精度惯性测量单元（IMU）的标定技术时，作者深入到了误差模型构建和优化算法选择的细节中。我清晰地感受到了作者在这一领域的深厚积累和独到见解。对于那些已经具备一定基础，希望向更高层级迈进的工程师或研究生来说，这本书提供了非常宝贵的进阶参考。它不只是教你“怎么做”，更会引导你思考“为什么这样做是最好的选择”。读完之后，我的技术视野得到了极大的拓宽。

评分☆☆☆☆☆

这本书的排版和图示设计真的让人眼前一亮。很多技术书籍，尤其是涉及复杂数学模型的，往往会让人望而生畏，但这本书在这方面做得非常出色。清晰的流程图、高质量的原理示意图，把那些抽象的微分方程和矩阵运算都具象化了。我记得有一张图，完美地展示了如何通过卡尔曼滤波来融合来自不同传感器的信息，那张图我反复看了好几遍才完全理解其中的精妙之处。对于我这种偏爱视觉化学习的读者来说，这简直是福音。它让复杂的理论不再是冰冷的公式堆砌，而是有血有肉、可以触摸和理解的工程实践。那种阅读体验，就好像身边坐着一位经验丰富的老工程师，耐心而细致地为你讲解每一个细节。