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IMU慣性測量技術
發(fā)布日期：2021-09-22
閱讀量：2349
作者：Li
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隨著三維激光掃描技術越來多地被人們所提及，相關的技術也在不斷的發(fā)展，各類高精度定位、傳感等技術得到了長足的發(fā)展，而其中有一個冉冉升起的新星，那就是IMU技術。這個技術的出現彌補了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，甚至導彈、宇宙飛船都會使用到IMU，區(qū)別在于成本和精度。


IMU技術


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


慣性技術是用來實現運動物體姿態(tài)和運動軌跡控制的一門技術，它是慣性儀表、慣性穩(wěn)定、慣性系統(tǒng)、慣性制導和慣性測量等相關技術的總稱。慣性技術涉及物理、數學、力學、光學、材料學、機密機械學、電子技術、計算機技術、控制技術、測量技術、仿真技術、加工制造及工藝技術等，是一門多學科交叉的技術，主要研究慣性儀表和慣性系統(tǒng)的理論、設計、制造、試驗、應用、維護，廣泛應用于航空、航天、陸地導航和大地測量、鉆井開隧道、地質勘探、機器人、車輛、醫(yī)療設備等，以及照相機、手機、玩具等領域，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。


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


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慣性導航技術的特點 


與其他導航系統(tǒng)相比, 慣導系統(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。


在導彈、 火箭、 飛機等需要機動、 高速運行的運載體的導航、 制導與控制 (Guidance navigation and control, GNC) 系統(tǒng)中, 慣性系統(tǒng)因其測量頻帶寬且數據頻率高 (可達數百赫茲以上)、 測量延時短 (可小于 1 ms), 易于實現數字化, 成為 GNC 系統(tǒng)實現快速、精確制導與控制的核心信息源, 其性能對制導精度起著關鍵作用, 例如, 純慣性制導地地導彈命中精度的 70 % 以上取決于慣性系統(tǒng)的精度。


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


除軍用以外, 目前慣性技術在民用領域也有大量應用, 如大地測量、 石油鉆井、 隧道工程、 地質勘探、 機器人、 智能交通、 醫(yī)療設備、 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, 慣性技術均可發(fā)揮重要作用。

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


但是幾次高技術局部戰(zhàn)爭中, 電子戰(zhàn)、 導航戰(zhàn)、 體系化作戰(zhàn)模式的出現證明了幾乎僅有慣性導航系統(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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慣性導航技術的發(fā)展前景


1、慣性傳感器的發(fā)展前景


就全球發(fā)展現狀而言，現有的慣性傳感器已經可以滿足當前各種不同導航任務的精度指標要求。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：生產廠商采用低勞動密集型生產模式和批量處理技術，選用硅片、石英、或結合光電材料(如鈮酸鋰)等新型材料，制造慣性傳感器。


② 成本：包括產品自身成本和操作維護費用。由于大規(guī)模的批量生產，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傳感器上，尤其是對采用集成光學的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航系統(tǒng)的開發(fā)和應用，慣性傳感器自身的成本、體積和功耗影響了慣性導航系統(tǒng)的相應參數指標。因此，慣性測量傳感器的發(fā)展需要權衡以下幾個因素：精確性、連續(xù)性、可靠性、成本、體積/重量、功耗。


2、慣性導航技術的發(fā)展方向


慣性導航系統(tǒng)的設計和發(fā)展需要考慮權衡的主要因素有：①必須針對并滿足應用的需求，其中導航性能(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。因此對于很多導航應用，合理的價格仍然被置于應用要求的最前面。導航性能包括：導航的精確性、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系到慣性導航系統(tǒng)能否在具體的應用環(huán)境中被采用。③提高慣性導航系統(tǒng)的通用性，拓展應用領域。


慣性導航系統(tǒng)發(fā)展和技術進步呈現以下特點：


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


(2)GNSS技術的快速發(fā)展和進步，將取代部分傳統(tǒng)的INS應用領域。例如：Raytheon Anschütz采用GPS和固態(tài)速率傳感器研制的GPS羅經，可以實現0．5°(RMS)的航向精度。上海交通大學導航、制導與控制研究所研制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與其他多種導航手段組合，尤其是GNSS／INS組合導航系統(tǒng) ，受到普遍關注。


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


(5)針對艦船導航系統(tǒng)的設計和發(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航系統(tǒng)自身的集成度；使其具備與其他導航手段協(xié)同工作的組合導航模式，并且提供與艦船的其他操作控制或導航設備靈活接口。② 其次從降低系統(tǒng)成本角度考慮，很多學者嘗試采用中低精度的慣性測量傳感器或MEMS器件，通過改進導航系統(tǒng)配置、與其他導航手段相結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，然后再結合聲納、圖像等其他導航手段組成艦船一體化組合導航系統(tǒng)，是最受關注的研究熱點和發(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注的焦點。受現代計算機技術快速發(fā)展的影響，平臺式導航系統(tǒng)將被捷聯式慣性導航系統(tǒng)所替代。


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