TT-3DM-惯性导航实验室

惯性导航/航姿/教学和实验系统方案

系统简介
     惯性导航系统作为全自主导航系统广泛应用于海、陆、空、天的各类运载工具上，陀螺仪作为一种旋转测量和指示元件，是舰船导航及制导系统的核心部件，结合陀螺仪的基本原理的理论授课，再结合形象生动的教学实验系统，使得学生深入了解和掌握陀螺仪的原理和构造，以及基于陀螺仪构成的各种导航或定位设备的工作机理，对于导航控制专业的教学具有重要的意义。
惯性导航/航姿/教学和实验系统分为两部分实验内容：基于经典刚体转子陀螺体验与感知实验和基于新型惯性传感器技术的多功能综合实验。基于经典刚体转子陀螺体验与感知实验，能够形象地使得学生体会陀螺仪的特性，方便携带，可以方便地在课堂和实验室让学生体会、交互。基于新型惯性传感器技术的多功能综合实验结合了现代新型的传感器（三轴MEMS陀螺、三轴MEMS加速度计、三轴MEMS磁强计等），学生可分别作陀螺、加速度、磁场传感实验,倾角仪、电子罗盘和导航解算等各项综合实验，并有双轴转台测控系统配套，设计了相关的实验大纲和内容，并提供Labview配套实验程序。
一，功能特点
 基于经典刚体转子陀螺体验与感知实验，能够形象地使得学生体会陀螺仪的特性（定轴性、进动性）；
 基于经典刚体转子陀螺体验与感知实验，配有控制装置，可以独立使用，方便携带；
 较低的价格，可以让众多学生同时动手实验，国内惯性导航/航姿/教学和实验系统；
 国内配备低成本电动转台，可做定量实验，更好的掌握惯导/航姿/运动传感技术；
 提供全面的相关教学和实验配套服务，减轻教师的负担；
 集成度高，包含了各类运动相关传感器；
实验覆盖全面，从单一运动传感器实验到所有运动传感器融合的综合实验；
通过自身在国内惯导/航姿/运动传感领域的技术，实现惯导/航姿/运动传感实验室方案的不断升级，真正使高校教学/实验/科研水平跟上技术发展的潮流；
可为学校量身定做相关实验系统；
二，实验设备
 经典刚体转子陀螺仪实验系统
单陀螺演示仪（3MD-G10）
基于经典刚体转子陀螺仪构造，内置高速电机带动旋转体高速旋转，产生陀螺效应。可体验陀螺特性（定轴性）。
双轴陀螺演示仪（3DM-G20）
在单陀螺演示仪的基础上，增加了内框、外框和基座，用于体验陀螺特性（进动性、章动等）。
陀螺演示仪控制器（3DM-GC10）
用于单陀螺演示仪和双轴陀螺演示仪的控制，包括供电和控制回路。
惯导/航姿模块(3DM-E10A)
该模块是一款微型的全姿态测量传感装置，它由三轴MEMS陀螺、三轴MEMS加速度计、三轴磁阻型磁强计等三种类型的传感器构成。三轴陀螺用于测量载体三个方向的的角速率，三轴加速度计用于测量载体三个方向的加速度，在系统工作中，主要作用是感知系统的水平方向的倾斜，并用于修正陀螺在俯仰和滚动方向的漂移，三轴磁阻型磁强计测量三维地磁强度，用于提供方向角的初始对准以及修正航向角漂移。可提供的输出数据有：原始数据、四元数、姿态数据等。

三，性能指标      参 数      单位 
输出数据格式      原始数据、姿态角、四元数 
数据采样率     1-100 （可选）     Hz 
启动时间      < 1      sec 
静态角度误差（俯仰、滚动）      ± 0.1      degree 
动态角度误差（俯仰、滚动）      ± 1.0      degree 
静态角度误差（航向）      ± 0.5      degree 
动态角度误差（航向）      ± 2      degree 
航向角分辨率      <0.1      degree 
加速度计测量范围      ± 2, ± 4, ± 8,      g 
加速度计零偏稳定性      ± 0.003 (± 2g)      g 
加速度计非线性      0.2 %      - 
速率陀螺测量范围      ± 300, ± 500 , ± 2000      °/sec 
速率陀螺零偏稳定性      ± 0.2 ( 在 ± 300°/秒时)      °/sec 
速率陀螺非线性      0.2 %      - 
磁力计测量范围      ±1.3      Gauss 
磁力计非线性      0.4 %      - 
磁力计零偏稳定性      0.01      Gauss 
短时冲击      500 (Not reinforced)      g 

电气特性      zui小      典型      zui大      单位 
供电电压      4.5      5.0      9.0      V 
供电电流      40      60      80      mA 
功耗      <300      mW 

物理特性      参 数      单位 
尺寸      28x34x19(长x宽x高)      mm 
重量      18      gram 
规定温度范围      +25      ºC 
工作温度范围      -25      +70      ºC 
存储温度范围      -25      +80      ºC 

 四，双轴电动转台(TT-3DM-2E-10) 
机械台体采用UO形铝合金框架结构，由内环横滚轴框架和外环俯仰轴框架组成相互垂直的转动架构，采用直流电机驱动旋转，实现三维空间任意位置和角度的姿态测量。具有位置、速率和摇摆三种测试功能。
负载尺寸：50mm×50mm×50mm；
负载重量：0.5 kg；
双轴转角范围：连续无限（可以根据需要限位）；
角位置综合测量精度：±0.08º；
控制到位精度：±0.01º；
速率范围：0.1º/s～300 º/s；
速率精度与平稳度：1%；
台体外形尺寸：510mmL×200mmW×469mmH；

  双轴电动转台（TT-3DM-2E-10）
 双轴转台控制器 
采集控制器通过USB或串行接口连接计算机实现航姿模块信号的采集与电动转台的测量控制。
测角数据采集频率：20Hz；
外形尺寸：275mmW×150mmW×130mmH；
串口波特率：115200 bps。
工作电源：220VAC/200W

    
 双轴转台控制器 

实验内容

 五，实验内容1： 
单轴陀螺仪定轴性实验；
双轴陀螺仪进动性实验；
双轴陀螺演示仪章动实验；
基于二自由度陀螺仪的陀螺地平仪、陀螺方向仪工作原理模拟实验；
实验内容2
系统连接和安装实验；
系统软件安装和配置实验；
转台三维位置调整实验；
转台电动旋转实验；
三轴加速度传感器静态测量实验；
三轴加速度传感器计算加速度实验；
加速度零位偏移测量与计算实验；
三轴加速度传感器计算单轴静态倾角实验；
三轴加速度传感器计算双轴静态倾角实验；
振动测量实验；
三轴加速度传感器动态测量实验；
三轴陀螺传感器静态测量实验；
三轴陀螺传感器动态测量实验；
陀螺零位偏移测量与计算实验；
三轴磁传感器静态测量实验；
三轴磁传感器在磁场变化情况下的测量实验；
电子罗盘设计实验；
惯性导航/航向姿态定量的比对实验。

实验内容3
陀螺误差建模实验
陀螺温度补偿实验
陀螺标定实验
加速度传感器误差建模实验
加速度传感器标定实验
磁传感器硬磁补偿实验
磁传感器软磁补偿实验
电子罗盘设计高级实验
姿态解算实验
四元数解算实验
基于卡尔曼滤波的多信息融合算法实验
捷联导航解算方法实验

系统配置清单（建议）

序号    名称    型号    单位    数量    备注
1    单轴陀螺演示仪    3DM-G10    个    4    
2    双轴陀螺演示仪    3DM-G20    个    4    
3    陀螺演示仪控制器    3DM-GC10    台    8    
4    惯导模块    3DM-E10A    个    8    
5    双轴电动转台    TT-3DM-2E-10    台    8    
6    双轴采集控制器    CC-3DM-2E-10    台    8    
7    计算机系统        套    8    
8    软件光盘         张    8    
9    连接线及电源线         套    8    整套线材

实验室配置
    
可根据经费和实验室的大小来配置实验系统套数，效果比较好的配置是每个学生一套，使每个学生都有条件*独自的做实验。
实验室也可以分期建设，逐步配置齐全。下面的图片是大学导航测控专业实验室配的8套转台，供参考。

实验室8台转台案例：

一所大学导航测控专业实验室配的8套转台，已经成功应用于教学和科研。