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采用惯性MEMS开发高精度导航系统作者：ADI公司iSensor产品业务拓展经理 摘要：惯性导航系统是一种不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航系统。其工作环境不仅包括空中、地面，还有水下。该系统通过测量载体在惯性参考系的加速度，将它对时间进行积分，且把它变换到导航坐标系中，就能够得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位置等信息。本文介绍了采用惯性MEMS开发的具有成本效益的高精度导航系统。关键词：惯性；导航系统；MEMS惯性导航系统不仅可以工作在空中、地面，还可以工作在水下。该系统结合多个轴上的直线和旋转运动信息，产生准确的位置、速度和方向输出信号。系统复杂度与系统数据处理融合所有输入并实现相关制导，这取决于系统机体动力学、其他传感器的可用性或域特定数据。而设计及实现这样的一种惯性导航的复杂度与所使用的传感器种类，特别是器件的集成度和校准的准确性密切相关。导航方案的选择惯性导航的可能方案很多，从简单的传感器到最高端的环形激光陀螺仪，都在人们的使用范围之内。对大多数情况，环形激光陀螺仪的成本令人难以承受。精确导航要求更高，多年来，精确导航的首选方案是使用环形激光或光纤陀螺仪技术开发的高精度惯性测量单元(IMU)。其性能指标表现不错，但它们在成本(达数千美元)、功耗和尺寸方面给系统带来沉重的预算负担。幸运的是，几年前发展成熟的微机电系统(MEMS)陀螺仪使人们开始重新审视导航系统的设计方法。使用MEMS陀螺仪的主要好处是，它可以把成本降低一个数量级，并可减小尺寸和降低功耗。对设计者来说，面临的挑战是如何重新分配系统性能预算，如何通过设计而不是完全依靠核心IMU来提供附加性能。一些成功的设计者发现，成本优势也为许多新应用的开创提供了机会。现在，MEMS陀螺仪与加速计相结合不仅成为汽车安全系统的基本单元，而且已被公认为是成熟可靠的技术。汽车导航单元将加速计和用于实现航路推算功能(它可以备份GPS信号以防止信号暂时性消失)的陀螺仪结合在一起。要把MEMS陀螺扩展到高精度军事应用，关键是将多个传感器，如惯性传感器、GPS、磁力计、视觉系统等组合起来使用。图1所示为一个典型系统，把惯性传感器、GPS和磁力计传感器组合起来，并与机车或系统特有的输入如提供额外的运动信息或约束相结合，以此确定实际的运动状况。该系统可利用各个传感器的输出进行交叉修正，如修正磁力计的倾斜角，其中的卡尔曼滤波器通过对多个输入进行加权和处理，产生速度、方向和位置的最佳估计。图1 典型的惯性导航系统陀螺仪的偏置稳定性陀螺仪的偏置稳定性在任何设计分析中都倍受关注。军事设备设计者期望陀螺仪稳定性在每小时零点几度或几度，对于某些应用，每小时几十度的性能水平几乎是无法接受的。陀螺仪制造商和导航系统开发商在满足这个要求上都在发挥作用。许多陀螺仪在温度、电压、振动和其它方面具有固有的偏差和灵敏度。对生产批量高达百万的汽车制造商来说，将必要的测试和校准融合到生产流程中可产生成本效益。但对生产批量较小的公司，配备实现运动校准的基础设施，如旋转测试平台等会存在困难。意识到这个需求，一些陀螺仪制造商还提供经过预校准、可直接集成到系统中的元件。预校准可切实改善系统的偏置稳定性，但改善的程度依赖于工厂校准的完备程度和陀螺仪配套半导体的集成度。要在短期内保证偏置稳定，选择高精度校准的陀螺仪极为重要，但要达到所需要的长期稳定性，设计者还需考虑使用其它滤波方法和传感器组合。设计6自由度惯性传感器尤其具有挑战性，如图2所示。仅仅依靠半导体技术本身是难以达到这种设计要求的。要保证多个传感轴同时具有高精度，还需要模块级集成。除了材料和工艺，要满足实体市场的要求或促成一个实体市场，更为重要的是在成本、性能和易用性之间实现良好的平衡。一种方法是通过仔细的功能划分，将惯性导航系统的功能分解为不依赖于具体系统的元件和强烈依赖于实际实现的元件。各个传感器输入的权重及结合它们的实际算法强烈依赖于特定应用的动力学，但在三个轴上提供稳定的直线和旋转输出，并带有轴向交叉校正和传感器交叉校正功能的IMU可定义为面向多种应用的可复用模块。图2 六自由度惯性传感器框图IMU模块本身非常复杂，模块测试和校准可能是设计者所面临的最大挑战。请注意，对于运动传感器如加速度计和陀螺仪，校准包含在对运动设备的测试中。对于多轴传感器，这意味着要求三个轴同时以准确控制的速率旋转。大多数惯性传感器存在温度和其它灵敏度问题，这些参数也需要在运动测试期间进行调整。一项复杂的机电测试需要能够对多个传感器进行交叉补偿，对所有重大的电气、位置和运动影响进行修正。IMU产品选择举例一款IMU产品如ADIS16360，它的体积不到1立方英寸，可通过标准的4线SPI接口访问6个经过预校准的惯性传感器。对于此类器件，轴向交叉校准(Cross-axis alignment)精度是一个至关重要的参数，对ADIS16360来说，其精度为0.05度。表1给出的是该产品目前达到的性能指标。另外，该产品的稳定性有望进一步得到改善。如果此类器件的价格能降到300美元以下，优秀的设计者将会利用它迎接挑战，把它整合到自己系统中。为了便