2慣性技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)及應(yīng)用前景

北京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院劉嘉2120120995 概述1 慣性測(cè)量傳感器的發(fā)展趨勢(shì)2 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)3 慣性技術(shù)在生活中的應(yīng)用4071概述1概述2慣性測(cè)量傳感器的發(fā)展趨勢(shì)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、雙、三軸組合IMU（慣性測(cè)量單元），AHRS（包括磁傳感器的姿態(tài)參考系統(tǒng)）。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)、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)有待挖掘的消費(fèi)電子應(yīng)用會(huì)不斷出現(xiàn)。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)化、大型醫(yī)療設(shè)備、機(jī)器人、儀器儀表、工程機(jī)械等。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。2.1陀螺儀2.1陀螺儀2.1陀螺儀2.1.2光纖陀螺光纖陀螺（FiberOpticalGyro，F(xiàn)OG）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。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)、對(duì)重力不敏感、大動(dòng)態(tài)范圍等。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。2.2加速度計(jì)2.2加速度計(jì)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。加速度計(jì)的發(fā)展方向之一：微加速度計(jì)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)、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。圖3Micro-IMU的正面圖4Micro-IMU的側(cè)面Micro-IMU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)MEMS傳感器使用超大規(guī)模集成電路使之成為可能?，F(xiàn)代的具有三軸機(jī)械特性的加速度計(jì)和陀螺儀和帶有自動(dòng)溫度補(bǔ)償?shù)募赡?shù)轉(zhuǎn)換都集成在一個(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PCB板上。圖5Micro-IMU的結(jié)構(gòu)圖對(duì)比：Honeywell公司生產(chǎn)的HG1930IMU圖6HG1930IMU3慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)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：①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。②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)航系統(tǒng)能否在具體的應(yīng)用環(huán)境中被采用。③提高慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的通用性，拓