微惯性系统理论与应用

微惯性系统理论与应用第1页/共74页一、惯性技术概述第2页/共74页1、惯性技术的概念

利用力学惯性原理和其它有效原理，测量和控制物体运动姿态、速度和位置的工程技术。

姿态角：横滚角航向角俯仰角第3页/共74页

加速度、速度与航程之间的关系

加速度计可用于测量运动体的加速度。

已知初始条件的情况下，测量的运动体加速度经过一次积分可以得到运动速度。经过二次积分得到运动距离，从而给出运动体的瞬时速度和位置数据。式中，a为运动体加速度；V为运动体速度；S为运动体移动距离。第4页/共74页

由上述公式可知，一个沿直线运动的载体，只要借助于加速度计测出它的加速度，那么载体在任何时刻的速度和相对出发点的距离就可以实时地计算出来。不需要外界信息，只是通过对载体本身的惯性测量就可获得载体的速度以及位置信息。问题：加速度计的位置相对于运动载体是固定的，而运动载体本身相对于参考坐标系不同时刻具有不同的姿态，此时如何获取速度与位置信息？第5页/共74页

姿态角

将加速度计的输出变换到导航坐标系，计算出运动载体的速度、位置等导航参数。

通过陀螺仪获取运动载体的姿态信息，建立运动载体和参考坐标系之间的关系。以飞机为例，确定航向角、俯仰角和横滚角相对地理坐标系的变化。第6页/共74页第7页/共74页

惯性导航

导航：正确地引导载体沿预定的航线在规定的时间内到达目的地的过程。比如使船舶或飞机按预定航线到达预定目的地。惯性技术—包括惯性导航技术、惯性制导技术、惯性测量技术、惯性元件、惯性系统与元件测试技术的总称。

制导：是指自动控制和导引飞行器按预定轨道或飞行路线准确到达目标的过程。

惯性制导第8页/共74页司南，汉（公元前206－公元220年）。盘17.8×17.4厘米,勺长11.5，口径4.2厘米。司南由青铜地盘与磁勺组成。地盘内圆外方；中心圆面下凹；圆外盘面分层次铸有10天干，十二地支、四卦，标示二十四个方位。磁勺是用天然磁体磨成，置于地盘中心圆内，勺头为N，勺尾为S，静止时，因地磁作用，勺尾指向南方。

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指南鱼，大约在北宋初期，我国古人创制的一种新指南工具。指南鱼用一块薄钢片做成，形状像鱼，鱼的肚皮部分凹下去一些，像小船一样浮在水面上。宋代还有用木头做的指南鱼和指南龟。木指南鱼是用木块刻成的，鱼腹里放入一块磁性强的天然磁石，用蜡封好，在鱼口插入一根针，此鱼就能指南了。

指南龟的制法和原理与木指南鱼基本相同。第10页/共74页

“过洋牵星”

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郑和下西洋独创的天文导航系统

所谓过洋牵星，是指用牵星板测量所在地的星辰高度，然后计算出该处的地理纬度，以此测定船只的具体航向。郑和下西洋时代，人们不仅可以观测天体以辨航向，而且还能够用仪器来测量天体的高低来定船位和行向精确程度，形成了观测“星斗高低，度量远近”的过洋牵星术。

第11页/共74页2、惯性技术发展历史

1687年，牛顿提出的力学三大定律。

理论基础1765年，俄国科学院院士欧拉出版了著作《刚体绕定点转动理论》，首次利用解析分析的方法对定点转动刚体做了本质的解释，创立了转子陀螺仪的力学基本理论。1778年，法国科学家拉格让日在《分析力学》一书中建立了在重力矩作用下定点转动刚体的运动微分方程组。1852年法国科学家傅科根据欧拉和拉格朗日的刚体定点转动理论制造出了用于验证地球自转运动的测量装置，并在巴黎科学院作了实验演示，傅科称之为陀螺(gyroscope)。第12页/共74页

惯性技术发展历史

第13页/共74页第一代惯性技术：1930年以前1687年牛顿三大定律建立，成为惯性导航的理论基础；1852年，傅科提出陀螺的定义、原理及应用设想；1908年由安修茨研制出世界上第一台摆式陀螺罗经，依靠重力力矩自动找北。1910年的舒勒（MaxSchuler）调谐原理，即指北精度不受外界加速度冲击的影响。第一代惯性技术奠定了整个惯性导航发展的基础。第14页/共74页第二代惯性技术：上世纪30年代至-60年代研究内容从惯性仪表技术发展扩大到惯性导航系统的应用。首先是惯性技术在德国V-II火箭上的第一次成功应用；到50年代中后期，0.5mile/h的单自由度液浮陀螺平台惯导系统研制并应用成功；1968年，漂移约为0.005º/h的G6B4型动压陀螺研制成功。出现了另一种惯性传感器－加速度计。在技术理论研究方面，为减少陀螺仪表支承的摩擦与干扰，挠性、液浮、气浮、磁悬浮和静电等支承悬浮技术被逐步采用；1960年激光技术的出现为今后激光陀螺（RLG）的发展提供了理论支持；捷联惯性导航（SINS）理论研究趋于完善。第15页/共74页第三代惯性技术：上世纪70年代初-80年代中期出现了一些新型陀螺、加速度计和相应的惯性导航系统（INS），其研究目标是进一步提高INS的性能，并通过多种技术途径来推广和应用惯性技术。这一阶段的主要陀螺包括：静电陀螺（ESG）、动力调谐陀螺（DTG）、环形激光陀螺（RLG）、干涉式光纤陀螺IFOG等；基于Sagnac干涉效应的RLG和捷联式激光陀螺惯导系统（SINS）在民航方面得到应用；出现基于不同物体原理的陀螺仪：超导体陀螺、粒子陀螺、音叉振动陀螺、流体转子陀螺及固态陀螺等；80年代，伴随着半导体工艺的成熟和完善，采用微机械结构和控制电路工艺制造的微机电系统（MEMS）开始出现。第16页/共74页第四代惯性技术

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。陀螺的精度不断提高，漂移量可达10-6º/h；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。

原子陀螺第17页/共74页3、惯性技术的应用历史

飞越英吉利海峡

闯入冰下迷宫

挑战广袤无垠的太空

“沙漠风暴”之战第18页/共74页

飞越英吉利海峡

第二次世界大战期间，火箭技术和飞机一样因军事用途而取得了长足的进步，以德国的冯·布劳恩为首的研究小组研制出了V-2火箭，并于1944年9月8日傍晚，在伦敦市区暴炸了世界上投入战争的第一枚弹道式导弹V-2

。它从德国本土飞过英吉利海峡直奔英国首都，被希特勒称为“第三帝国的秘密武器”。由于V-2导弹上装有一套简单的惯性制导装置，从而实现了从欧洲大陆飞越大海，袭击预定目标。出现在德国的V-2火箭上的第一套实用的惯性制导系统，也是世界上第一个惯性制导系统，尽管精度还比较低，但不能不认为是惯性技术发展史上的一个里程碑。第19页/共74页第20页/共74页

闯入冰下迷宫

1958年美国将第一台舰用惯性导航系统（N6）安装在攻击性核潜艇“魟鱼号”上，完成了穿越北冰洋冰层下的航行，并顺利通过了地理上的北极点，历时96小时，航行1830海里，艇位误差仅为10海里左右。这一史无前例的创举，震撼了全世界。（1海里=1.852公里）

1960年11月15日，美国“乔治·华盛顿”号核潜艇开始在北大西洋执行它的第一次非战时巡逻任务。这次巡逻历时66天10小时，于1961年1月21日返回基地。艇上载有16枚射程为1200海里的美国第一代潜射核导弹“北极星”A1导弹。核潜艇和潜射导弹上都装有惯性系统。“乔治·华盛顿”号弹道导弹核潜艇的建成，标志着潜射弹道导弹第一次构成了真正的全球性威慑力量。

第21页/共74页1998年5月，俄罗斯利用潜艇从水下成功发射了一颗科学试验卫星，由于艇上装有惯性系统，故能将该卫星精确地送入预定轨道。第22页/共74页

挑战广袤无垠的太空

第二次世界大战后的太空开发，惯性技术又有了新的发展，特别是美国和前苏联的激烈竞争又使其迅猛发展。1957年10月4日，前苏联第一颗人造卫星上天;1961年4月前苏联宇航员——加加林首次进入太空;1960年中期美国推出将人类送上月球的“阿波罗”计划；其中开发强大火箭的重担就落在前德国专家冯.布劳恩身上;1969年7月20日美国东部夏令时10时56分15秒美国宇航员——阿姆斯特朗首次踏上月亮。之后有五次共12名宇航员踏上月亮。从而完成了从牛顿定律到人们遨游太空的漫长历程。第23页/共74页

“沙漠风暴”之战20世纪90年代初，被美国称为“沙漠风暴”的海湾战争，是第二次世界大战以来规模较大、采用新式武器较多的一场现代化战争。这场战争是以航空武器为主体的现代化常规战争，42天战争中，空袭占了38天，地面战争进展4天。战争中使用了多种精确制导武器，从多国部队的武器装备来看，各种飞机、导弹、舰船及先进的坦克、装甲车和自行火炮等都装备了各式各样的惯性系统，可以说惯性系统在海湾战争中是多种武器的心脏，是决定武器精度的关键。1999年以美国为首的北约对南联盟的空袭也证明了这一点。第24页/共74页弹道导弹要发挥其威力，必须射程远、爆炸威力大、命中精度高。精确制导武器在现代战争中的使用比例从中可以看出精确制导武器在现代战争中的地位和作用。第25页/共74页二、MEMS技术概述第26页/共74页1、MEMS概念第27页/共74页

MEMS——微机电系统是指可以批量制作的、集微型机械、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路直至接口、通讯和电源等于一体化的微型系统。典型MEMS功能组成第28页/共74页第29页/共74页

微静电马达

1988年，加州伯克利分校马达的直径为100μm，厚度仅为1μm，在350V的三相电压作用下最大转速可达500转/分钟。第30页/共74页第31页/共74页第32页/共74页数字光学控制器(DLP)

1987年美国德州仪器（TI）公司发明优点：高分辨率、高对比度、响应速度快、带宽等。应用：数字相机、高频天线阵列、新一代外层空间望远镜、全息照相、数字图像处理等，目前，DMD广泛应用于数字光处理器件(DLP)，用于数字投影显示（DPD）、高清晰度电视（HDTV）、微型显示。目前,全球已经有将近40家著名的TV和放映设备厂商开始采用DLP子系统。LG公司也在韩国电子展览会上展示了一款采用DLP子系统的52英寸彩电(1英寸=2.54cm)

。第33页/共74页第34页/共74页RFMEMS第35页/共74页MEMS麦克风是利用硅薄膜来检测声压的，MEMS麦克风能够在芯片上集成一个模数转换器，形成具有数字输出的麦克风。MEMS麦克风用途广泛，目前主要应用在手机、数码相机、MP3播放器和PDA、耳机和助听器等领域。楼氏声学公司出品的SiSonic贴片式MEMS麦克风MEMS麦克风第36页/共74页

微型生物分析仪第37页/共74页第38页/共74页2.MEMS的基本特征

尺度微型化、系统集成化当尺度缩小到微米乃至亚微米量级时，产生尺度效应，使得物理现象与宏观世界有很大差别。MEMS尺度第39页/共74页

尺度效应特征：

力的尺度效应。与特征尺寸高次方成比例的力的作用减小（惯性力、体积力、电磁力），与特征尺寸低次方成比例的力的作用明显增加（静电力、摩擦力、黏性力），并成为影响MEMS性能的主要因素。

第40页/共74页力的尺度效应第41页/共74页

表面效应。表面积与体积之比相对增大，表面效应突出。从而热传导、化学反应均加速，表面摩擦阻力显著增大。S/V10-4/mmS/V0.1/mm第42页/共74页abcS/V=l-1/mm*尺寸减小10倍，体积减小1000倍，而表面积仅仅减小100倍，同样重量也减小1000倍。第43页/共74页

材料的尺度效应。尺度越小，元器件内部缺陷出现的概率越小，从而器件的强度会大幅度增加。MEMS器件的弹性模量、抗拉强度、疲劳强度、残余应力等都不同于大器件。

微弱信号效应。MEMS的前段装置如微传感器的输出信号十分微弱，传统的测量工具和仪器难以实现微弱信号的检测，需研制新的测试设备。第44页/共74页Micro质量:micrograms(mg)E lectro电容:femtofarads(fF)Mechanical位移:nanometers(nm)S ystems敏感电压:nanovolts(nV)MEMS器件典型参数量级第45页/共74页MEMS,aremulti-domainelectronics,mechanics,magnetics,fluidicsMechanicalresponse:StructureDisplacementElectricalDetection:CapacitanceChangeMeasurableOutput:AmplifiedVoltageMacro-scaleinertialmotion:AccelerationForceMEMS器件特征Example:InertialMotionDetection第46页/共74页内容MEMSIC结构形式二维、三维，可动部件二维，静态加工工艺表面微加工、体硅工艺、LIGA表面微加工功能光学MEMS、生物MEMS、射频MEMS等微电子电路材料导电材料、半导体、绝缘材料等半导体3MEMS制造MEMS与IC区别微加工技术解决的问题高深宽比、可动结构新材料美国——硅基微机械加工技术德国——LIGA技术微加工技术是MEMS的核心。第47页/共74页3.MEMS制造第48页/共74页MEMS加工工艺第49页/共74页第50页/共74页第51页/共74页第52页/共74页LIGA是德文缩写LI=Lithographie(光刻)G=Galvanoformung(电镀)A=Abformtechnik(铸膜)第53页/共74页第54页/共74页MEMS加工工艺是微机械加工，但不是精密加工。第55页/共74页MEMS器件应用领域与主要厂商产品主要应用领域主要厂商加速度计安全气囊、主动式悬吊系统、GPS、硬盘防震应用STM、Bosch、Freescale陀螺仪数字相机防手震系统、卫星导航系统行动导航推算法、游戏机运动感测方案ADI、村田(Murada)、Invensense打印机喷头打印机与多功能事务机用打印机喷头HP、SeikoEpson、Lexmark压力传感器医疗电子、轮胎用气压传感器CanonMEMS麦克风手机麦克风、车用免持听筒装置、网络电话、助听器、脉搏传感器Knowles、Omron、ADI光学MEMS家用投影机、微投影机TI、MicrovisionRFMEMS手机与无线网通应用RFDM、SeikoEpson4MEMS的产业状况第56页/共74页4MEMS的产业状况第57页/共74页4MEMS的产业状况应用领域第58页/共74页2006~2013年全球MEMS市场规模预测2009~2013年复合成长率10%4MEMS的产业状况第59页/共74页微加速度计微陀螺仪微惯性组合5微惯性传感器应用第60页/共74页汽车车辆行驶安全系统车辆动态控制系统翻车检测系统车辆防盗系统电子驻车制动系统车载导航系统第61页/共74页电子消费品Wii游戏机（任天堂）采用三轴动作信号处理技术的游戏控制器控制器：MEMS加速度计和MEMS陀螺仪MEMS器件能够感觉玩家在三个维度上的动作的能力：前/后，左/右和上/下。当它被抓在手上的时候，系统就会根据控制器加速度感知动作、深度和位置情况。第62页/共74页鼠标

Gyration公司：ProGoGyrotransport鼠标一个简单易用的基于自由空间移动和手势的定位和控制系统。在假象的平面上挥动鼠标,屏幕上的光标就会跟着移动,并可以绕着链接画圈和点击按键。当你正在演讲或离开桌子时,这些操作都能够很方便地实现。

第63页/共74页相机防抖以佳能为主的光学防抖。把陀镙仪装在镜头里，它能检测到镜头抖动，从而把信号传递到镜片来修正因震动带来的偏差。第64页/共74页相机防抖以索尼代表的以感光元件防抖方式。它是把陀镙仪装在感光元件下面（CCD或CMOS）。作原理是由机身检测到震动的时候，陀镙仪产生的电流就把感光元件以震动的反方向来摆动。从而把感光元件来固定下来以防止因手抖动带来的照片模糊。