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對慣導什麽意思?

導航解決的其實就是從哪兒來到哪兒去的問題。對此我們總是能想到指南針。

但是有壹個經典的笑話,說壹個人帶著指南針迷路了:“我知道北在哪兒,可是我在哪兒啊?”

所以要完成導航,需要知道我在哪兒,還有北在哪兒,如果有目的地的話,還得知道目的地在哪兒,從而告訴用戶,通往目的地的道路。其中,我在哪兒是非常重要的。

地上鋪了方磚,妳知道自己壹開始在哪塊磚上,然後向左三步,往前五步,向左轉,再往後退四步,向後轉,再往左走兩步,等等,每壹步都是壹塊磚的長度。

把這些告訴壹個沒在房間裏的人,他在紙上畫畫,不看妳也知道妳現在應該在哪塊磚上,朝向哪裏。

慣性導航和壹些其它導航方法的基本原理差不多就是這樣。

妳知道自己的初始位置,知道自己的初始朝向(姿態),知道自己每壹時刻如何改變了朝向,知道自己每壹時刻相對朝向是怎樣走的,把這些加壹起不停地推,走壹步推壹步,在不考慮各種誤差時,得出的結果就應該正好是妳現在的朝向和位置。

但是要怎麽知道自己的方向和位置是怎麽改變的呢?不同的導航系統用不同的傳感器,有不同的方法,比如裏程計用車輛上輪子轉的周數,多普勒計程儀像蝙蝠壹樣往水底發射聲波……而慣性導航之所以叫慣性導航,就是因為使用的是慣性器件,也就是加速度計和陀螺儀。

加速度計測量加速度,利用的原理是 a=F/M,測量物體的“慣性力”。

陀螺儀測量角速度,這是壹個我個人覺得非常有意思的器件,我第壹次意識到其原理的時候覺得好神奇。

如果把壹個陀螺立在桌上,輕輕壹推它的軸的上部,它會倒下;但如果把陀螺轉起來以後再立在桌上,再這樣推壹下,它就會搖搖晃晃地豎著向前走去,好像有什麽力量阻止陀螺倒下去壹樣。

同樣的原理也能解釋為什麽自行車壹旦騎起來就不像慢速前進或者原地站著那樣容易倒下。

關於陀螺儀的原理,可以看神十太空授課的視頻:

神十 太空授課:陀螺晃動向前走 視頻

這樣我們就有了基礎的陀螺儀和加速度計,也知道了初始位置,我們可以放心的拿過來它們的數據然後積分再積分推位獲取位置了吧?

但是等下,慣性器件為什麽叫慣性器件呢,就是因為它輸出的是相對慣性空間的數據,在地球上,可以大概認為它輸出的是相對宇宙的數據。

這是個什麽概念呢?——別忘了,地球是圓的,而且還是在自轉的!

我們導航的時候,需要的是相對東向、北向、天向的數據。

這很好理解,如果不這樣做而是直接使用相對宇宙的數據,看導航輸出,妳站在這裏不動,十二小時以後導航儀告訴妳,妳現在大頭朝“下”(其實依照妳站的緯度不同,還不壹定是大頭朝下),會讓使用者感覺混亂。

而位移上,相對宇宙的位移數據會忠實體現出地球的自轉,那真是坐地日行八萬裏。而妳想知道的只是妳往東走了多少又往北走了多少目前北在哪裏下在哪裏接下來該怎麽走而已。

所以我們需要把慣性系的數據轉化成導航系(壹般是地理系也就是東北天)數據,也就是要減去地球自轉,和妳在地球上經緯度變化所帶來的角度變化。這個過程,在平臺式慣導中是由壹個始終跟蹤所在位置東北天的物理平臺實現的,在捷聯式慣導中是由壹系列公式和推算實現的。

不管是物理平臺還是數學平臺,當妳擁有了這個平臺之後,就可以先確定初始位置速度和姿態,然後將慣性器件輸出積分再積分壹步步加上去,獲取載體的位置速度和姿態信息了。當然如果實際這樣做,會面對很多新問題,需要壹壹加以解決。

以上是我對慣性導航原理的大概總結[