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周红进许江宁覃方君... 编

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• 惯性导航
• 陀螺
• 导航技术
• 姿态控制
• 传感器
• 算法
• 精密导航
• 误差分析
• 系统设计
• 工程应用

店铺： 锦瑭图书专营店

出版社： 国防工业

ISBN：9787118114232

商品编码：29762742015

出版时间：2017-12-01

基本信息

• 商品名称：无陀螺惯性导航技术(精)
• 作者：编者:周红进//许江宁//覃方君
• 定价：69
• 出版社：国防工业
• ISBN号：9787118114232

其他参考信息（以实物为准）

• 出版时间：2017-12-01
• 印刷时间：2017-12-01
• 版次：1
• 印次：1
• 开本：
• 页数：0

《高精度惯性测量单元设计与应用》 内容简介： 本书系统阐述了高精度惯性测量单元（IMU）的设计、制造、标定、测试以及在复杂工程应用中的关键技术。IMU是惯性导航系统的核心组成部分，其性能直接决定了导航定位的精度和可靠性。本书深入探讨了IMU的硬件设计、软件算法以及系统集成等多个维度，旨在为从事惯性导航、姿态确定、高精度测量等领域的科研人员、工程师及相关专业学生提供一本全面、深入的参考手册。 第一部分：惯性测量单元的原理与组成 本部分首先回顾了惯性导航的基本原理，重点介绍了IMU在其中扮演的角色。接着，详细解析了IMU的四大核心组成部分：陀螺仪、加速度计、磁力计以及数据处理单元。 陀螺仪： 深入剖析了目前主流的陀螺仪技术，包括： 机械陀螺仪： 简述了其基本原理，如角动量守恒，并分析了其优缺点。 光纤陀螺仪（FOG）： 详细介绍了Sagnac效应的工作原理，不同类型的FOG（如干涉型、谐振型），其关键部件（如光源、分光器、光纤、光电探测器）的设计与选择，以及影响其性能的因素（如光源稳定性、光纤损耗、热漂移、机械应力）。重点阐述了如何通过优化结构设计、材料选择和工艺控制来提高FOG的灵敏度和稳定性。 激光陀螺仪（RLG）： 阐述了环形激光器的工作原理，包括腔内模式、正反向激光束的干涉，以及如何通过锁环技术消除死区效应。分析了RLG的关键结构设计，如腔体材料、反射镜性能、气体填充等，并探讨了其在不同应用场景下的适用性。 微机电系统（MEMS）陀螺仪： 介绍了MEMS陀螺仪的传感原理，如科里奥利力效应，以及其结构设计（如振动梁、驱动与检测电极）。分析了MEMS陀螺仪的优势（如小型化、低成本、低功耗）和挑战（如精度限制、环境敏感性），并探讨了提高其精度的技术途径，如双质量块结构、补偿算法等。 加速度计： 详细介绍了不同类型的加速度计： 压阻式加速度计： 阐述了敏感元件（如微梁、质量块）的压阻效应，以及如何通过应变片将位移转化为电信号。分析了影响其精度的因素，如温度漂移、非线性等。 电容式加速度计： 解释了其工作原理，即通过测量质量块偏转引起的电容变化。重点介绍了其结构设计、电容检测电路的设计以及对环境噪声的抑制方法。 石英摆式加速度计： 阐述了其高精度优势，以及如何通过石英晶体的精密加工和伺服反馈系统来实现高精度测量。 MEMS加速度计： 介绍了其与MEMS陀螺仪类似的微机械结构，以及其在功耗、尺寸上的优势。 磁力计： 介绍了磁力计在辅助定位和姿态确定的作用，以及不同类型的磁力计： 磁阻式磁力计： 如各向异性磁电阻（AMR）和巨磁电阻（GMR）磁力计，阐述了其工作原理和传感器结构。 霍尔效应磁力计： 介绍了霍尔元件的工作原理以及在不同材料下的应用。 通量门磁力计： 强调了其高精度和宽测量范围的特点。 数据处理单元： 介绍了IMU内部的数据采集、信号调理、模数转换、数字滤波等过程。重点讨论了高速ADC的选择、抗混叠滤波器的设计以及微处理器的选型与编程。 第二部分：惯性测量单元的设计与制造 本部分深入探讨了IMU的设计与制造过程中的关键技术和工艺。 硬件设计： 传感器选型： 依据不同的应用需求（精度、带宽、功耗、成本等），详细讲解了如何选择合适的陀螺仪和加速度计。 结构设计： 重点介绍了IMU的结构设计原则，包括减震降噪、温度补偿、应力隔离、电磁兼容性（EMC）设计等。分析了如何通过优化安装方式、使用减震材料、设计合理的腔体结构来提高IMU的整体性能。 电路设计： 详细阐述了低噪声信号调理电路的设计，包括放大器、滤波器、电源管理电路的设计。讨论了如何降低电路噪声、提高信号的信噪比。 热设计： 分析了IMU内部各部件产生的热量以及对传感器性能的影响。介绍了有效的散热设计方法，如散热片、风扇、热管等，以及如何通过热模型仿真来优化热设计。 封装设计： 强调了IMU封装对性能和可靠性的重要性。讨论了不同封装材料（如陶瓷、金属、塑料）的选择，以及封装工艺（如焊接、粘接）对IMU性能的影响。 制造工艺： 高精度加工： 介绍了精密机械加工、微纳加工等工艺在IMU制造中的应用。 洁净生产环境： 强调了IMU制造对洁净度的要求，以及洁净室等级和管理的重要性。 可靠性制造： 讨论了焊接、清洗、固化等工艺参数的控制，以及如何通过工艺优化来提高IMU的长期可靠性。 质量控制： 介绍了IMU生产过程中的质量控制点和检验方法。 第三部分：惯性测量单元的标定与测试 本部分是IMU性能保证的关键环节，详细介绍了各类标定与测试技术。 传感器误差模型： 陀螺仪误差模型： 详细阐述了陀螺仪的静态误差（如零偏、比例因子误差、轴间交叉耦合）和动态误差（如随机游走、速率随机游走、角度随机游走）。 加速度计误差模型： 详细阐述了加速度计的静态误差（如零偏、比例因子误差、轴间交叉耦合、安装轴偏差）和动态误差（如随机游走、速率随机游走）。 标定方法： 静态标定： 介绍了在稳定平台上的静态标定方法，如何测量陀螺仪和加速度计的零偏、比例因子等。 动态标定： 重点介绍了基于特定运动轨迹（如正弦运动、圆形运动）的动态标定方法，如何辨识陀螺仪和加速度计的动态误差参数，以及如何利用三维转台进行多自由度的动态标定。 温度标定： 详细阐述了IMU在不同温度下的零偏和比例因子漂移特性，以及如何进行温度补偿标定。 轴间交叉耦合标定： 介绍了如何测量和补偿各轴之间的耦合误差。 非线性标定： 讨论了如何对传感器存在的非线性误差进行建模和补偿。 测试方法： 性能指标测试： 详细介绍了IMU的关键性能指标的测试方法，如零偏稳定性、比例因子稳定性、角度随机游走、速率随机游走、带宽、动态范围等。 环境适应性测试： 介绍了IMU在振动、冲击、温度变化、湿度、气压等环境下的测试方法，以及如何评估其可靠性和稳定性。 寿命测试： 讨论了IMU的加速寿命测试方法，以及如何预测其使用寿命。 长期性能评估： 介绍了如何通过长时间运行来监测IMU的性能漂移和老化情况。 标定与测试设备： 介绍了三维转台、高精度水平仪、温箱、振动台、冲击试验机等关键标定测试设备及其工作原理。 第四部分：惯性测量单元的软件算法与数据融合 本部分聚焦于IMU的数据处理算法，特别是与导航定位相关的算法。 数据预处理： 数字滤波： 介绍了低通滤波、高通滤波、带通滤波、陷波滤波、卡尔曼滤波等常用数字滤波器的原理和应用，以及如何根据应用场景选择合适的滤波器。 抗混叠滤波： 强调了在模数转换前设置抗混叠滤波器的重要性。 噪声抑制： 探讨了各种算法用于抑制传感器噪声的方法。 姿态解算算法： 欧拉角表示： 介绍了欧拉角的概念及其在姿态描述中的应用，以及其万向锁问题。 四元数表示： 详细阐述了四元数的数学性质，以及如何用四元数表示和计算姿态，避免了万向锁问题。 方向余弦矩阵（DCM）： 介绍了DCM的构建和更新方法，以及其在姿态解算中的应用。 姿态更新算法： 介绍了基于陀螺仪数据的姿态更新算法（如基于一阶或二阶积分），以及如何通过加速度计和磁力计进行姿态校正。 位置与速度推算： 加速度计积分： 介绍了如何通过对加速度计数据进行一次积分得到速度，二次积分得到位置。 误差累积问题： 深入分析了加速度计积分位置的误差累积问题，以及如何通过外部辅助信息（如GPS）进行修正。 捷联惯性导航算法： 详细介绍了捷联惯性导航的基本原理，以及如何通过姿态矩阵实现加速度计数据的坐标系转换。 数据融合算法： 卡尔曼滤波（KF）： 详细介绍了标准卡尔曼滤波器的原理、状态方程、观测方程、增益计算以及更新过程。 扩展卡尔曼滤波（EKF）： 针对非线性系统，介绍了EKF的原理和应用。 无迹卡尔曼滤波（UKF）： 介绍了UKF在处理非线性系统时的优势。 多传感器融合： 重点阐述了IMU与其他传感器（如GPS、轮速计、视觉传感器）的数据融合技术，以提高导航定位的精度和鲁棒性。 固定翼、旋翼、无人机等平台的IMU数据融合策略： 针对不同平台特性，提出了相应的融合算法和优化方法。 第五部分：惯性测量单元的应用 本部分展示了IMU在各个领域的广泛应用。 航空航天： 飞行器姿态确定与导航： 在飞机、导弹、卫星等飞行器上实现高精度姿态和位置测量。 空间站姿态控制： 用于空间站的姿态稳定和轨道控制。 运载火箭导航： 在火箭发射和飞行过程中提供精确的导航信息。 汽车工业： 车辆导航与定位： 在GPS信号弱或失效的情况下，提供连续的位置和速度信息，用于高精度定位系统。 电子稳定程序（ESP）与防抱死制动系统（ABS）： 提供车辆的侧滑率、转向角等信息，辅助控制系统。 自动驾驶： 作为自动驾驶系统感知层的重要组成部分。 机器人技术： 机器人姿态感知与运动控制： 使机器人能够感知自身姿态，实现精确的运动控制和路径规划。 自主导航： 用于AGV（自动导引车）、服务机器人等自主移动。 海洋工程： 水下航行器导航： 在GPS信号无法穿透的水下环境中，提供可靠的定位信息。 船舶姿态稳定与导航： 用于船舶的动态定位、姿态稳定和航线导航。 地理测绘与地质勘探： 无人机测绘： 用于高精度航空摄影测量和地形测绘。 地面测量： 与GPS配合，提高地面测量精度。 医疗与健康： 人体运动分析： 用于运动员训练、康复监测、步态分析等。 假肢与外骨骼控制： 提高假肢与外骨骼的运动协调性和智能化水平。 消费电子： 智能手机与穿戴设备： 用于姿态感应、计步、游戏等。 虚拟现实（VR）与增强现实（AR）： 实现用户头部姿态跟踪，提升沉浸感。 结论： 本书力求全面、深入地介绍高精度惯性测量单元的理论、设计、制造、标定、测试、算法以及应用。通过对各个环节的细致阐述，本书旨在帮助读者建立对IMU技术的系统性认识，掌握解决实际工程问题所需的关键知识和技能，并为未来的技术创新和应用拓展奠定坚实的基础。本书内容紧密结合工程实践，注重理论与实践相结合，适合从事相关领域研究和开发的专业人士阅读参考。

评分☆☆☆☆☆

作为一名在校攻读控制理论的研究生，我接触了不少相关的教材，但这本书在“前沿应用”和“工程现实”的结合上做得尤为出色。它并没有停留在经典的理论推导层面，而是大量引入了最新的传感器技术和计算平台对算法实现的影响。书中关于非线性系统辨识的讨论，以及如何利用高性能计算资源来加速迭代求解，都紧跟学术界和工业界的最新进展。我注意到书中对不同应用场景下的性能指标权衡分析非常到位，比如在军用级和消费级产品中对功耗、尺寸、成本和精度的不同侧重，这使得书本知识不仅仅是纸上谈兵，而是具有很强的指导性。阅读过程中，我数次停下来，对照我正在做的课题，发现书中给出的思路和框架，恰好能解决我研究中遇到的某个瓶颈。这种即时的理论指导价值，是很多纯理论书籍无法比拟的。

评分☆☆☆☆☆

我是一名在职的机械工程师，平时工作和导航技术关联不大，但出于对尖端技术的好奇心，我选了这本书。坦率地说，这本书的阅读体验是极具挑战性的，但收获同样是巨大的。它不仅仅是一本技术手册，更像是一部关于如何在极限环境下实现精准测量的“武林秘籍”。书中对于状态估计和数据融合算法的论述，特别是卡尔曼滤波在惯性系统中的应用，展现了作者深厚的实践经验。我印象最深的是其中关于多传感器信息冗余和故障诊断的章节，这在实际工程应用中是决定系统可靠性的关键。作者没有回避工程实践中的复杂性，而是直面问题，提供了多种解决思路和权衡的考量。那种务实到近乎苛刻的论述风格，让我感觉仿佛正在阅读一份顶尖研究机构的内部技术报告，而不是公开发表的书籍。它教会了我如何用一种更系统、更可靠的思维去构建和评估导航解决方案，对我日常解决问题的方式也产生了积极的影响。

评分☆☆☆☆☆

这本书的文字风格极其凝练，每一句话似乎都承载了大量的专业信息，没有一句废话。它的深度体现在对基本物理定律如何转化为精确工程量化的过程中。我最欣赏的是作者在介绍特定技术方案时，总会穿插一些历史性的背景介绍，说明为什么某项技术会取代另一项，这种历史的纵深感让理解更加立体。例如，在介绍几种不同的姿态解算方法时，作者不仅给出了数学公式，还分析了每种方法的计算复杂度及其在实时系统中的适用性。这对于需要进行实时嵌入式开发的工程师来说，是无价的信息。整本书的结构就像一个精心构建的知识迷宫，你必须按照作者设定的路径，一步步深入，才能最终领略到其全貌。它不是那种可以轻松翻阅的书籍，而是需要你投入精力、准备好笔和纸去“啃”下来的硬核技术宝典，但一旦掌握，其回报是巨大的。

评分☆☆☆☆☆

这部关于现代航空航天领域核心技术的书籍，着实让我这个业余爱好者大开眼界。我原本对飞机的导航系统只停留在依赖GPS的粗浅印象，但读完这本书后，才明白在信号受限或需要极高精度定位的场景下，惯性导航系统（INS）是多么关键。书中对陀螺仪和加速度计的工作原理阐述得极为深入，不是那种浅尝辄止的介绍，而是深入到了物理基础层面，涉及了复杂的数学模型和误差分析。特别是对于如何处理环境噪声和系统漂移的部分，作者似乎倾注了大量心血，提供了非常详尽的数学推导，让人不得不佩服其专业深度。虽然有些公式和理论对于非专业背景的读者来说，理解起来需要反复研读，但这恰恰体现了这本书的价值所在——它面向的是真正想深入理解技术细节的工程师和科研人员，而非仅仅满足于表面概念的读者。我尤其欣赏书中对不同类型惯性传感器性能对比的章节，那种严谨的数据支撑和优劣势分析，对于系统选型时提供了极佳的参考依据，完全不是那种教科书式的泛泛而谈。

评分☆☆☆☆☆

说实话，我最初购买这本书是希望能找到一些关于如何快速搭建一个小型惯性测量单元（IMU）的“快速入门指南”。结果发现，这本书完全走的是另一条路——深度钻研的硬核路线。它对误差模型的建立和标定的过程描述得极其细致，几乎是将整个设计流程从理论基础到落地实现的每一个环节都掰开了揉碎了讲。书中对时间同步和坐标系转换的几何学解释，逻辑清晰到令人赞叹，即便是涉及到高维度的张量运算，作者也能用清晰的图示和逐步推导来辅助理解。我特别喜欢其中关于如何通过软件算法来补偿硬件固有限制的部分，这体现了现代工程设计中软硬件协同的重要性。对于我这种更偏向于系统集成的角度来看，这本书提供了足够深入的底层知识，让我能更自信地去评估供应商提供的技术指标，而不是盲目相信宣传手册上的“高精度”。这绝对是一部需要时间去沉淀和消化的重量级著作。