2惯性技术发展趋势及应用前景

北京理工大学自动化学院刘嘉2120120995 概述1 惯性测量传感器的发展趋势2 惯性导航系统的发展趋势3 惯性技术在生活中的应用4071概述1概述2惯性测量传感器的发展趋势惯性传感器是检测和测量加速度、倾斜、冲击、振动、旋转和多自由度运动的传感器。惯性传感器包括加速度计和角速度传感器（陀螺）以及它们的单、双、三轴组合IMU（惯性测量单元），AHRS（包括磁传感器的姿态参考系统）。低精度惯性传感器作为消费电子类产品主要用在手机、GPS导航、游戏机、数码相机、音乐播放器、无线鼠标、智能玩具、计步器、防盗系统。其具有加速度测量、倾斜测量、振动测量甚至转动测量等基本测量功能，未来有待挖掘的消费电子应用会不断出现。中级惯性传感器作为工业级及汽车级产品，则主要用于汽车电子稳定系统（ESP或ESC）GPS辅助导航系统，汽车安全气囊、车辆姿态测量、工业自动化、大型医疗设备、机器人、仪器仪表、工程机械等。高精度的惯性传感器作为军用级和宇航级产品，主要要求高精度、全温区、抗冲击等指数。主要用于通讯卫星无线、导弹导引头、光学瞄准系统等稳定性应用；飞机/导弹飞行控制、姿态控制等控制应用、以及中程导弹制导等。2.1陀螺仪2.1陀螺仪2.1陀螺仪2.1.2光纤陀螺光纤陀螺（FiberOpticalGyro，FOG）使用与环形激光陀螺相同的基本原理，但其使用光纤作为激光回路，可看作是第二代激光陀螺。由于光纤可以进行绕制，因此光纤陀螺中激光回路的长度比环形激光陀螺大大增加，使得检测灵敏度和分辨率也提高了几个数量级。光纤陀螺的主要优点在于高可靠性、长寿命、快速启动、耐冲击和振动、对重力不敏感、大动态范围等。但是，构成光纤陀螺仪的核心部件对温度敏感．温度的变化会引起材料物理参数、工作状态的变化以及结构零件的形变，这些变化会造成光路的变化与激光能量的非均匀损耗．使光纤陀螺产生非互易性效应，降低光纤陀螺的输出精度．因此温度成为了高精度光纤陀螺仪工程化过程中所面临的主要问题之一。其余如共振问题也是光纤陀螺待解决的问题。2.2加速度计2.2加速度计加速度计是测量运载体线加速度的仪表，广泛应用于舰艇、船舶、航空飞行器、陆地车辆等，扩展到航天飞机、星际探测、制导武器、大地测量、资源勘测、地球物理测量、海洋探测、铁路、隧道等方面。加速度计的发展方向之一：微加速度计与通常的加速度计相比，微加速度计具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高等优点，因此可被广泛运用于航空航天、汽车工业、工业自动化及机器人等领域，也是武器装备所需的关键传感器之一，具有广阔的军事和民事应用前景。图3Micro-IMU的正面图4Micro-IMU的侧面Micro-IMU结合了IMU应用于嵌入式计算机系统的目标，改善了大小，重量和功率消耗的指标，而性能仍然是比较先进的可商用化的IMU。通过对MEMS传感器使用超大规模集成电路使之成为可能。现代的具有三轴机械特性的加速度计和陀螺仪和带有自动温度补偿的集成模数转换都集成在一个芯片上。这种设计虽然去除了模拟转换器，高精密电压参考等一些内容，但成功的将所有的传感器和微控制器继承在一个四层的PCB板上。图5Micro-IMU的结构图对比：Honeywell公司生产的HG1930IMU图6HG1930IMU3惯性导航系统的发展趋势正如前文所讲，惯性传感器是惯性导航系统发展的基础，与之类似，惯性导航系统的设计和发展须要考虑权衡的主要因素有：①必须针对并满足应用的需求，其中导航性能（尤其是精度）和价格成本是首要的两个特性指标。价格成本包含系统自身成本、维护成本和使用寿命。因此对于很多导航应用，合理的价格仍然被置于应用要求的最前面。导航性能包括：导航的精确性、连续性、完整性、易用性，易用性是指系统易于使用和维护、系统的自主性等。②实际的应用环境是最大的挑战。系统的体积、功耗、可靠性和可用性会关系到惯性导航系统能否在具体的应用环境中被采用。③提高惯性导航系统的通用性，拓