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IMU慣性測量技術(shù)
發(fā)布日期：2021-09-22
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作者：Li
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隨著三維激光掃描技術(shù)越來多地被人們所提及，相關(guān)的技術(shù)也在不斷的發(fā)展，各類高精度定位、傳感等技術(shù)得到了長足的發(fā)展，而其中有一個冉冉升起的新星，那就是IMU技術(shù)。這個技術(shù)的出現(xiàn)彌補了GPS定位的不足，兩者相輔相成，可以讓搬站式三維激光及移動掃描獲得最準確的定位信息。

其實別看IMU這個技術(shù)看上去比較陌生，其實我們每天使用的手機，出行會用到的汽車、飛機，甚至導(dǎo)彈、宇宙飛船都會使用到IMU，區(qū)別在于成本和精度。


IMU技術(shù)


我們駕駛汽車，按著GPS或北斗導(dǎo)航的指示行駛在陌生道路上，當穿越隧道時導(dǎo)航系統(tǒng)依然可以為我們提供方向、速度、里程、時間等行駛數(shù)據(jù)，我們驚嘆于脫離了衛(wèi)星系統(tǒng)的信號接收，導(dǎo)航系統(tǒng)如何運行？這就是慣性測量技術(shù)為我們續(xù)航。

IMU全稱inertial measurement unit，即慣性測量單元，它由三個單軸的加速度計和三個單軸的陀螺儀組成，加速度計檢測物體在載體坐標系統(tǒng)獨立三軸的加速度信號，而陀螺儀檢測載體相對于導(dǎo)航坐標系的角速度信號，對這些信號進行處理之后，便可解算出物體的姿態(tài)。

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值得注意的是，IMU提供的是一個相對的定位信息，它的作用是測量相對于起點物體所運動的路線，所以它并不能提供你所在的具體位置的信息，因此，它常常和GPS一起使用，當在某些GPS信號微弱的地方時，IMU就可以發(fā)揮它的作用，可以讓汽車繼續(xù)獲得絕對位置的信息，不至于“迷路”。


慣性技術(shù)是用來實現(xiàn)運動物體姿態(tài)和運動軌跡控制的一門技術(shù)，它是慣性儀表、慣性穩(wěn)定、慣性系統(tǒng)、慣性制導(dǎo)和慣性測量等相關(guān)技術(shù)的總稱。慣性技術(shù)涉及物理、數(shù)學(xué)、力學(xué)、光學(xué)、材料學(xué)、機密機械學(xué)、電子技術(shù)、計算機技術(shù)、控制技術(shù)、測量技術(shù)、仿真技術(shù)、加工制造及工藝技術(shù)等，是一門多學(xué)科交叉的技術(shù)，主要研究慣性儀表和慣性系統(tǒng)的理論、設(shè)計、制造、試驗、應(yīng)用、維護，廣泛應(yīng)用于航空、航天、陸地導(dǎo)航和大地測量、鉆井開隧道、地質(zhì)勘探、機器人、車輛、醫(yī)療設(shè)備等，以及照相機、手機、玩具等領(lǐng)域，總之，敏感物體的運動姿態(tài)和軌跡、定位和定向都少不了它。


慣性技術(shù)是現(xiàn)代精確導(dǎo)航、 制導(dǎo)與控制系統(tǒng)的核心信息源.。在構(gòu)建陸?？仗祀?nbsp;(磁) 五維一體信息化體系中，在實現(xiàn)軍事裝備機械化與信息化復(fù)合式發(fā)展的進程中, 慣性技術(shù)具有不可替代的關(guān)鍵支撐作用。


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慣性導(dǎo)航技術(shù)的特點 


與其他導(dǎo)航系統(tǒng)相比, 慣導(dǎo)系統(tǒng)同時具有信息全面、 完全自主、 高度隱蔽、 信息實時與連續(xù), 且不受時間、 地域的限制和人為因素干擾等重要特性 (見表 1), 可在空中、 水中、 地下等各種環(huán)境中正常工作。


在導(dǎo)彈、 火箭、 飛機等需要機動、 高速運行的運載體的導(dǎo)航、 制導(dǎo)與控制 (Guidance navigation and control, GNC) 系統(tǒng)中, 慣性系統(tǒng)因其測量頻帶寬且數(shù)據(jù)頻率高 (可達數(shù)百赫茲以上)、 測量延時短 (可小于 1 ms), 易于實現(xiàn)數(shù)字化, 成為 GNC 系統(tǒng)實現(xiàn)快速、精確制導(dǎo)與控制的核心信息源, 其性能對制導(dǎo)精度起著關(guān)鍵作用, 例如, 純慣性制導(dǎo)地地導(dǎo)彈命中精度的 70 % 以上取決于慣性系統(tǒng)的精度。


同時, 慣性技術(shù)還促進了最優(yōu)濾波技術(shù)等先進控制理論在工程中實際應(yīng)用. 作為發(fā)達國家嚴加封鎖的國防關(guān)鍵技術(shù), 慣性技術(shù)是現(xiàn)代各類運載體 GNC 系統(tǒng)功能實現(xiàn)的基礎(chǔ), 是制導(dǎo)武器或武器平臺的支撐性關(guān)鍵技術(shù)。


除軍用以外, 目前慣性技術(shù)在民用領(lǐng)域也有大量應(yīng)用, 如大地測量、 石油鉆井、 隧道工程、 地質(zhì)勘探、 機器人、 智能交通、 醫(yī)療設(shè)備、 照相機、 手機、玩具等。因此凡是需要實時敏感或測量物體運動信息的場合, 慣性技術(shù)均可發(fā)揮重要作用。

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的主要不足是導(dǎo)航誤差會隨時間積累, 且成本相對較高. 隨著其他導(dǎo)航技術(shù)尤其是衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù), 如 GPS 技術(shù)的成熟和廣泛應(yīng)用, 研究人員曾擔(dān)心慣導(dǎo)技術(shù)未來的前景。


但是幾次高技術(shù)局部戰(zhàn)爭中, 電子戰(zhàn)、 導(dǎo)航戰(zhàn)、 體系化作戰(zhàn)模式的出現(xiàn)證明了幾乎僅有慣性導(dǎo)航系統(tǒng)都能在強電磁干擾的極端惡劣環(huán)境下持續(xù)、 穩(wěn)定地工作, 這進一步強化了慣性系統(tǒng)在武器裝備中不可替代的地位。

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慣性導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展前景


1、慣性傳感器的發(fā)展前景


就全球發(fā)展現(xiàn)狀而言，現(xiàn)有的慣性傳感器已經(jīng)可以滿足當前各種不同導(dǎo)航任務(wù)的精度指標要求。未來的主要目標是降低器件的成本、體積/重量和功耗等，具體包括以下幾個方面:


① 材料和工藝：生產(chǎn)廠商采用低勞動密集型生產(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，制造慣性傳感器。


② 成本：包括產(chǎn)品自身成本和操作維護費用。由于大規(guī)模的批量生產(chǎn)，慣性傳感器成本在大幅下降。


③ 體積：慣性測量傳感器在不斷向輕量化、小型化、微型化方向發(fā)展；未來一些新型的慣性傳感器將無法用肉眼識別，如：NEMS(Nano—Electro—Mechanical System)和光學(xué)NEMS 。


④ 研究熱點：一方面集中在小型化MEMS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，尤其是對采用集成光學(xué)的FOG的研究。


⑤ 期望：在各個精度級別上，均能獲得尺寸小且價格低廉的慣性傳感器。


慣性傳感器的發(fā)展情況直接決定了慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用，慣性傳感器自身的成本、體積和功耗影響了慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的相應(yīng)參數(shù)指標。因此，慣性測量傳感器的發(fā)展需要權(quán)衡以下幾個因素：精確性、連續(xù)性、可靠性、成本、體積/重量、功耗。


2、慣性導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展方向


慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計和發(fā)展需要考慮權(quán)衡的主要因素有：①必須針對并滿足應(yīng)用的需求，其中導(dǎo)航性能(尤其是精度)和價格成本是首要的兩個特性指標。價格成本包含系統(tǒng)自身成本、維護成本和使用壽命。因此對于很多導(dǎo)航應(yīng)用，合理的價格仍然被置于應(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、系統(tǒng)的自主性等。②實際的應(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，拓展應(yīng)用領(lǐng)域。


慣性導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展和技術(shù)進步呈現(xiàn)以下特點：


(1)在無法接收GNSS信號或需要高度導(dǎo)航可靠性的應(yīng)用場合，高性能的自主INS仍具有不可替代的作用。


(2)GNSS技術(shù)的快速發(fā)展和進步，將取代部分傳統(tǒng)的INS應(yīng)用領(lǐng)域。例如：Raytheon Anschütz采用GPS和固態(tài)速率傳感器研制的GPS羅經(jīng)，可以實現(xiàn)0．5°(RMS)的航向精度。上海交通大學(xué)導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制研究所研制GPS姿態(tài)測量儀，在1m基線的情況下可獲得優(yōu)于0．2°的2-D姿態(tài)測量精度。


(3)INS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) ，受到普遍關(guān)注。


(4)地面車輛導(dǎo)航等民用市場發(fā)展迅速，價格低廉的一體化、小型化、多模式組合導(dǎo)航設(shè)備成為市場發(fā)展的三個重要方向，這既是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展的機遇，也是挑戰(zhàn)。


(5)針對艦船導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計和發(fā)展：①首先從系統(tǒng)的性能和可靠性方面考慮，需要不斷提高慣性導(dǎo)航系統(tǒng)自身的集成度；使其具備與其他導(dǎo)航手段協(xié)同工作的組合導(dǎo)航模式，并且提供與艦船的其他操作控制或?qū)Ш皆O(shè)備靈活接口。② 其次從降低系統(tǒng)成本角度考慮，很多學(xué)者嘗試采用中低精度的慣性測量傳感器或MEMS器件，通過改進導(dǎo)航系統(tǒng)配置、與其他導(dǎo)航手段相結(jié)合來獲得令人滿意的精度指標H 矧。③ 需要指出的是：INS首先與GNSS組合，然后再結(jié)合聲納、圖像等其他導(dǎo)航手段組成艦船一體化組合導(dǎo)航系統(tǒng)，是最受關(guān)注的研究熱點和發(fā)展方向。


總之，在慣性器件研究方面，體積小且價格低廉的MEMS慣性傳感器，和高精度、高性能FOG在未來一段時間仍將是受關(guān)注的焦點。受現(xiàn)代計算機技術(shù)快速發(fā)展的影響，平臺式導(dǎo)航系統(tǒng)將被捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)所替代。


當前，慣性技術(shù)已經(jīng)成為一國技術(shù)水平先進性的重要標志之一，其先進程度和應(yīng)用水平關(guān)系到國家多個行業(yè)的信息化水平和自動化控制水平。目前慣性技術(shù)正朝著小型化、數(shù)字化、智能化、低成本、高可靠性、多領(lǐng)域應(yīng)用的方向發(fā)展，新的應(yīng)用與產(chǎn)品正加速涌現(xiàn)。隨著國民經(jīng)濟和技術(shù)水平的進一步發(fā)展，未來慣性技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域也將持續(xù)擴展。 
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