2惯性技术发展趋势及应用前景

1、北京理工大学自动化学院北京理工大学自动化学院惯性技术发展趋势及应用前景惯性技术发展趋势及应用前景 刘刘 嘉嘉2120120995Page 2惯性技术发展趋势及应用前景惯性技术发展趋势及应用前景 概述概述惯性测量传感器的发展趋势惯性测量传感器的发展趋势惯性导航系统的发展趋势惯性导航系统的发展趋势惯性技术在生活中的应用惯性技术在生活中的应用Page 31 概述概述n 惯性技术是利用牛顿经典力学和近代物理学原理进行运动物体姿态轨迹测惯性技术是利用牛顿经典力学和近代物理学原理进行运动物体姿态轨迹测量与控制的应用技术，涉及数学、力学、精密机械、自动控制、电子学、计量与控制的应用技术，涉及数学、力学、精密

2、机械、自动控制、电子学、计算机、光学、精密加工工艺、材料等学科，主要研究内容包括惯性仪表、惯算机、光学、精密加工工艺、材料等学科，主要研究内容包括惯性仪表、惯性系统、惯性导航、惯性制导、惯性测量等。性系统、惯性导航、惯性制导、惯性测量等。n 当前，惯性技术正处于蓬勃发展阶段，其目标是实现高精度、高可靠性、低当前，惯性技术正处于蓬勃发展阶段，其目标是实现高精度、高可靠性、低成本、小型化、数字化、应用领域更加广泛的导航系统。一方面，陀螺的精成本、小型化、数字化、应用领域更加广泛的导航系统。一方面，陀螺的精度不断提高，漂移量可达度不断提高，漂移量可达10-6 /h；另一方面，随着；另一方面，随着RL

3、G、FOG、MEMS等等新型固态陀螺仪的逐渐成熟，以及高速大容量的数字计算机技术的进步，新型固态陀螺仪的逐渐成熟，以及高速大容量的数字计算机技术的进步，SINS在低成本、短期中精度惯性导航中呈现出取代平台式系统的趋势。在惯在低成本、短期中精度惯性导航中呈现出取代平台式系统的趋势。在惯性技术发展的历史过程中，性技术发展的历史过程中，Draper实验室、实验室、Sperry、原、原Litton、Delco、Honeywell、Kearfott、Rockwell、GE（General Electric）以及其它一些）以及其它一些公司和研究机构，对惯性技术的成熟和广泛应用做出了卓越贡献。公司和研究机构

4、，对惯性技术的成熟和广泛应用做出了卓越贡献。Page 41 概述概述 图图1： 制约惯性技术发展的因素制约惯性技术发展的因素Page 52 惯性测量传感器的发展趋势惯性测量传感器的发展趋势n 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、双、三轴组合IMU（惯性测量单元），（惯性测量单元），AHRS（包括磁传感器的姿态参考（包括磁传感器的姿态参考系统）。系统）。

5、n 低精度惯性传感器作为消费电子类产品主要用在手机、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、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挖掘的消费电子应用会不断出现 。n 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（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

6、或或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、工程机械等化、大型医疗设备、机器人、仪器仪表、工程机械等 。n 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、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。导弹飞行控制、姿态控制等控制应用、以及

7、中程导弹制导等。Page 62.1 陀螺仪陀螺仪n 2.1 陀螺仪陀螺仪n 惯性传感器包含加速度计和陀螺仪。传统意义上的陀螺仪是安装在框架中绕惯性传感器包含加速度计和陀螺仪。传统意义上的陀螺仪是安装在框架中绕回转体的对称轴高速旋转的物体。陀螺仪具有稳定性和进动性，利用这些特回转体的对称轴高速旋转的物体。陀螺仪具有稳定性和进动性，利用这些特性制成了敏感角速度的速率陀螺和敏感角偏差的位置陀螺。由于光学、性制成了敏感角速度的速率陀螺和敏感角偏差的位置陀螺。由于光学、MEMS 等技术被引入于陀螺仪的研制，现在习惯上把能够完成陀螺功能的装等技术被引入于陀螺仪的研制，现在习惯上把能够完成陀螺功能的装置统称

8、为陀螺。置统称为陀螺。n 2.1.1 激光陀螺激光陀螺n 目前世界上研制和生产激光陀螺及其系统的主要国家有美、英、德、法、日目前世界上研制和生产激光陀螺及其系统的主要国家有美、英、德、法、日本、俄罗斯和中国，其中美国和法国研制的水平最高，激光陀螺技术发展很本、俄罗斯和中国，其中美国和法国研制的水平最高，激光陀螺技术发展很成熟，并形成了二频机抖、四频差动、空间三轴、塞曼陀螺等不同类型的系成熟，并形成了二频机抖、四频差动、空间三轴、塞曼陀螺等不同类型的系列产品。总的来说激光陀螺将向高精度高可靠和小型化、低成本两大方向发列产品。总的来说激光陀螺将向高精度高可靠和小型化、低成本两大方向发展。仅以最具代

9、表性的环形激光陀螺（展。仅以最具代表性的环形激光陀螺（RLG）来说明激光陀螺的发展。）来说明激光陀螺的发展。Page 72.1 陀螺仪陀螺仪n 环形激光陀螺（环形激光陀螺（RLG）利用光程差的原理来测量角速度。两束光波沿着同一）利用光程差的原理来测量角速度。两束光波沿着同一个圆周路径反向而行，当光源与圆周均发生旋转时，两束光的行进路程不同个圆周路径反向而行，当光源与圆周均发生旋转时，两束光的行进路程不同，产生了相位差，通过测量该相位差可以测出激光陀螺的角速度。，产生了相位差，通过测量该相位差可以测出激光陀螺的角速度。n 低成本、小体积的激光陀螺以低成本、小体积的激光陀螺以honeywell的的

10、GG1308为代表，通过镜片、电为代表，通过镜片、电极整体烧结工艺一次成形，总体积小于极整体烧结工艺一次成形，总体积小于2立方英寸，其精度可达立方英寸，其精度可达1/h，重量为，重量为60克，能承受克，能承受20g的振动，每个仅为的振动，每个仅为1000美元。由于这种激光陀螺体积小，美元。由于这种激光陀螺体积小，重量轻，成本低，所以在武器装备上得到广泛应用。重量轻，成本低，所以在武器装备上得到广泛应用。 honeywell的另一种低的另一种低成本陀螺为成本陀螺为GG1320，其精度为，其精度为0.1 /h，重量为，重量为100克，输入速率可达克，输入速率可达+800度。度。Page 82.1

11、陀螺仪陀螺仪Page 92.1 陀螺仪陀螺仪n 惯性导航系统的一大缺点是误差随时间累加，采用多传感器信息融合的组合惯性导航系统的一大缺点是误差随时间累加，采用多传感器信息融合的组合导航、零速修正和旋转调制等技术可以从一定程度上克服该问题。采用导航、零速修正和旋转调制等技术可以从一定程度上克服该问题。采用GPS、星敏感器等与惯性系统进行组合，可大大提高激光陀螺导航系统的精度，、星敏感器等与惯性系统进行组合，可大大提高激光陀螺导航系统的精度，减小误差随时间的积累。采用旋转调制技术后，激光陀螺惯性导航系统的精减小误差随时间的积累。采用旋转调制技术后，激光陀螺惯性导航系统的精度能提高度能提高1到到2个

12、数量级，适合于长期导航。个数量级，适合于长期导航。n 激光陀螺以其独特的优点在军事、民用和科研等领域具有广泛的应用。美国激光陀螺以其独特的优点在军事、民用和科研等领域具有广泛的应用。美国honeywell公司仅型号为公司仅型号为GG-1320的激光陀螺即已生产了的激光陀螺即已生产了25万只以上，且目万只以上，且目前仍以前仍以1.7万只每年的产量全速生产。尽管在价格上面临微机电陀螺、光纤陀万只每年的产量全速生产。尽管在价格上面临微机电陀螺、光纤陀螺等陀螺的竞争，但在中高精度应用领域，激光陀螺仍有广阔的市场。螺等陀螺的竞争，但在中高精度应用领域，激光陀螺仍有广阔的市场。Page 102.1 陀螺仪

13、陀螺仪n 2.1.2 光纤陀螺光纤陀螺n 光纤陀螺（光纤陀螺（Fiber Optical Gyro，FOG）使用与环形激光陀螺相同的）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。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、陀螺的主要优点在于高可

14、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。对重力不敏感、大动态范围等。n 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，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

15、如共振问题也是光纤陀螺待解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。决的问题。Page 112.2 加速度计加速度计n 2.2 加速度计加速度计 n 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。地测量、资源勘测、地球物理测量、海洋探测、铁路、隧道等方面。n 加速度计的发展方向之一：微加速度计加速度计的发展方向之一：

16、微加速度计n 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、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、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。，具有广阔的军事和民事应用前景。Page 122.3 MEMS技术在惯性技术领域的应用技术在惯性技术领域的应用n 2.3 MEMS技术在惯性技术领域的应用技术在惯性技术领域的应用n 微电子机械系

17、统（微电子机械系统（micro electro mechanical systems）代表了一）代表了一种未来将改变整个工业和带来下一次技术革命的技术。种未来将改变整个工业和带来下一次技术革命的技术。n MEMS是建立在微米是建立在微米/纳米技术（纳米技术（micro/nanotechnology)基础上的基础上的21世纪前沿技术，使之对微米世纪前沿技术，使之对微米/纳米材料进行设计、加工、制造和控纳米材料进行设计、加工、制造和控制的技术。它可将机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统、数字制的技术。它可将机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统、数字处理系统集成为一个整体单元的微型系统。应用处理

18、系统集成为一个整体单元的微型系统。应用MEMS技术可以把微技术可以把微加速度计和微陀螺仪组合在一起，构成一个惯性测量单元，使其在体加速度计和微陀螺仪组合在一起，构成一个惯性测量单元，使其在体积、重量、成本、功耗、可靠性和寿命等方面都具有很大优势。从而积、重量、成本、功耗、可靠性和寿命等方面都具有很大优势。从而形成了微惯性技术的基础。形成了微惯性技术的基础。n 应用实例：无线微型惯性测量单元（应用实例：无线微型惯性测量单元（A Wireless Micro Inertial Measurement Unit (IMU)）Page 132.3 MEMS技术在惯性技术领域的应用技术在惯性技术领域的应

19、用图图3 Micro-IMU的正面的正面图图4 Micro-IMU的侧面的侧面Micro-IMU结合了结合了IMU应用于嵌入式计算机系统的目标，改善了大小，重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。通过对MEMS传感器使用超大规模集成电路使之成为可能。传感器使用超大规模集成电路使之成为可能。 现代的现代的具有三轴机械具有三轴机械特性的特性的加速度计和陀螺仪和加速度计和陀螺仪和带有带有自动温度补偿自动温度补偿的的集成模数转换集成模数转换都集成在一都集成在一个芯片上。这种设计

20、虽然去除了个芯片上。这种设计虽然去除了模拟转换器，高精密电压参考模拟转换器，高精密电压参考等一些内容，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。板上。Page 142.3 MEMS技术在惯性技术领域的应用技术在惯性技术领域的应用 图图5 Micro-IMU的结构图的结构图Page 152.3 MEMS技术在惯性技术领域的应用技术在惯性技术领域的应用n 对比：对比：Honeywell公司生产的公司生产的HG1930 IMU图图6 HG1930 IMUHoneywell公司生产的采用公司生产的采用MEMS技术的技术的IM

21、U，广泛应用于美国军方无人，广泛应用于美国军方无人机和潜艇的导航，具有极强的环境适应能力和抗干扰能力，它采用了内机和潜艇的导航，具有极强的环境适应能力和抗干扰能力，它采用了内部环境隔离系统，能有效地过滤掉来自实际应用中不需要的传感器输入。部环境隔离系统，能有效地过滤掉来自实际应用中不需要的传感器输入。Page 162.3 MEMS技术在惯性技术领域的应用技术在惯性技术领域的应用n 惯性测量传感器未来发展的主要目标是降低器件的成本、体积惯性测量传感器未来发展的主要目标是降低器件的成本、体积/重量重量和功耗等，具体包括以下几个方面：和功耗等，具体包括以下几个方面：n 材料和工艺：生产厂商采用低劳动

22、密集型生产模式和批量处理技材料和工艺：生产厂商采用低劳动密集型生产模式和批量处理技术，选用硅片、石英、或结合光电材料（如铌酸锂）等新型材料，制术，选用硅片、石英、或结合光电材料（如铌酸锂）等新型材料，制造惯性传感器。造惯性传感器。n 成本：包括产品自身成本和操作维护费用。由于大规模的批量生成本：包括产品自身成本和操作维护费用。由于大规模的批量生产，惯性传感器成本在大幅下降。产，惯性传感器成本在大幅下降。n 体积：惯性测量传感器在不断向轻量化、小型化、微型化方向发体积：惯性测量传感器在不断向轻量化、小型化、微型化方向发展；未来一些新型的惯性传感器将无法用肉眼识别，如：展；未来一些新型的惯性传感器

23、将无法用肉眼识别，如：MEMS。n 研究热点：一方面集中在小型化研究热点：一方面集中在小型化MEMS惯性器件的性能提高和有惯性器件的性能提高和有效封装上，另一方面集中在光学传感器上，尤其是对采用集成光学的效封装上，另一方面集中在光学传感器上，尤其是对采用集成光学的FOG的研究。的研究。Page 173 惯性导航系统的发展趋势惯性导航系统的发展趋势n 3 惯性导航系统的发展趋势惯性导航系统的发展趋势n INS（nertial Navigation System 惯性导航系统）是一种自主的、不惯性导航系统）是一种自主的、不对外辐射信号、不受外界干扰的导航系统，根据陀螺的输出建立导航对外辐射信号、不

24、受外界干扰的导航系统，根据陀螺的输出建立导航坐标系，根据加速度计输出解算出运载体在导航坐标系中的速度和位坐标系，根据加速度计输出解算出运载体在导航坐标系中的速度和位置。它以适宜的方式满足用户的导航需求。随着在军用和商业等领域置。它以适宜的方式满足用户的导航需求。随着在军用和商业等领域导航需求的增长，惯性导航技术不断拓展新的应用领域。其范围已由导航需求的增长，惯性导航技术不断拓展新的应用领域。其范围已由原来的舰艇、船舶、航空飞行器、陆地车辆等，扩展到航天飞机、星原来的舰艇、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、海洋探测际探测、制导武器

25、、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，甚至在机器人、摄像机、儿童玩具中也被广泛、铁路、隧道等方面，甚至在机器人、摄像机、儿童玩具中也被广泛应用。应用。Page 18n 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，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：惯性导航系统的设计和发展须要考虑权衡的主要因素有： 必须针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

26、和使用寿要的两个特性指标。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。性是指系统易于使用和维护、系统的自主性等。 实际的应用环境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。航系统能否在具体的应用

27、环境中被采用。 提高惯性导航系统的通提高惯性导航系统的通用性，拓展应用领域。用性，拓展应用领域。Page 193 惯性导航系统的发展趋势惯性导航系统的发展趋势n 惯性导航系统发展和技术进步呈现以下特点：惯性导航系统发展和技术进步呈现以下特点：n (1) GNSS技术的快速发展和进步，将取代部分传统的技术的快速发展和进步，将取代部分传统的INS应用领域。应用领域。n (2) INS与其他多种导航手段组合，尤其是与其他多种导航手段组合，尤其是GNSS/INS组合导航系统，组合导航系统，受到普遍关注。以受到普遍关注。以INS为基础导航源、为基础导航源、GNSs为主导航源的导航新模为主导航源的导航新模

28、式将成为未来一段时间的民航主要导航系统，但备份系统仍会在一段式将成为未来一段时间的民航主要导航系统，但备份系统仍会在一段时间内采用陆基导航设施。时间内采用陆基导航设施。n (3) 地面车辆导航等民用市场发展迅速，价格低廉的一体化、小型化地面车辆导航等民用市场发展迅速，价格低廉的一体化、小型化、多模式组合导航设备成为市场发展的三个重要方向，这既是惯性导、多模式组合导航设备成为市场发展的三个重要方向，这既是惯性导航系统发展的机遇，也是挑战。航系统发展的机遇，也是挑战。Page 204 惯性技术在生活中的应用惯性技术在生活中的应用 n 4 惯性技术在生活中的应用惯性技术在生活中的应用 n 惯性技术应

29、用实例惯性技术应用实例1：体感游戏及手机：体感游戏及手机n Wii主机是任天堂公司于主机是任天堂公司于2006年发行的主机，从此年发行的主机，从此“体感体感”成为了家成为了家用机发展的趋势，微软，用机发展的趋势，微软，SNOY也先后推出了自己的体感主机和周边也先后推出了自己的体感主机和周边。n wii手柄里面采用了一个三轴加速度传感器，当我们挥动手柄时，加手柄里面采用了一个三轴加速度传感器，当我们挥动手柄时，加速度传感器通过感应玩家施加在手柄上面的力和地球引力等多方面因速度传感器通过感应玩家施加在手柄上面的力和地球引力等多方面因素，来计算出手柄的运动轨迹，素，来计算出手柄的运动轨迹， 再将这些

30、数据通过蓝牙传送到主机再将这些数据通过蓝牙传送到主机上上 由主机在相应的游戏画面中表现出手柄的移动轨迹和移动速度，由主机在相应的游戏画面中表现出手柄的移动轨迹和移动速度，这就形成了电视机里面的人会做和电视机外面的人一样的动作的效果这就形成了电视机里面的人会做和电视机外面的人一样的动作的效果，就是所谓的，就是所谓的“体感体感”。 Page 214 惯性技术在生活中的应用惯性技术在生活中的应用 图图7 Wii-Remote图图8 Wii Motion Plus图图9 Wii Motion Plus内部结构内部结构Page 224 惯性技术在生活中的应用惯性技术在生活中的应用 n 惯性技术应用实例惯

31、性技术应用实例2：提高：提高Wi-Fi定位精度定位精度n 在建筑物内的个人定位和导航已经成为近些年重要的研究课题，通过在建筑物内的个人定位和导航已经成为近些年重要的研究课题，通过移动装置确定当前位置的方法是将移动装置确定当前位置的方法是将Wi-Fi接入点和数据库内的接入点接入点和数据库内的接入点进行比较。基于最近科技的发展和微传感器价格的下降有望解决这个进行比较。基于最近科技的发展和微传感器价格的下降有望解决这个问题。传统的传感器存在一定漂移，对于在室内这样需要极精确的定问题。传统的传感器存在一定漂移，对于在室内这样需要极精确的定位环境下工作存在一定问题，而随着传感器精度的不断增强，价格的位环境下工作存在一定问题，而随着传感器精度的不断增强，价格的不断下降，通过将传感器数据与