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北京理工大学自动化学院 2120120995 刘 嘉

惯性技术发展趋势及应用前景

概述 惯性测量传感器的发展趋势 惯性导航系统的发展趋势 惯性技术在生活中的应用

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1 概述 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 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。 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 度不断提高，漂移量可达10-6 º /h;另一方面，随着RLG、FOG、MEMS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， 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 性技术发展的历史过程中，Draper实验室、Sperry、原Litton、Delco、 Honeywell、Kearfott、Rockwell、GE(General Electric)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。

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1 概述

图1: 制约惯性技术发展的因素

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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。

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2.1 陀螺仪 2.1 陀螺仪 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 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 置统称为陀螺。 2.1.1 激光陀螺

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 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 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。

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2.1 陀螺仪 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 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。 低成本、小体积的激光陀螺以honeywell的GG1308为代表，通过镜片、电 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1º /h,重量为 60克，能承受20g的振动，每个仅为1000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。 honeywell的另一种低 成本陀螺为GG1320,其精度为0.1 º /h,重量为100克，输入速率可达+800 度。

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2.1 陀螺仪

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2.1 陀螺仪 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， 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1到2个数量级，适合于长期导航。 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GG-1320的激光陀螺即已生产了25万只以上，且目 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 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。

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2.1 陀螺仪 2.1.2 光纤陀螺 光纤陀螺(Fiber Optical Gyro,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 …… 此处隐藏：1844字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……