2慣性技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)及應(yīng)用前景

1、北京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院北京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院慣性技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)及應(yīng)用前景慣性技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)及應(yīng)用前景 劉劉 嘉嘉2120120995Page 2慣性技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)及應(yīng)用前景慣性技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)及應(yīng)用前景 概述概述慣性測(cè)量傳感器的發(fā)展趨勢(shì)慣性測(cè)量傳感器的發(fā)展趨勢(shì)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)慣性技術(shù)在生活中的應(yīng)用慣性技術(shù)在生活中的應(yīng)用Page 31 概述概述n 慣性技術(shù)是利用牛頓經(jīng)典力學(xué)和近代物理學(xué)原理進(jìn)行運(yùn)動(dòng)物體姿態(tài)軌跡測(cè)慣性技術(shù)是利用牛頓經(jīng)典力學(xué)和近代物理學(xué)原理進(jìn)行運(yùn)動(dòng)物體姿態(tài)軌跡測(cè)量與控制的應(yīng)用技術(shù)，涉及數(shù)學(xué)、力學(xué)、精密機(jī)械、自動(dòng)控制、電子學(xué)、計(jì)量與控制的應(yīng)用技術(shù)，涉及數(shù)學(xué)、力學(xué)、精密

2、機(jī)械、自動(dòng)控制、電子學(xué)、計(jì)算機(jī)、光學(xué)、精密加工工藝、材料等學(xué)科，主要研究?jī)?nèi)容包括慣性?xún)x表、慣算機(jī)、光學(xué)、精密加工工藝、材料等學(xué)科，主要研究?jī)?nèi)容包括慣性?xún)x表、慣性系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航、慣性制導(dǎo)、慣性測(cè)量等。性系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航、慣性制導(dǎo)、慣性測(cè)量等。n 當(dāng)前，慣性技術(shù)正處于蓬勃發(fā)展階段，其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)高精度、高可靠性、低當(dāng)前，慣性技術(shù)正處于蓬勃發(fā)展階段，其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)高精度、高可靠性、低成本、小型化、數(shù)字化、應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛的導(dǎo)航系統(tǒng)。一方面，陀螺的精成本、小型化、數(shù)字化、應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛的導(dǎo)航系統(tǒng)。一方面，陀螺的精度不斷提高，漂移量可達(dá)度不斷提高，漂移量可達(dá)10-6 /h；另一方面，隨著；另一方面，隨著RL

3、G、FOG、MEMS等等新型固態(tài)陀螺儀的逐漸成熟，以及高速大容量的數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，新型固態(tài)陀螺儀的逐漸成熟，以及高速大容量的數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，SINS在低成本、短期中精度慣性導(dǎo)航中呈現(xiàn)出取代平臺(tái)式系統(tǒng)的趨勢(shì)。在慣在低成本、短期中精度慣性導(dǎo)航中呈現(xiàn)出取代平臺(tái)式系統(tǒng)的趨勢(shì)。在慣性技術(shù)發(fā)展的歷史過(guò)程中，性技術(shù)發(fā)展的歷史過(guò)程中，Draper實(shí)驗(yàn)室、實(shí)驗(yàn)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機(jī)構(gòu)，對(duì)慣性技術(shù)的成熟和廣泛應(yīng)用做出了卓越貢獻(xiàn)。公司和研究機(jī)構(gòu)

4、，對(duì)慣性技術(shù)的成熟和廣泛應(yīng)用做出了卓越貢獻(xiàn)。Page 41 概述概述 圖圖1： 制約慣性技術(shù)發(fā)展的因素制約慣性技術(shù)發(fā)展的因素Page 52 慣性測(cè)量傳感器的發(fā)展趨勢(shì)慣性測(cè)量傳感器的發(fā)展趨勢(shì)n 慣性傳感器是檢測(cè)和測(cè)量加速度、傾斜、沖擊、振動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和多自由度運(yùn)動(dòng)慣性傳感器是檢測(cè)和測(cè)量加速度、傾斜、沖擊、振動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和多自由度運(yùn)動(dòng)的傳感器。慣性傳感器包括加速度計(jì)和角速度傳感器（陀螺）以及它們的單的傳感器。慣性傳感器包括加速度計(jì)和角速度傳感器（陀螺）以及它們的單、雙、三軸組合、雙、三軸組合IMU（慣性測(cè)量單元），（慣性測(cè)量單元），AHRS（包括磁傳感器的姿態(tài)參考（包括磁傳感器的姿態(tài)參考系統(tǒng)）。系統(tǒng)）。

5、n 低精度慣性傳感器作為消費(fèi)電子類(lèi)產(chǎn)品主要用在手機(jī)、低精度慣性傳感器作為消費(fèi)電子類(lèi)產(chǎn)品主要用在手機(jī)、GPS導(dǎo)航、游戲機(jī)、導(dǎo)航、游戲機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、音樂(lè)播放器、無(wú)線鼠標(biāo)、智能玩具、計(jì)步器、防盜系統(tǒng)。其具有數(shù)碼相機(jī)、音樂(lè)播放器、無(wú)線鼠標(biāo)、智能玩具、計(jì)步器、防盜系統(tǒng)。其具有加速度測(cè)量、傾斜測(cè)量、振動(dòng)測(cè)量甚至轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)量等基本測(cè)量功能，未來(lái)有待加速度測(cè)量、傾斜測(cè)量、振動(dòng)測(cè)量甚至轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)量等基本測(cè)量功能，未來(lái)有待挖掘的消費(fèi)電子應(yīng)用會(huì)不斷出現(xiàn)挖掘的消費(fèi)電子應(yīng)用會(huì)不斷出現(xiàn) 。n 中級(jí)慣性傳感器作為工業(yè)級(jí)及汽車(chē)級(jí)產(chǎn)品，則主要用于汽車(chē)電子穩(wěn)定系統(tǒng)（中級(jí)慣性傳感器作為工業(yè)級(jí)及汽車(chē)級(jí)產(chǎn)品，則主要用于汽車(chē)電子穩(wěn)定系統(tǒng)（ESP

6、或或ESC）GPS輔助導(dǎo)航系統(tǒng)，汽車(chē)安全氣囊、車(chē)輛姿態(tài)測(cè)量、工業(yè)自動(dòng)輔助導(dǎo)航系統(tǒng)，汽車(chē)安全氣囊、車(chē)輛姿態(tài)測(cè)量、工業(yè)自動(dòng)化、大型醫(yī)療設(shè)備、機(jī)器人、儀器儀表、工程機(jī)械等化、大型醫(yī)療設(shè)備、機(jī)器人、儀器儀表、工程機(jī)械等 。n 高精度的慣性傳感器作為軍用級(jí)和宇航級(jí)產(chǎn)品，主要要求高精度、全溫區(qū)、高精度的慣性傳感器作為軍用級(jí)和宇航級(jí)產(chǎn)品，主要要求高精度、全溫區(qū)、抗沖擊等指數(shù)。主要用于通訊衛(wèi)星無(wú)線、導(dǎo)彈導(dǎo)引頭、光學(xué)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)等穩(wěn)定抗沖擊等指數(shù)。主要用于通訊衛(wèi)星無(wú)線、導(dǎo)彈導(dǎo)引頭、光學(xué)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)等穩(wěn)定性應(yīng)用；飛機(jī)性應(yīng)用；飛機(jī)/導(dǎo)彈飛行控制、姿態(tài)控制等控制應(yīng)用、以及中程導(dǎo)彈制導(dǎo)等。導(dǎo)彈飛行控制、姿態(tài)控制等控制應(yīng)用、以及

7、中程導(dǎo)彈制導(dǎo)等。Page 62.1 陀螺儀陀螺儀n 2.1 陀螺儀陀螺儀n 慣性傳感器包含加速度計(jì)和陀螺儀。傳統(tǒng)意義上的陀螺儀是安裝在框架中繞慣性傳感器包含加速度計(jì)和陀螺儀。傳統(tǒng)意義上的陀螺儀是安裝在框架中繞回轉(zhuǎn)體的對(duì)稱(chēng)軸高速旋轉(zhuǎn)的物體。陀螺儀具有穩(wěn)定性和進(jìn)動(dòng)性，利用這些特回轉(zhuǎn)體的對(duì)稱(chēng)軸高速旋轉(zhuǎn)的物體。陀螺儀具有穩(wěn)定性和進(jìn)動(dòng)性，利用這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。由于光學(xué)、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。由于光學(xué)、MEMS 等技術(shù)被引入于陀螺儀的研制，現(xiàn)在習(xí)慣上把能夠完成陀螺功能的裝等技術(shù)被引入于陀螺儀的研制，現(xiàn)在習(xí)慣上把能夠完成陀螺功能的裝置統(tǒng)稱(chēng)

8、為陀螺。置統(tǒng)稱(chēng)為陀螺。n 2.1.1 激光陀螺激光陀螺n 目前世界上研制和生產(chǎn)激光陀螺及其系統(tǒng)的主要國(guó)家有美、英、德、法、日目前世界上研制和生產(chǎn)激光陀螺及其系統(tǒng)的主要國(guó)家有美、英、德、法、日本、俄羅斯和中國(guó)，其中美國(guó)和法國(guó)研制的水平最高，激光陀螺技術(shù)發(fā)展很本、俄羅斯和中國(guó)，其中美國(guó)和法國(guó)研制的水平最高，激光陀螺技術(shù)發(fā)展很成熟，并形成了二頻機(jī)抖、四頻差動(dòng)、空間三軸、塞曼陀螺等不同類(lèi)型的系成熟，并形成了二頻機(jī)抖、四頻差動(dòng)、空間三軸、塞曼陀螺等不同類(lèi)型的系列產(chǎn)品?？偟膩?lái)說(shuō)激光陀螺將向高精度高可靠和小型化、低成本兩大方向發(fā)列產(chǎn)品?？偟膩?lái)說(shuō)激光陀螺將向高精度高可靠和小型化、低成本兩大方向發(fā)展。僅以最具代

9、表性的環(huán)形激光陀螺（展。僅以最具代表性的環(huán)形激光陀螺（RLG）來(lái)說(shuō)明激光陀螺的發(fā)展。）來(lái)說(shuō)明激光陀螺的發(fā)展。Page 72.1 陀螺儀陀螺儀n 環(huán)形激光陀螺（環(huán)形激光陀螺（RLG）利用光程差的原理來(lái)測(cè)量角速度。兩束光波沿著同一）利用光程差的原理來(lái)測(cè)量角速度。兩束光波沿著同一個(gè)圓周路徑反向而行，當(dāng)光源與圓周均發(fā)生旋轉(zhuǎn)時(shí)，兩束光的行進(jìn)路程不同個(gè)圓周路徑反向而行，當(dāng)光源與圓周均發(fā)生旋轉(zhuǎn)時(shí)，兩束光的行進(jìn)路程不同，產(chǎn)生了相位差，通過(guò)測(cè)量該相位差可以測(cè)出激光陀螺的角速度。，產(chǎn)生了相位差，通過(guò)測(cè)量該相位差可以測(cè)出激光陀螺的角速度。n 低成本、小體積的激光陀螺以低成本、小體積的激光陀螺以honeywell的的

10、GG1308為代表，通過(guò)鏡片、電為代表，通過(guò)鏡片、電極整體燒結(jié)工藝一次成形，總體積小于極整體燒結(jié)工藝一次成形，總體積小于2立方英寸，其精度可達(dá)立方英寸，其精度可達(dá)1/h，重量為，重量為60克，能承受克，能承受20g的振動(dòng)，每個(gè)僅為的振動(dòng)，每個(gè)僅為1000美元。由于這種激光陀螺體積小，美元。由于這種激光陀螺體積小，重量輕，成本低，所以在武器裝備上得到廣泛應(yīng)用。重量輕，成本低，所以在武器裝備上得到廣泛應(yīng)用。 honeywell的另一種低的另一種低成本陀螺為成本陀螺為GG1320，其精度為，其精度為0.1 /h，重量為，重量為100克，輸入速率可達(dá)克，輸入速率可達(dá)+800度。度。Page 82.1

11、陀螺儀陀螺儀Page 92.1 陀螺儀陀螺儀n 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的一大缺點(diǎn)是誤差隨時(shí)間累加，采用多傳感器信息融合的組合慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的一大缺點(diǎn)是誤差隨時(shí)間累加，采用多傳感器信息融合的組合導(dǎo)航、零速修正和旋轉(zhuǎn)調(diào)制等技術(shù)可以從一定程度上克服該問(wèn)題。采用導(dǎo)航、零速修正和旋轉(zhuǎn)調(diào)制等技術(shù)可以從一定程度上克服該問(wèn)題。采用GPS、星敏感器等與慣性系統(tǒng)進(jìn)行組合，可大大提高激光陀螺導(dǎo)航系統(tǒng)的精度，、星敏感器等與慣性系統(tǒng)進(jìn)行組合，可大大提高激光陀螺導(dǎo)航系統(tǒng)的精度，減小誤差隨時(shí)間的積累。采用旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)后，激光陀螺慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的精減小誤差隨時(shí)間的積累。采用旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)后，激光陀螺慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的精度能提高度能提高1到到2個(gè)

12、數(shù)量級(jí)，適合于長(zhǎng)期導(dǎo)航。個(gè)數(shù)量級(jí)，適合于長(zhǎng)期導(dǎo)航。n 激光陀螺以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)在軍事、民用和科研等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。美國(guó)激光陀螺以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)在軍事、民用和科研等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。美國(guó)honeywell公司僅型號(hào)為公司僅型號(hào)為GG-1320的激光陀螺即已生產(chǎn)了的激光陀螺即已生產(chǎn)了25萬(wàn)只以上，且目萬(wàn)只以上，且目前仍以前仍以1.7萬(wàn)只每年的產(chǎn)量全速生產(chǎn)。盡管在價(jià)格上面臨微機(jī)電陀螺、光纖陀萬(wàn)只每年的產(chǎn)量全速生產(chǎn)。盡管在價(jià)格上面臨微機(jī)電陀螺、光纖陀螺等陀螺的競(jìng)爭(zhēng)，但在中高精度應(yīng)用領(lǐng)域，激光陀螺仍有廣闊的市場(chǎng)。螺等陀螺的競(jìng)爭(zhēng)，但在中高精度應(yīng)用領(lǐng)域，激光陀螺仍有廣闊的市場(chǎng)。Page 102.1 陀螺儀

13、陀螺儀n 2.1.2 光纖陀螺光纖陀螺n 光纖陀螺（光纖陀螺（Fiber Optical Gyro，F(xiàn)OG）使用與環(huán)形激光陀螺相同的）使用與環(huán)形激光陀螺相同的基本原理，但其使用光纖作為激光回路，可看作是第二代激光陀螺?；驹?，但其使用光纖作為激光回路，可看作是第二代激光陀螺。由于光纖可以進(jìn)行繞制，因此光纖陀螺中激光回路的長(zhǎng)度比環(huán)形激光由于光纖可以進(jìn)行繞制，因此光纖陀螺中激光回路的長(zhǎng)度比環(huán)形激光陀螺大大增加，使得檢測(cè)靈敏度和分辨率也提高了幾個(gè)數(shù)量級(jí)。光纖陀螺大大增加，使得檢測(cè)靈敏度和分辨率也提高了幾個(gè)數(shù)量級(jí)。光纖陀螺的主要優(yōu)點(diǎn)在于高可靠性、長(zhǎng)壽命、快速啟動(dòng)、耐沖擊和振動(dòng)、陀螺的主要優(yōu)點(diǎn)在于高可

14、靠性、長(zhǎng)壽命、快速啟動(dòng)、耐沖擊和振動(dòng)、對(duì)重力不敏感、大動(dòng)態(tài)范圍等。對(duì)重力不敏感、大動(dòng)態(tài)范圍等。n 但是，構(gòu)成光纖陀螺儀的核心部件對(duì)溫度敏感溫度的變化會(huì)引起材但是，構(gòu)成光纖陀螺儀的核心部件對(duì)溫度敏感溫度的變化會(huì)引起材料物理參數(shù)、工作狀態(tài)的變化以及結(jié)構(gòu)零件的形變，這些變化會(huì)造成料物理參數(shù)、工作狀態(tài)的變化以及結(jié)構(gòu)零件的形變，這些變化會(huì)造成光路的變化與激光能量的非均勻損耗使光纖陀螺產(chǎn)生非互易性效應(yīng)光路的變化與激光能量的非均勻損耗使光纖陀螺產(chǎn)生非互易性效應(yīng)，降低光纖陀螺的輸出精度因此溫度成為了高精度光纖陀螺儀工程，降低光纖陀螺的輸出精度因此溫度成為了高精度光纖陀螺儀工程化過(guò)程中所面臨的主要問(wèn)題之一。其余

15、如共振問(wèn)題也是光纖陀螺待解化過(guò)程中所面臨的主要問(wèn)題之一。其余如共振問(wèn)題也是光纖陀螺待解決的問(wèn)題。決的問(wèn)題。Page 112.2 加速度計(jì)加速度計(jì)n 2.2 加速度計(jì)加速度計(jì) n 加速度計(jì)是測(cè)量運(yùn)載體線加速度的儀表，廣泛應(yīng)用于艦艇、船舶、航加速度計(jì)是測(cè)量運(yùn)載體線加速度的儀表，廣泛應(yīng)用于艦艇、船舶、航空飛行器、陸地車(chē)輛等，擴(kuò)展到航天飛機(jī)、星際探測(cè)、制導(dǎo)武器、大空飛行器、陸地車(chē)輛等，擴(kuò)展到航天飛機(jī)、星際探測(cè)、制導(dǎo)武器、大地測(cè)量、資源勘測(cè)、地球物理測(cè)量、海洋探測(cè)、鐵路、隧道等方面。地測(cè)量、資源勘測(cè)、地球物理測(cè)量、海洋探測(cè)、鐵路、隧道等方面。n 加速度計(jì)的發(fā)展方向之一：微加速度計(jì)加速度計(jì)的發(fā)展方向之一：

16、微加速度計(jì)n 與通常的加速度計(jì)相比，微加速度計(jì)具有體積小、重量輕、成本低、與通常的加速度計(jì)相比，微加速度計(jì)具有體積小、重量輕、成本低、功耗低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，因此可被廣泛運(yùn)用于航空航天、汽車(chē)工業(yè)功耗低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，因此可被廣泛運(yùn)用于航空航天、汽車(chē)工業(yè)、工業(yè)自動(dòng)化及機(jī)器人等領(lǐng)域，也是武器裝備所需的關(guān)鍵傳感器之一、工業(yè)自動(dòng)化及機(jī)器人等領(lǐng)域，也是武器裝備所需的關(guān)鍵傳感器之一，具有廣闊的軍事和民事應(yīng)用前景。，具有廣闊的軍事和民事應(yīng)用前景。Page 122.3 MEMS技術(shù)在慣性技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù)在慣性技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用n 2.3 MEMS技術(shù)在慣性技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù)在慣性技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用n 微電子機(jī)械系

17、統(tǒng)（微電子機(jī)械系統(tǒng)（micro electro mechanical systems）代表了一）代表了一種未來(lái)將改變整個(gè)工業(yè)和帶來(lái)下一次技術(shù)革命的技術(shù)。種未來(lái)將改變整個(gè)工業(yè)和帶來(lái)下一次技術(shù)革命的技術(shù)。n MEMS是建立在微米是建立在微米/納米技術(shù)（納米技術(shù)（micro/nanotechnology)基礎(chǔ)上的基礎(chǔ)上的21世紀(jì)前沿技術(shù)，使之對(duì)微米世紀(jì)前沿技術(shù)，使之對(duì)微米/納米材料進(jìn)行設(shè)計(jì)、加工、制造和控納米材料進(jìn)行設(shè)計(jì)、加工、制造和控制的技術(shù)。它可將機(jī)械構(gòu)件、光學(xué)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)部件、電控系統(tǒng)、數(shù)字制的技術(shù)。它可將機(jī)械構(gòu)件、光學(xué)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)部件、電控系統(tǒng)、數(shù)字處理系統(tǒng)集成為一個(gè)整體單元的微型系統(tǒng)。應(yīng)用處理

18、系統(tǒng)集成為一個(gè)整體單元的微型系統(tǒng)。應(yīng)用MEMS技術(shù)可以把微技術(shù)可以把微加速度計(jì)和微陀螺儀組合在一起，構(gòu)成一個(gè)慣性測(cè)量單元，使其在體加速度計(jì)和微陀螺儀組合在一起，構(gòu)成一個(gè)慣性測(cè)量單元，使其在體積、重量、成本、功耗、可靠性和壽命等方面都具有很大優(yōu)勢(shì)。從而積、重量、成本、功耗、可靠性和壽命等方面都具有很大優(yōu)勢(shì)。從而形成了微慣性技術(shù)的基礎(chǔ)。形成了微慣性技術(shù)的基礎(chǔ)。n 應(yīng)用實(shí)例：無(wú)線微型慣性測(cè)量單元（應(yīng)用實(shí)例：無(wú)線微型慣性測(cè)量單元（A Wireless Micro Inertial Measurement Unit (IMU)）Page 132.3 MEMS技術(shù)在慣性技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù)在慣性技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)

19、用圖圖3 Micro-IMU的正面的正面圖圖4 Micro-IMU的側(cè)面的側(cè)面Micro-IMU結(jié)合了結(jié)合了IMU應(yīng)用于嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的目標(biāo)，改善了大小，重應(yīng)用于嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的目標(biāo)，改善了大小，重量和功率消耗的指標(biāo)，而性能仍然是比較先進(jìn)的可商用化的量和功率消耗的指標(biāo)，而性能仍然是比較先進(jìn)的可商用化的IMU。通過(guò)對(duì)。通過(guò)對(duì)MEMS傳感器使用超大規(guī)模集成電路使之成為可能。傳感器使用超大規(guī)模集成電路使之成為可能。 現(xiàn)代的現(xiàn)代的具有三軸機(jī)械具有三軸機(jī)械特性的特性的加速度計(jì)和陀螺儀和加速度計(jì)和陀螺儀和帶有帶有自動(dòng)溫度補(bǔ)償自動(dòng)溫度補(bǔ)償?shù)牡募赡?shù)轉(zhuǎn)換集成模數(shù)轉(zhuǎn)換都集成在一都集成在一個(gè)芯片上。這種設(shè)計(jì)

20、雖然去除了個(gè)芯片上。這種設(shè)計(jì)雖然去除了模擬轉(zhuǎn)換器，高精密電壓參考模擬轉(zhuǎn)換器，高精密電壓參考等一些內(nèi)容，等一些內(nèi)容，但成功的將所有的傳感器和微控制器繼承在一個(gè)四層的但成功的將所有的傳感器和微控制器繼承在一個(gè)四層的PCB板上。板上。Page 142.3 MEMS技術(shù)在慣性技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù)在慣性技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用 圖圖5 Micro-IMU的結(jié)構(gòu)圖的結(jié)構(gòu)圖Page 152.3 MEMS技術(shù)在慣性技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù)在慣性技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用n 對(duì)比：對(duì)比：Honeywell公司生產(chǎn)的公司生產(chǎn)的HG1930 IMU圖圖6 HG1930 IMUHoneywell公司生產(chǎn)的采用公司生產(chǎn)的采用MEMS技術(shù)的技術(shù)的IM

21、U，廣泛應(yīng)用于美國(guó)軍方無(wú)人，廣泛應(yīng)用于美國(guó)軍方無(wú)人機(jī)和潛艇的導(dǎo)航，具有極強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力和抗干擾能力，它采用了內(nèi)機(jī)和潛艇的導(dǎo)航，具有極強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力和抗干擾能力，它采用了內(nèi)部環(huán)境隔離系統(tǒng)，能有效地過(guò)濾掉來(lái)自實(shí)際應(yīng)用中不需要的傳感器輸入。部環(huán)境隔離系統(tǒng)，能有效地過(guò)濾掉來(lái)自實(shí)際應(yīng)用中不需要的傳感器輸入。Page 162.3 MEMS技術(shù)在慣性技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù)在慣性技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用n 慣性測(cè)量傳感器未來(lái)發(fā)展的主要目標(biāo)是降低器件的成本、體積慣性測(cè)量傳感器未來(lái)發(fā)展的主要目標(biāo)是降低器件的成本、體積/重量重量和功耗等，具體包括以下幾個(gè)方面：和功耗等，具體包括以下幾個(gè)方面：n 材料和工藝：生產(chǎn)廠商采用低勞動(dòng)

22、密集型生產(chǎn)模式和批量處理技材料和工藝：生產(chǎn)廠商采用低勞動(dòng)密集型生產(chǎn)模式和批量處理技術(shù)，選用硅片、石英、或結(jié)合光電材料（如鈮酸鋰）等新型材料，制術(shù)，選用硅片、石英、或結(jié)合光電材料（如鈮酸鋰）等新型材料，制造慣性傳感器。造慣性傳感器。n 成本：包括產(chǎn)品自身成本和操作維護(hù)費(fèi)用。由于大規(guī)模的批量生成本：包括產(chǎn)品自身成本和操作維護(hù)費(fèi)用。由于大規(guī)模的批量生產(chǎn)，慣性傳感器成本在大幅下降。產(chǎn)，慣性傳感器成本在大幅下降。n 體積：慣性測(cè)量傳感器在不斷向輕量化、小型化、微型化方向發(fā)體積：慣性測(cè)量傳感器在不斷向輕量化、小型化、微型化方向發(fā)展；未來(lái)一些新型的慣性傳感器將無(wú)法用肉眼識(shí)別，如：展；未來(lái)一些新型的慣性傳感器

23、將無(wú)法用肉眼識(shí)別，如：MEMS。n 研究熱點(diǎn)：一方面集中在小型化研究熱點(diǎn)：一方面集中在小型化MEMS慣性器件的性能提高和有慣性器件的性能提高和有效封裝上，另一方面集中在光學(xué)傳感器上，尤其是對(duì)采用集成光學(xué)的效封裝上，另一方面集中在光學(xué)傳感器上，尤其是對(duì)采用集成光學(xué)的FOG的研究。的研究。Page 173 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)n 3 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)n INS（nertial Navigation System 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)）是一種自主的、不慣性導(dǎo)航系統(tǒng)）是一種自主的、不對(duì)外輻射信號(hào)、不受外界干擾的導(dǎo)航系統(tǒng)，根據(jù)陀螺的輸出建立導(dǎo)航對(duì)外輻射信號(hào)、不

24、受外界干擾的導(dǎo)航系統(tǒng)，根據(jù)陀螺的輸出建立導(dǎo)航坐標(biāo)系，根據(jù)加速度計(jì)輸出解算出運(yùn)載體在導(dǎo)航坐標(biāo)系中的速度和位坐標(biāo)系，根據(jù)加速度計(jì)輸出解算出運(yùn)載體在導(dǎo)航坐標(biāo)系中的速度和位置。它以適宜的方式滿足用戶(hù)的導(dǎo)航需求。隨著在軍用和商業(yè)等領(lǐng)域置。它以適宜的方式滿足用戶(hù)的導(dǎo)航需求。隨著在軍用和商業(yè)等領(lǐng)域?qū)Ш叫枨蟮脑鲩L(zhǎng)，慣性導(dǎo)航技術(shù)不斷拓展新的應(yīng)用領(lǐng)域。其范圍已由導(dǎo)航需求的增長(zhǎng)，慣性導(dǎo)航技術(shù)不斷拓展新的應(yīng)用領(lǐng)域。其范圍已由原來(lái)的艦艇、船舶、航空飛行器、陸地車(chē)輛等，擴(kuò)展到航天飛機(jī)、星原來(lái)的艦艇、船舶、航空飛行器、陸地車(chē)輛等，擴(kuò)展到航天飛機(jī)、星際探測(cè)、制導(dǎo)武器、大地測(cè)量、資源勘測(cè)、地球物理測(cè)量、海洋探測(cè)際探測(cè)、制導(dǎo)武器

25、、大地測(cè)量、資源勘測(cè)、地球物理測(cè)量、海洋探測(cè)、鐵路、隧道等方面，甚至在機(jī)器人、攝像機(jī)、兒童玩具中也被廣泛、鐵路、隧道等方面，甚至在機(jī)器人、攝像機(jī)、兒童玩具中也被廣泛應(yīng)用。應(yīng)用。Page 18n 正如前文所講，慣性傳感器是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展的基礎(chǔ)，與之類(lèi)似，正如前文所講，慣性傳感器是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展的基礎(chǔ)，與之類(lèi)似，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和發(fā)展須要考慮權(quán)衡的主要因素有：慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和發(fā)展須要考慮權(quán)衡的主要因素有： 必須針必須針對(duì)并滿足應(yīng)用的需求，其中導(dǎo)航性能（尤其是精度）和價(jià)格成本是首對(duì)并滿足應(yīng)用的需求，其中導(dǎo)航性能（尤其是精度）和價(jià)格成本是首要的兩個(gè)特性指標(biāo)。價(jià)格成本包含系統(tǒng)自身成本、維護(hù)成本

26、和使用壽要的兩個(gè)特性指標(biāo)。價(jià)格成本包含系統(tǒng)自身成本、維護(hù)成本和使用壽命。因此對(duì)于很多導(dǎo)航應(yīng)用，合理的價(jià)格仍然被置于應(yīng)用要求的最前命。因此對(duì)于很多導(dǎo)航應(yīng)用，合理的價(jià)格仍然被置于應(yīng)用要求的最前面。導(dǎo)航性能包括：導(dǎo)航的精確性、連續(xù)性、完整性、易用性，易用面。導(dǎo)航性能包括：導(dǎo)航的精確性、連續(xù)性、完整性、易用性，易用性是指系統(tǒng)易于使用和維護(hù)、系統(tǒng)的自主性等。性是指系統(tǒng)易于使用和維護(hù)、系統(tǒng)的自主性等。 實(shí)際的應(yīng)用環(huán)境實(shí)際的應(yīng)用環(huán)境是最大的挑戰(zhàn)。系統(tǒng)的體積、功耗、可靠性和可用性會(huì)關(guān)系到慣性導(dǎo)是最大的挑戰(zhàn)。系統(tǒng)的體積、功耗、可靠性和可用性會(huì)關(guān)系到慣性導(dǎo)航系統(tǒng)能否在具體的應(yīng)用環(huán)境中被采用。航系統(tǒng)能否在具體的應(yīng)用

27、環(huán)境中被采用。 提高慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的通提高慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的通用性，拓展應(yīng)用領(lǐng)域。用性，拓展應(yīng)用領(lǐng)域。Page 193 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)n 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：慣性導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：n (1) GNSS技術(shù)的快速發(fā)展和進(jìn)步，將取代部分傳統(tǒng)的技術(shù)的快速發(fā)展和進(jìn)步，將取代部分傳統(tǒng)的INS應(yīng)用領(lǐng)域。應(yīng)用領(lǐng)域。n (2) INS與其他多種導(dǎo)航手段組合，尤其是與其他多種導(dǎo)航手段組合，尤其是GNSS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)，組合導(dǎo)航系統(tǒng)，受到普遍關(guān)注。以受到普遍關(guān)注。以INS為基礎(chǔ)導(dǎo)航源、為基礎(chǔ)導(dǎo)航源、GNSs為主導(dǎo)航源的導(dǎo)航新模為主導(dǎo)航源的導(dǎo)航新模

28、式將成為未來(lái)一段時(shí)間的民航主要導(dǎo)航系統(tǒng)，但備份系統(tǒng)仍會(huì)在一段式將成為未來(lái)一段時(shí)間的民航主要導(dǎo)航系統(tǒng)，但備份系統(tǒng)仍會(huì)在一段時(shí)間內(nèi)采用陸基導(dǎo)航設(shè)施。時(shí)間內(nèi)采用陸基導(dǎo)航設(shè)施。n (3) 地面車(chē)輛導(dǎo)航等民用市場(chǎng)發(fā)展迅速，價(jià)格低廉的一體化、小型化地面車(chē)輛導(dǎo)航等民用市場(chǎng)發(fā)展迅速，價(jià)格低廉的一體化、小型化、多模式組合導(dǎo)航設(shè)備成為市場(chǎng)發(fā)展的三個(gè)重要方向，這既是慣性導(dǎo)、多模式組合導(dǎo)航設(shè)備成為市場(chǎng)發(fā)展的三個(gè)重要方向，這既是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展的機(jī)遇，也是挑戰(zhàn)。航系統(tǒng)發(fā)展的機(jī)遇，也是挑戰(zhàn)。Page 204 慣性技術(shù)在生活中的應(yīng)用慣性技術(shù)在生活中的應(yīng)用 n 4 慣性技術(shù)在生活中的應(yīng)用慣性技術(shù)在生活中的應(yīng)用 n 慣性技術(shù)應(yīng)

29、用實(shí)例慣性技術(shù)應(yīng)用實(shí)例1：體感游戲及手機(jī)：體感游戲及手機(jī)n Wii主機(jī)是任天堂公司于主機(jī)是任天堂公司于2006年發(fā)行的主機(jī)，從此年發(fā)行的主機(jī)，從此“體感體感”成為了家成為了家用機(jī)發(fā)展的趨勢(shì)，微軟，用機(jī)發(fā)展的趨勢(shì)，微軟，SNOY也先后推出了自己的體感主機(jī)和周邊也先后推出了自己的體感主機(jī)和周邊。n wii手柄里面采用了一個(gè)三軸加速度傳感器，當(dāng)我們揮動(dòng)手柄時(shí)，加手柄里面采用了一個(gè)三軸加速度傳感器，當(dāng)我們揮動(dòng)手柄時(shí)，加速度傳感器通過(guò)感應(yīng)玩家施加在手柄上面的力和地球引力等多方面因速度傳感器通過(guò)感應(yīng)玩家施加在手柄上面的力和地球引力等多方面因素，來(lái)計(jì)算出手柄的運(yùn)動(dòng)軌跡，素，來(lái)計(jì)算出手柄的運(yùn)動(dòng)軌跡， 再將這些

30、數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙傳送到主機(jī)再將這些數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙傳送到主機(jī)上上 由主機(jī)在相應(yīng)的游戲畫(huà)面中表現(xiàn)出手柄的移動(dòng)軌跡和移動(dòng)速度，由主機(jī)在相應(yīng)的游戲畫(huà)面中表現(xiàn)出手柄的移動(dòng)軌跡和移動(dòng)速度，這就形成了電視機(jī)里面的人會(huì)做和電視機(jī)外面的人一樣的動(dòng)作的效果這就形成了電視機(jī)里面的人會(huì)做和電視機(jī)外面的人一樣的動(dòng)作的效果，就是所謂的，就是所謂的“體感體感”。 Page 214 慣性技術(shù)在生活中的應(yīng)用慣性技術(shù)在生活中的應(yīng)用 圖圖7 Wii-Remote圖圖8 Wii Motion Plus圖圖9 Wii Motion Plus內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)Page 224 慣性技術(shù)在生活中的應(yīng)用慣性技術(shù)在生活中的應(yīng)用 n 慣性技術(shù)應(yīng)用實(shí)例慣

31、性技術(shù)應(yīng)用實(shí)例2：提高：提高Wi-Fi定位精度定位精度n 在建筑物內(nèi)的個(gè)人定位和導(dǎo)航已經(jīng)成為近些年重要的研究課題，通過(guò)在建筑物內(nèi)的個(gè)人定位和導(dǎo)航已經(jīng)成為近些年重要的研究課題，通過(guò)移動(dòng)裝置確定當(dāng)前位置的方法是將移動(dòng)裝置確定當(dāng)前位置的方法是將Wi-Fi接入點(diǎn)和數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)的接入點(diǎn)接入點(diǎn)和數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)的接入點(diǎn)進(jìn)行比較?；谧罱萍嫉陌l(fā)展和微傳感器價(jià)格的下降有望解決這個(gè)進(jìn)行比較?；谧罱萍嫉陌l(fā)展和微傳感器價(jià)格的下降有望解決這個(gè)問(wèn)題。傳統(tǒng)的傳感器存在一定漂移，對(duì)于在室內(nèi)這樣需要極精確的定問(wèn)題。傳統(tǒng)的傳感器存在一定漂移，對(duì)于在室內(nèi)這樣需要極精確的定位環(huán)境下工作存在一定問(wèn)題，而隨著傳感器精度的不斷增強(qiáng)，價(jià)格的位環(huán)境下工作存在一定問(wèn)題，而隨著傳感器精度的不斷增強(qiáng)，價(jià)格的不斷下降，通過(guò)將傳感器數(shù)據(jù)與