基于微型惯性测量组合的平面定位技术的研究

基于微型惯性测量组合的平面定位技术的研究Miniatureinertialmeasurementunitbasedontheplanepositioningtechnologyresearch申请人姓名：指导教师：合作导师：专业学位类别：专业学位领域：所在学院：论文提交日期年月日

错误！文档中没有指定样式的文字。PAGE10PAGE77目录摘要 iAbstract iii第1章绪论 11.1课题背景 11.1.1国内外研究现状分析 21.1.2主要内容和拟解决的问题 21.1.3可行性分析 31.2本章小结 4第2章微机电系统 52.1微机电系统概述 52.2微机电系统的基本概念 52.3微机电系统的研究现状 72.4微机电系统的应用 102.4.1汽车工业 102.4.2军事领域 102.4.3医学领域 112.5微机电系统的特点和研究领域 112.6微加速度计和微陀螺仪的工作原理 132.6.1微加速度计 132.6.2微陀螺传感器 232.7微惯性测量组合 262.8微惯性测量组合的发展状况及其应用 272.9微型惯性测量组合的原理和结构 282.10微惯性测量组合的关键技术与问题 292.10.1基本的坐标变换 292.10.2姿态矩阵 302.10.3误差及补偿 312.11本章小结 32第3章捷联惯导系统 343.1捷联惯导系统 343.1.1引言 343.1.2微型捷联惯导系统的构成 343.2系统硬件和软件算法 353.3数据采集系统 363.4本章小结 37第4章MIMU的平面定位技术 384.1简介 384.1.1MIMU的组成 384.2安装误差的标定 394.2.1安装误差标定原理 394.2.2安装误差标定方法 414.2.3横向灵敏度的影响 424.2.4零偏的实时计算 434.2.5整体初始位置的自标定 434.3三维位置计算方法 444.4本章小结 46第5章硬件设计 485.1ADXL330简介 485.1.1ADXL330结构功能 485.1.2ADXL330基本工作过程 495.1.3ADXL330主要应用 515.2硬件设计 535.2.1传感器设计 535.2.2主控制器ARM7系统设计 535.2.3电源电路设计 545.3本章小结 54第6章软件设计 556.1软件设计 556.1.1数据采集部分 556.1.2数据处理部分 556.2本章小结 56第7章实验结果 577.1实验数据 577.2本章小结 57第8章总结与展望 598.1总结 598.2本研究应用前景 59参考文献 60作者简历 61致谢 62绪论课题背景微电子机械MEMS(MicroElectronicMechanicalSystem)，又称为微机电系统，是在微电子技术和硅微细加工技术基础上发展起来的多学科交叉的新兴学科。微惯性测量组合MIMU(MicroInitialMeasurementUnit)是MEMS的一个重要分支。它主要指陀螺仪和惯导加速度计，是惯性系统的核心部件，它决定惯性导航、定向和运动载体的控制。MIMU是国际上近年来发展起来的高新技术，它作为一种不依赖任何外部信息，也不向外部辐射能量的自主式系统，具有数据更新率高、短期精度和稳定性好等特点。近年来，微型陀螺及微型加速度计等微型惯性测量元件得到巨大发展。由微加速度计和微陀螺仪构成的微型惯性导航系统是种新型的捷联惯导系统(StrapdownInertialNavigationSystem，SINS)。它继承了传统SINS的特性：完全自主式、保密性强(在军事应用领域尤为重要)，不存在信号的电磁干扰、全天候、机动灵活；同时，它又具有传统SINS所无法比拟的优点：尺寸小、重量轻、成本低、功耗小、寿命长、可靠性高、动态范围宽、响应速度快和便于安装调试等在姿态测控、武器制导和其他军事及民用领域具有广阔的应用前景。因此，研究微惯性测量组合成为近年来惯性技术的一个发展方向。对微型惯性测量组合(MIMU)的平面定位系统的研究是利用MIMU的种种优点，并通过单片机及计算机来实现对平面运动物体轨迹的精确跟踪、定位。可实现对其导航、控制，这对国计民生都有着重大意义，也可应用在条件恶劣的环境中对车辆的定位导航等。另一个主要应用领域是汽车领域。因此，微惯性测量组合的应用前景也越来越广阔，其研究工作也日益受到重视。微惯性测量组合的电子线路由三部分组成：传感器电路组件、转换电路组件和数据处理组件。最终目标是将所有功能模块集成在一块硅片上。每一个惯性仪表都有专用集成电路并产生相应的输出，送给微处理器进行数据处理产生导航信息。国内外研究现状分析国外微惯性测量组合技术的发展已经有30余年的历史，西方国家尤其是美国，在微惯性测量技术以及微惯性导航技术等方面处于领先的优势。微惯性测量组合主要应用于军事领域，其高可靠性、小体积和抗恶劣环境的能力使其广泛地应用于战术导弹、炮弹的惯性导航系统。美国国防部的DARPA(国家高级研究计划局)以及其他部门在MEMS惯性导航技术方面的投资也在逐渐增加，研究低成本、战术级导航系统。惯性技术领域的著名研究机构，如Draper实验室、Honeywell、喷气推进实验室(JPL)、BEL公司以及其他一些著名的大学、研究中心都在微机电系统惯性器件和低成本战术级的微惯性与组合导航技术等方面展开了大量的研究，成效卓著，系统正在走向中精度、组合导航另外，其他国家的一些科研机构也对这种基于MEMS技术的微型惯性测量组合在导航等应用领域展开研究。我国MEMS技术研究始于90年代初，在“八五”、“九五”期间得到总装备部、国家科技部、国家自然科学基金委员会和教育部的重点支持，并将MIMU作为“九五”微米/纳米技术预研的需求牵引。目前，全国已有50多家高等院校及研究院所开展了MEMS相关方面的研究工作并在微惯性传感器及MIMU等诸多方面取得一定成果。主要内容和拟解决的问题主要内容本论文是基于MEMS器件具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高、精度适中等特点，从对实际的微惯性测量组合的研究出发，来研究利用加速度计组成的定位系统。通过在物体上安装加速度计以敏感物体运动的加速度并通过采集卡将加速度计的输出信号传送到计算机进行积分等运算处理得到物体运动的位移，以实现对物体进行定位或者导航的目标。本文针对以微加速芯片ADXL330为核心组成的微惯性测量组合的平面定位系统进行了研究，探讨此微惯性组合的特性和信号。本文主要包括以下几个方面的内容：一、根据加速度计ADXL330的特性并根据实际，设计其外围电路。主要有加速度计带宽的设定、加速度计与后续电路的阻抗匹配和加速度计输出信号的滤波处理。二、完成并优化了系统的算法和软件设计。通过对加速度积分算法的分析,提出了一种基于相对加速度的积分方法，降低了系统的漂移；同时通过设定加速度的阀值和自动更新传感器的静态输出值的方法,进一步提高了系统的精度。三、根据组建的硬件系统，开发了相对应的软件,实现了传感器信号的采集和处理。四、对开发的系统进行调试和测试，并对测试结果进行了分析。分别进行了系统一维和二维直线运动的测试实验,使系统的定位误差尽量可能小。五、对系统开发进行了总结,提出了有待进一步深入研究的工作。拟解决的关键问题：一、根据加速度计ADXL330的特性并根据实际，设计其外围电路。二、编写系统的算法和软件设计并对其进行优化。三、开发出相对应的软件,实现了传感器信号的采集和处理。可行性分析基于微型惯性测量的平面定位系统的基本工作原理是以牛顿力学定律为基础，在微型惯性测量组合的载体内部测量载体运动的加速度、角加速度，经由积分运算得载体的速度和位置信息即载体的导航信息。微惯性测量组合有三个加速度计和三个陀螺仪，主要用于得到物体在三维空间中各个方向上的线加速度和角加速度的信号，然后再通过计算机进行一系列的解算得到载体的各种信息，从而实现对载体的导航和定位的目标。微机电系统概述随着微/纳米科学与技术(Micro/NanoScienceandTechnology)的发展，以形状尺寸微小或操作尺寸极小为特征的微机电系统(MicroElectro-MechanicalSystems,MEMS)已经成为人们在微观领域认识和改造客观世界的一项高新技术，并且是当前一个十分活跃的研究领域。MEMS涉及多学科交叉，包括材料、机械、电子、微电子、生物学、医学、信息等工程技术学科和力学、物理学、化学、光学等基础学科。MEMS具有能够在狭小空间内进行作业而又不扰乱工作环境的特点，有着广泛的应用前景，在世界范围内，市场销量呈指数形式上升，成为新的经济增长点。MEMS在航空航天、精密机械、生物医学、汽车工业、家用电器、环境保护、通信、军事等领域有着广泛的应用潜力，成为广大科技工作者研究的热点，被列为21世纪关键技术之首。本章将介绍MEMS的基本概念、特点、研究现状和研究领域。微机电系统的基本概念MEMS是美国的习惯用词；在欧洲被称为微系统技术(MicroSystemTechnlolgy,MST)；在日本被称为微机器(Micro-Machine)。由于美国的MEMS总体研究水平处于领先地位，因此，本文沿用MEMS叫法。MEMS是以微细加工技术为基础，将微传感器、微执行器和电子线路、微能源等组合在一起的微机电器件、装置或系统。它既可以根据电路信号的指令控制执行元件实现机械驱动，也可以利用传感器探测或接收外部信号。传感器将转换后的信号经电路处理，再由执行器变为机械信号，完成执行命令。MEMS是一种获取、处理和执行操作的集成系统。MEMS将微电子技术和微细加工技术相结合，实现了微电子与机械的融合。完整的MEMS是由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、接口电路及微能源组成的一体化微型器件或系统，用于完成传统大尺寸系统所不能完成的任务，也可以把独立微器件，如微传感器或执行器直接嵌入到大尺寸系统中，以达到提高系统可靠性、降低成本、实现系统智能化和自动化的要求。关于MEMS的概念，习惯上依据机械结构的尺寸，将特征尺寸在1~10mm范围内的机械称为小型(Mini)机械；特征尺寸在1μm~1mm范围内的机械称为微型(Micro)机械；特征尺寸在1nm~1μm的机械称为纳米(Nano)机械。当然，这样划分也未必严格，有时微机械加上外围结构尺寸已经大于1mm了，但仍然归于微机械。由于这些机械构成的机电系统称为小型机电系统、微机电系统( MEMS)和纳米机电系统。图1.3（1）为MEMS微传感器的原理示意图。温度、力、磁、光、声和化学成份等外界信号通过微传感元件感知后，输送给传输单元。传输单元将外界感应信号转变为电信号，再送给控制电路进行处理。信号输入信号输入微传感单元传输单元信号输出能量图1.3（1）MEMS微传感器原理示意图图1.3（2）为MEMS微执行器的原理示意图。传输单元将获得的信号转变为电压、热、磁等形式，通过微自毁长城元件完成执行功能。信号输入信号输入传输单元微传感单元信号输出能量图1.3(2）MEMS微执行器原理示意图图1.3（3）为MEMS系统组成图。力力光声其他化学温度传感器模拟信号处理模拟信号处理模拟信号处理与其他系统的接口执行器运动能量状态其他信息图1.3（3）MEMS系统组成MEMS并非单纯是宏观机械的微小化，它的研究目标在于通过微型化、集成化来探索新原理、新功能的元件和系统，开辟一个新的科学技术领域和产业。微电子学、微机械学、微光学、微动力学、微流体力学、微摩擦学、微结构学和微生物学等共同构成了MEMS的理论基础。微机电系统的研究现状MEMS的发展可以追溯到1959年的美国物理年会上。诺贝尔奖获得者RichardP.Feynman在该次年会上作了题目为“Thereisplentyofroomatthebottom（实际上大有余地）”的报告。他描述了可用大机械来加工比自己小许多的小机械，而这些小机械又可以制造更小的微小机械，既是一条Top-Down的路径。同时，他还描述了人们按照自己的方式排列原子、分子，按照人们的意愿构造各种物质，即Bottom-Up路径。Feynman教授的报告在当时还不被许多人所理解，然而现在看来，当时Feynman教授的报告已经预见到了MEMS、纳机械和原子操纵技术的未来。鉴于MEMS打桩的学科交叉特点，它的发展同许多学科有关。1954年史密斯发现半导体电阻率随应力变化。即压阻效应。1958年，研究人员通过测量贴在弹性体上应变片的应变，测量弹性体的受力情况。美国斯坦福大学在20世纪60年代利用硅片腐蚀方法，制造了应用滨脑电极阵列的探针，后来又在微传感器方面的研究取得了成功。20世纪70年代初期，硅压力传感器出现。单晶硅既可以作为微电子材料，又可以作为机械结构材料。到了20世纪70年中期，美国Kulite公司通过在硅衬底上形成氧化硅或氮化硅，由各向异性腐蚀法加工出硅膜，利用键合技术制成了微压力传感器。真正具有标志性的工作是静电微电机的出现。1988年5月27日，在美国加州大学伯克利分校，两个年轻人启动一个直径为120μm的静电微电机开关，在显微镜下观察电机的转动。虽然该电机仅仅转动了几秒钟，但却标志着MEMS时代的到来。在国外，美、日、德等国在MEMS的研究与应用方面占据领先地校正。加利福尼亚大学伯克分校在MEMS加工与微细加工技术方面的发展很快，其静电微电机研究牌领先地位，在微器件、微机构的研究方面也取得了很大进展。麻省理工学院、威斯康星—麦迪逊大学、凯斯西方储备大学、康内尔大学等在MEMS的研究方面取得了一定成就。另外，一些研究公司和实验室在MEMS在研究方面也做了大量工作。朗讯公司在MEMS光开关方面处于世界领先水平，二维MEMS光开关研究已经基本成型，目前正在研究三维MEMS光开关。德克萨斯州仪器公司研究的数字微镜(DigitalMicro-mirrorDevice,DMD)在MEMS领域曾引起轰动，对高清晰度电视、全光通信等领域的发展具有极大的推动作用。Northrop公司利用硅片进行了光波导技术研究，并研制出微光学陀螺仪(MOG)样机。Draper实验室于1989年最先研制出双框架式微硅陀螺，并于1993年研制出由三个微硅陀螺。美国航空航天局(NASA)研制出成本不足1亿美元的“发现号”微卫星后，正在构思成本在10万美元以内的纳卫星（或称“芯片”卫星）。MEMS的三个标志性成果分别为数字微镜、静电微电机和微加速度计，均由美国发明。目前，美国在MEMS研究的总体水平牌世界领先地位。日本在MEMS的研究起步晚于美国，但政府、学术界和产业界高度重视，东京大学、东北大学在微细加工、微流量泵、微型传感器、微继电器等方面取得了相当快的进展。名古屋大学成功研制了直径为6mm、具有16个爪的微管道流通机器人。EPSON公司研制出光诱导微型自行走机器人。东京大学生产技术部开发的在线放电磨削(WEDG)技术和特种放电电路，可加工出5μm的细轴和微孔。岛津制作所研制出生物细胞微操作器。滋贺医科大学研制出用于眼科手术的微机械“GENGERO”。名古屋大学利用开关记忆合金(SMA)研制出可在血管中操作的在源导管。日本在微机器人方面的研究牌世界领先地位。德国Karlsruhe研究中心在微细加工方面首创了LIGA技术，即X光深层光刻、微电铸和微塑铸三种工艺的有机结合，可实现高深宽比的结构。LIGA工艺可制造加工难度极大的微结构，微结构高度可达1mm，线宽尺寸小到0.2μm，深宽比可达500，表面粗糙度可达30nm。美茵兹技术研究所(IMM)利用准分子激光烧蚀与LIGA技术结合研制出准分子激光工艺技术。德国在微细加工方面处于世界领先地位。另外，英国的3M计划提出揭示DNA、有机高分子和超大分子的分子测量研制。瑞典Uppsala大学也在研制在显微镜下工作的微机器人。随着MEMS的发展，MEMS和光技术结合，形成MEMS的一个分支，即微光电系统(MicroOpticalElectro-MechanicalSystem,MOEMS)。微光学元件在微执行器的作用下，实现对光束的汇聚、等身、反射等控制；完成光开关、光驱动、光检测、成像、图像传输、图像显示等功能。MOEMS是微电子、微光学和微机械相结合而产生的一种新型微光机电一体化技术，在通信、医疗、生物、航天、计算机外设、家用电器等领域有巨大的应用前景。鉴于MOEMS特点，研究人员仍然将MOEMS归于MEMS范畴。微机电系统的应用一个完整的MEMS应包括微电源、微传感器、微执行器、分析控制电路和实体结构。包含以上五大结构的MEMS大部分还停留在研究阶段，真正进入市场的量MEMS的一些典型元件或构件，其主要问题是微电源和各种元件同外界接口技术问题及微细加工问题，然而这些问题并不难妨碍MEMS元件的应用。MEMS主要在汽车工业、军事领域、医学领域得到应用。汽车工业汽车工业已经成为MEMS的主要用户，尤其是智能汽车的发展，将与MEMS密不可分。各种各样的微传感器被用于环境和道路的检测，微执行器则按要求完成各项动作。概括来说，MEMS在汽车工业主要应用于安全系统、动力系统、舒适性和诊断等方面。军事领域MEMS在军事中的应用主要集中在导弹制导、微型飞行器等领域。由微加速度计和微陀螺构成的微惯性测量组合(MicroInertialMeasurementUnit,MIMU)远远优于常规导航系统，在导弹精确制导系统、发火控制系、固态电子引信系统和安全系统方面，有着极为广阔的应用前景。美国国防部通过对“21世纪的战略策略与相关技术”的专题研究，由美国国防部高级研究计划局(DefenceAdvancedResearchAgency.DARPA)牵头，将微型飞行器(MicroAirVehicle,MAV)作为一个重点发展项目。其基本用途在于军事侦察。小尺寸MAV灵活而易于隐蔽，同时也便于单兵携带和放飞，更适应现代复杂环境作战，跟踪尾随，化学或辐射等有害环境的救生定位等特殊任务。MAV属于一种军民两用的新型装备。目前MAV主要有微型固定翼飞行器、微型旋转飞行器和微型扑翼飞行器。引自《微机电系统（MEMS）原理、设计和分析》医学领域MEMS在医学领域中的应用主要集中在微创外科手术、药物定点输送、人造器官等方面。在微创外科手术中，内窥镜的应用十分广泛。医用无线内窥镜结合生物医学技术和MEMS技术，实现无创、微创，达到减小患者痛苦的效果。通过吞咽微传感器进入消化道，对食道、胃、肠进行特定位置的拍摄分析，完成对消化系统的检测，克服传统推进式内窥镜检测范围的缺点。日本在微创外科手术方面有关MEMS的研究走在世界前列，如日本东北大学、东京大学。我国的浙江大学也在研制能在胃肠中运动的微型机器人。由MEMS和药剂学、生物医学结合研制的药物定点输送系统，在医学中也有很大的应用前景。药物定点输送主要有两个功效：①直接将药物输送到病变位置，从而提高疗效、节约药量、减少药物负作用；②在药物到达病变位置时，通过检测病变处血液等样品参数，定时遥控释放药物，以达到最佳治疗目的。微机电系统的特点和研究领域同常规机电系统相比，MEMS具有如下特点：系统微型化。MEMS器件体积小、精度高、重量轻、惯性小、谐振频率高。MEMS器件的体积可小至亚微米级以下，尺寸精度可达到纳米量级，重量可轻到纳克，谐振频率可达上百千赫。制造材料性能稳定。MEMS器件的主要材料是硅。硅材料的机械、电子材料性能优越，强度、硬度和杨氏模量同铁相当，密度和导热性能类似于铝。批量生产成本低。MEMS器件适于大批量生产，成本低廉。MEMS能够采用与半导体制造工艺类似的方法，像超大规模集成电路芯片一样，可一次制成大量完全相同的零部件，制造成本显著降低。能耗低，灵敏性和工作效率高。完成相同工作，MEMS所耗能量仅为传统机械的十分之一或几十分之一，而动作速度及加速度却可达数十倍以上。由于MEMS几乎不存在信号延迟问题，因而更适合高速工作。、集成化程度高。在MEMS中，可以将不同功能、不同敏感方向的多个传感器、执行器集成在一起，可以形成阵列，也可以将多种功能器件集成在一起，形成复杂的多功能系统，以提高系统的可靠性和稳定性。特别是应用智能材料和智能结构后，更利于实现MEMS的多功能化和智能化。多学科交叉。MEMS技术包括电子、机械、微电子、材料、通信、控制、扫描隧道等工程技术学科，还包含物理、化学、生物、力学、光学、等基础学科。MEMS融合了当今科学技术的许多最新成果，通过微型化、集成化探索MEMS的新原理、新工艺，开辟新领域。鉴于MEMS的以上特点，同常规机电系统相比较，MEMS也存在以下几个问题：尺寸效应。当构件尺寸从1mm减小到1μm时，面积减小因子为10-6，而体积减小因子为10-9，这样正比于面积的作用力同正比于体积的作用力相比，增大了数千倍而成为MEMS的主要作用力。材料性能。在MEMS硅衬底上淀积有多种薄膜。这些膜的厚度从几十纳米到几十微米不等，加工方法也与常规方法不同，其机械性能和电性能同常规材料的性能存在差异，有些差别甚至更大。如何准确掌握薄膜的机械性能和电性能，对MEMS的性能分析是个关键。粘附问题。实验证明，微表面静止接触或两表面间隙处于纳米量级时，由于表面粘附力使两表面粘附在一起，这不仅使微器件的性能受到严重影响，甚至导致动作失效，而且在微构件的制造中，是造成废品的重要因素，并直接导致MEMS的一次成功率低，成本大。静电平衡问题。静电力作为MEMS的主要驱动力，在MEMS的研究中具有不可替代的作用。无限大平板电容表达式是目前计算MEMS静电力的主要方法，且已经被人们广为接受，然而随着MEMS的特征尺寸减小，极板电场又是非均匀的，MEMS极板模型已经不适合无限大平板电容模型。摩擦问题。静电微电机虽然已有十余年历史，但真正用到实际工程的微电机寥寥无几，其主要原因是转子同主轴间的粘附磨损使微电机很快失效。摩擦产生的原因分“犁沟效应”和“吸附效应”两部分。宏观摩擦主要表现为“犁沟效应”，随着尺寸减小，在微观领域，“犁沟效应”已退至次要地位，取而代之的是“吸附效应”。MEMS中，由于尺寸效应的的作用，摩擦力已成为MEMS必须考虑的作用力。检测问题。检测和传感是MEMS中不可缺少的组成部分，在人们有了对微观领域进行研究的工具后，人类才能有更深入的研究。在微观领域，要求测量仪器的尺寸小，而且不能因测量对 MEMS带来影响。另外，由于体积小和相对表面积大，易受环境影响，测试时对环境等有较高的要求。因此，对MEMS的材料特性和机械特性进行测量有很大难度。探索MEMS测量的新技术、新原理、新方法成为MEMS的研究的又一个重要的领域。薄膜应力问题。在微梁、片等硅表面淀积金属是MEMS加工的主要工艺，然而由于金属和硅的热膨胀系数不同，在微梁、片表面会产生残余应力，即薄膜应力，导致所加工的梁、片在未工作时即存在应力作用。薄膜应力和残余应力变形对MEMS的性能影响也很大。表面粗糙度的问题。目前MEMS工艺主要以微电子工艺和LIGA工艺为主。虽然经MEMS工艺加工的表面相对传统机械工艺要平整许多，但并非是完全平整的。本章小结对微型惯性测量组合(MIMU)的平面定位系统的研究是利用MIMU的各种优点，并通过单片机及计算机来实现对平面运动物体轨迹的精确跟踪、定位。可实现对其导航、控制，这对国计民生都有着重大意义。创新在于对系统进行算法编写和软件设计，并通过对加速度积分算法的分析,本文提出了一种基于相对加速度的积分方法，降低了系统的漂移；同时通过设定加速度的阀值和自动更新传感器的静态输出值的方法，进一步提高了系统的精度。微惯性测量组合微加速度计和微陀螺仪的工作原理微加速度计和微陀螺仪作为微惯性测量组合的重要组成部分，且是典型的微传感器，本节重点介绍微加速度计和微陀螺仪。微加速度计线微加速度计本节将介绍加速度计的工作原理。图2.1.1mamakcX图2.1.1根据牛顿第二定律，得到微分方程为，（1）式中：m、c、k分别为质量、阻尼系数和刚度，a为激励加速度，x为敏感质量块相对箱体的位移。式（1）进行零初始条件下的拉普拉斯变换，得，（2）以质量块对箱体的位移为输出变量，激励加速度a为输入变量，其传递函数为，（3），（4），（5）式中：、、分别为系统的固有频率和阻尼比。将包含有加速度计的箱体固定在载体上，通过检测敏感质量块在敏感轴上的相对位移，就可以间接测量出激励加速度值。对加速度进行一次积分可得出箱体的速度，二次积分后可得出箱体的运动位移。当系统处于稳态常加速度输入时，敏感质量块相对箱体的位移为，（6）由式（6）可知，敏感质量越大，刚度越小，系统的振动频率越低，敏感质量块的相对位移越大，加速度计的灵敏度越高。差动电容微加速度计差动电容加速度计在MEMS工程中很常见，其表头结构如图2.1.1图2.1.1当外界激励加速度为零时，质量块位于中央平衡位置，质量块的上、下表面与两电容极板分别构成电容C1、C2，则，（1）式中：A为极板面积。外界激励加速度a导致敏感质量块偏离平衡位置，向上移动x，如图2.6.1.2（2）所示，则C1、C2电容为，（3），（4）图2.1在MEMS实际工程中，x<<d0对式（2）和式（3）进行级数展开，得到差动电容为，（4）若忽略高阶小量，则得到差动电容为，（5）式（5）显示外界激励加速度a导致敏感质量块向上移动x的位移，可以转换为差动电容的变化。当系统处于稳态常加速度输入时，差动电容的变化量为，（6）不同激励加速度对应不同的差动电容变化量，通过检测差动电容的变化量就可以得到激励加速度的大小。系统灵敏度为，（7）差动电容微加速度计的灵敏度同平衡位置极板电容C0、间隙d0和固有谐振频率有关。极板电容C0越大，间隙d0越小，固有谐振频率越低，系统分辨率越高。激励加速度的最小分辨率为，（8）差动电容微加速度计的分辨率同平衡位置极板电容C0、间隙d0和固有谐振频率和电容检测能力有关。极板电容C0越大，间隙d0越小，固有谐振频率越低，系统分辨率越高。设极板电容间的电压为U，则电场能为，（9）极板电容间的电场力为，（10）当外界激励加速度a导致敏感质量块偏离平衡位置x时，敏感质量块受到的总电场力为，（11）敏感质量块受到的弹性力为，（12）为了实现质量块振动而不至于塌陷粘附在电容极板上，必须满足以下条件：，（12）即，（13）可见，通过减小系统刚度（降低系统固有频率）、增大极板电容C0、减小间隙d0，可以提高灵敏度和分辨率，但容易导致敏感质量块的塌陷粘附问题。“跷跷板”式微加速度计“跷跷板”式微加速度计又称为扭摆微加速度计(PendulousMicro-machinedSiliconAccelerometer,PMSA)。质量块分别位于支撑梁两边，其质量和惯性矩不相等。当存在激励加速度时，质量块将围绕支撑梁扭转，导致电容大小发生改变。通过测量电容的改变量，可以得到激励加速度的大小。敏感质量块输入加速度a产生惯性力矩，按照牛顿第二定律，得到摆角转动微分方程为，（1）式中，J、c、k分别为转动惯量、阻尼系数和扭转刚度，a为外界激励加速度，为激励加速度扭转加速度扭转系数，与扭摆大小有关，其扭矩为，（2）式中：为等效加速度。式（2）进行零初始条件下的拉普拉斯变换，得，（3）质量块的转角为输出变量，激励加速度a为输入变量，其传递函数为，（4）可见，不同的外界激励加速度a对应不同的转角，即通过测量转角，可以间接测量出外界激励加速度。系统的固有谐振频率和转角为，（5），（6）刚度越小，转动惯量越大，固有谐振频率越低，加速度计的灵敏度越高。图2.1.1图中，l、ω分别为支撑梁的长、宽，质量块的厚度为h。惯性扭矩产生的转角为，（7）式中：a为输入加速度，ρ为材料密度，β为与h/ω有关的因子，G为剪切模量，即，（7）其中：E为弹性模量，μ为泊松比。转角同支撑梁宽度的三次方成反比，与质量块的厚度无关。图2.1.1梳齿式微加速度计梳齿式微加速度计也称为叉指式微加速度计。在介绍梳齿式微加速度计之前，先介绍梳齿极板电力的计算。图2.1.1图2.1梳齿的有效宽度为a，有效长度为b，梳齿在z方向上的间距均为d0。为提高静电力，组成n组梳齿与静梳齿在x-y平面上的重合长度分别为l1(0<l1<b)，l2(0<l2<a)则总电容为，（1）当在丙梳齿中间施加电压U时，电场能量为，（2）则动梳齿和静梳齿之间的静电力为，（3），（4），（5）由上式可见，沿x、y方向的静电力同重合齿的长度无关。上式推导以无限大平等板电容器理论为基础，未考虑极板的边缘效应。世界上第一种用表面硅工艺大批量生产的加速度传感器ADXL50，由AnalogDevices公司和Siemens公司于1993年联合研制成功，用于汽车气囊保护系统。该传感器的量程为±50g，灵敏度为20mV/g，精度达到0.25%，工作温区为-55~125℃。采用与集成电路工艺兼容的表面微机械加工技术制造，微结构与信号处理电路集成在同一硅片上。整个传感器的尺寸为9.4mm*4.7mm，形状同电子元件，是真正廉价而高性能的现代传感器。微加速度计的研究方向微加速度计作为MEMS最早的产品，已经发展了许多年。在获得大量实验和理论基础的同时，还存在以下问题有待研究。频率响应特性的改善。频响范围过窄是现有微加速度传感器的一个重要问题。由于结构本身的原因，谐振频率一般只有几千赫兹，因而工作频带通常还不到1KHz，严重制约了应用范围。扩大带宽最根本的办法是提高谐振频率，这就需要提高弹性元件的刚度或减小惯性质量。但是这种方法势必导致灵敏度的下降。目前扩大带宽最常用的方法是使传感器工作在临界阻尼状态。由于谐振频率的制约，这种办法并不能大幅度扩展工作频带。改善频率响应特性仍是微加速度传感器研究的重要课题。阻尼控制。微加速度传感器大多工作在临界阻尼状态，对阻尼的控制显得格外重要。充油的方法已很少被采用，因有以下缺点：①产生附加质量，使频响范围变窄、灵敏度下降；②油的粘度较大，电容间隙必须做的较大，降低了灵敏度；③温度变化时，油的粘度随之改变而使阻尼发生变化。目前较常用的方法是降低封装气压和微结构的优化阻尼设计。前者给封装工艺带来很大麻烦，比较而言，后者是更好的办法。国外已尝试用电技术来控制阻尼。横向灵敏度的抑制。过高的横向灵敏度将产生较大的交叉耦合误差，严重影响了测量精度。横向灵敏度过高的主要原因有：①弹性元件（悬臂梁）的横向刚度不够；②敏感质量块和悬壁梁的质心不在同一个平面上；③敏感质量块的测量位移过大。目前抑制横向灵敏度的不要办法有以下几点：①工作方式选用静电力平衡式，但信号检测与处理电路复杂、频响范围更窄；②采用横向刚度高的结构，这种方法往往要增加悬壁梁的个数，使敏感轴方向的刚度也增大，致使灵敏度下降；③在固定电极上加较高的直流电压，提高微结构的电风刚度，但这样会降低灵敏度，并增加功耗；④使敏感质量块和悬壁梁的质心在同一个平面上，对于大多数立体硅工艺加速度传感器，这势必增加制作难度，而对薄膜结构几乎不可能做到这一点。所以，研究有效抑制横向灵敏度的方法仍是一个重要课题。温度漂移的抑制。产生温度漂移的原因有很多，主要有以下几点：①制作中的残余应力；②微结构由膨胀系数不同的材料构成；③微结构与基片的热膨胀系数不同；④电子元件的温度漂移。目前大多数用温度补偿电路来抑制温度漂移，也有通过改变微结构来改善温度漂移。电容式微加速度传感器的温度漂移低于压阻式。信号检测与处理电路。微加速度传感器的信号检测与处理电路比较复杂，一直是研究的重点。已经有多种电路面市，仅差动电容的信号检测电路就有不平衡电桥式、电流差动式、 PWM脉冲调宽式、开关电容运放式等。信号检测与处理电路正在朝着高精度、多功能、智能化的方向发展。封装。封装应牢固可靠，便于大批量生产，还要有保护作用，使内部元件免受外界环境的污染，并能承受一定的冲击，提供可靠的引线和安装方式。微加速度传感器的封装还要考虑：①为敏感元件提供临界阻尼：②组装产生的内应力对敏感元件的影响；③如果封装材料与敏感元件材料的热膨胀系数不同，就应考虑温度变化对敏感元件的影响。封装技术一直是微加速度传感器研究的难题，目前这方面的进展还很有限。有关硅电容式微加速度传感器的封装，现在大多采用“玻璃—硅—玻璃”阳极键合或“硅—硅—硅”直接键合的方式。这种方式能一次完成同一硅片上多个敏感元件的封装，生产效率很高。但键合要在高温下进行，只能用于热膨胀系数相近的材料之间的结合。阳极键合还需加高电压，动定电极间有强烈的静电引力，很可能使两块极板粘结，彻底损坏微结构。这种封装方式给结构设计和材料选用带来极大限制。ADXL系列产品用10个引脚的金属壳进行封闭，其外观和安装完全等同于电子器件。这种封装方式有很好的工作界面并且工艺成熟，应当是MEMS产品的发展方向。引自《微机电系统（MEMS）原理、设计和分析》微陀螺传感器微陀螺传感器也叫微陀螺仪(Microgyroscope)，是一种在硅微结构的微米技术基础上发展起来的一类技术难度较大的MEMS产品。所有微陀螺仪的工件原理是一样的：敏感元件（质量块或质量片）在激励模态下振动，沿垂直于振动方向的对称轴施加角速度，在哥氏惯性力的作用下，质量块将在三维空间的另一方向上以敏感模态的固有频率振动，幅度与角速度大小成正比，相位与角速度方向有关。由敏感模态的振动就可以知道角加速度。由微陀螺仪和微加速度计就可组成微机械惯性测量组合。微陀螺仪这种新技术大大拓宽了惯性测量在很多领域中的应用。它在军民两用方面的许多领域有着广阔的应用前景。如短时工作的战术导弹、智能弹药的制导系统、轻小型飞机的自动控制系统、雷达天线的稳定系统、与GPS全球定位系统组合构成高精度导航定位系统、微型卫星、汽车、工业机器人、油井钻探、摄影、录放设备、生物医学器械、儿童玩具以及消费类产品等。因此，微陀螺仪已经获得世界各国的普遍重视。在军事领域，可靠性高、体积小、抗恶劣环境能力强使得微陀螺仪能应用于战术导弹、炮弹和弹药的惯性导航系统，这样可以获得高的击中—杀伤比，避免了战役中的不必要的损失，而且可以进行远距离作战，减少伤亡。其中绝大部分靠传统的陀螺是无法满足的。因此，军事领域是微陀螺仪的一个主要应用领域。汽车领域也是微陀螺仪的一个主要应用领域。在刹车和防滑系统中，可应用微陀螺仪来测量车身的角速度这一必要信息。它还可应用于汽车的主要消振系统中的运动控制，以提高汽车的安全性和舒适性。微陀螺过数年的发展，已经形成了以调谐音叉、振动框架、振动梁和准振动盘为基础的许多典型方案。陀螺驱动将采用静电或压电的方法，并且采用电容、压阻或压电等方法来检测振动结构上哥氏力引起的振动。所以，根据激励与检测方法的不同，微机械陀螺仪按力学为数学模型具有不同的结构划分。刚体平动式微陀螺仪刚平动式微陀螺仪要有电磁激励、电容检测型，电磁激励、压阻检测型以及音叉式线振动陀螺。下面介绍各种微陀螺仪的工作原理。1.电磁激励、电容检测线振动微陀螺仪这种陀螺仪是由日本东北大学于1994年研制出来的，采用音叉式线振动结构。该陀螺仪采用电磁激励，省去了梳齿结构。该陀螺仪采用玻璃—硅—玻璃三层结构。音叉的两边通过挠性棒浮起来，硅层的上、下各有一层玻璃，永久磁铁粘贴在玻璃上，合理选择性使得两质量块分别处于方向相反的磁场中。两层玻璃上分别有金属电极用于感应质量片上、下振动。为了控制质量片在水平方向的振动，两质量块的外侧有谐振检测极。当电流按照规定的方向通过时，牌相反方向磁场中的两质量块受到相反的洛仑兹力FL，于是两质量块上下振动，振动的幅度正比于外加的解速率。2.电磁激励、压阻检测硅微机械音叉陀螺仪这种陀螺仪由瑞士Neuchatel大学的微技术研究所研制而成。它采用音叉结构，两个振动质量块由四根挠性梁桥型架悬浮起来，集中在外部悬架顶上粘贴于质量块上的四个“P”形压敏电阻器，接成惠斯通电桥，以检测由哥氏力产生的检测质量离开平面振动的陀螺效应。这种陀螺仪基于音叉原理，即通过在一个平面上作反向振动的两个叉指臂以及测量垂直平面的哥氏力而实现角速度检测工作。围绕平行于两个叉指臂轴的旋转，由哥氏力的作用产生一个平面的振动。两个叉指臂偏离平面的偏移量，导致哥氏力改变。哥氏力的大小（Fc）与叉臂的质量（m）、反相振动的速率（υ）及旋转的速率（Ω）有关。当一个AC电流i沿着放置在检测质量顶部的金属导体（长度L）流动时，这个电流与一个下次磁场B相互作用产生洛仑兹力，它的大小为，（1）激励电流线的“U”形设计形成一个反向振动力，引起共面谐振。3.音叉式线振动微陀螺仪这种类型的微陀螺有单片和双片两种，又可分为静电驱动、电容检测和静电驱动、电磁检测两种。单片微陀螺对线加速度是敏感的，相当于双片的一半，采用单晶硅梳状结构，产生静电力驱动音叉。谐振片通过八根挠性梁固定。支撑点将这个整体支撑起来，与下面的玻璃基片保持一定的间隙，两个质量块与其下面基片上的两个电极各形成一只电容。陀螺仪内部有四对梳子，连接在整体上的四个可动极板，另四个极板固定在基片上。该梳齿状结构是为保证加上驱动电压以后，谐振片受到的静电驱动力大小与驱动方向上的位移量无关。音叉设计本身是一平面设计，这种结构更容易优化。振动棒式微陀螺仪振动棒式微陀螺仪采用压电激励、电容检测方式。两个检测电极和一个谐振一个玻璃基片上，谐振棒一端固定。谐振棒下面的玻璃基片上刻了15μm深槽，以便玻璃基片的表面不影响棒的谐振。槽中蒸镀了一薄层铬金属，这样，铬层和谐振棒之间便形成了检测垂直幅度的电容器。通过检测电容值的变化，就可检测出棒在垂直方向的振幅。带有两个硅电极和谐振棒的玻璃基片粘贴在一个压电执行器上。当给执行器上施加交流电时（其频率等于谐振棒的固有频率），棒在x方向振动，振动幅度由棒的品质因素Q决定。如果沿z方向施加一角速度，哥氏力使得谐振棒在y方向同频率谐振，y方向的振动幅度正比于所施加的角速率。因此，通过检测棒和两个硅电极的电容变化，就可检测出角速率。这种陀螺的缺点是对加速度敏感，这是由于陀螺本身的结构设计造成的。改进的方法是采用更长的谐振棒，棒的两端固定，改换为电磁激励，谐振方向为水平方向等。微惯性测量组合微机电系统MEMS(MicroElectroMechanicalSystem)是时下一个十分活跃的研究领域，涉及多学科的交叉，在各工程学科都有它的身影，例如材料科学、生物科学、电子信息科学、机械科学等都有涉及。MEMS有着广泛的应用前景，在汽车工业、军事领域、生物医学、精密仪器、航天航空都有着很广阔的发展空间。由MEMS发展出来的微惯性测量组合(MicroInertialMeasurementUnit，MIMU)是微系统的一个重要分支，这一项新技术是一种自主式的惯性测量组合，具有很多优良特性，同时它体积小、精度高、隐蔽性好，在军事领域得到极为广泛的应用（如微型侦察机）。因此，微惯性测量组合是一项具有科学价值的研究，也是我国的一项重点研究项目。本文就是基于微惯性测量组合的平面定位技术的研究。随着惯性传感器的研制成功，微惯性测量组合(MIMU)的研究也取得了巨大的进步。基于MIMU的SINS/GPS组合导航系统也随之出现。美国于1995年初将其应用于海军的延长射程的5英寸制导炮弹上，取得了满意的效果。其陀螺的短期漂移稳定值为0.002°/s，加速度计的偏值稳定性为1mg。英国从20世纪90年代开始，为陆军和海军提供一种远程多用途尾翼稳定子母导弹。通过采用微惯性系统加GPS制导、火箭增程等技术，射程可达100km以上。这些组合系统采用的MIMU均是MIMU系列产品中的高端产品，性能优异，可以和常规的陀螺及加速度计相提并论，当然价格在 MIMU系列中也是较昂贵的。尽管如此，但是相对于采用常规陀螺及加速度计的系统来说，新系统不仅体积较小，能耗较低，性能差异不大，而且价格也偏低，属于低成本的系统。美国Draper实验室在1991年研制出一种用3个MEMS陀螺和3个MEMS加速度计组成的微型捷联式惯性导航系统样机，尺寸为2cm*2cm*2cm，质量仅为5g，陀螺漂移误差为10°/h。Draper实验室计划将漂移误差控制在1~10°/h，并瞄准0.5°/h的新目标。CISDraper实验室开发的火炮，由GPS和MEMS传感器构成测试制导系统。价值3万美元的导弹中，包括陀螺和加速度计构成的测试制导系统的费用为1000美元，如果采用MEMS器件只要20美元。美国模拟器件公司(AnalogDevicesInc.)日前推出了一种新的ADXL330惯性测量装置(IMU)，该方案可以为卡车车队、农业装备、商用飞机与小型飞机、舰艇、坦克以及其他依靠GPS卫星导航保持精确位置信息的交通工具中的GPS信号损失或感应信号奇异性进行补偿。ADXL330惯性测量装置将3轴角速度感知与3轴加速度感知相结合，提供6自由度运动感知、嵌入式校准与传感器处理、以及传感器—传感器交叉补偿，大大提高了信号稳定性（使用偏移稳定性为0.015°/s），体积小于1立方英寸。工厂校准与嵌入式轴交叉排列补偿，使设计人员即使不掌握传感器技能也可以迅速、高效地集成运动感知技术，为其应用增添一项全新的性能。微惯性测量组合的发展状况及其应用惯性测量组合技术已经在国外发展了30多年的历史，在西方国家，特别是美国，在MEMS技术的发展上一直保持领先地位，在微惯性测量技术以及惯性导航技术方面的发展尤为突出。MEMS技术的发展越来越成熟，基于MEMS技术已经制成了多种传感器，如能够测量运动物体的线加速度和角加速度的惯性测量元件(InertialMeasurementUnit，IMU)，即我们常说的加速度计和陀螺仪，也可称为MEMS-IMU。MEMS惯性传感器以其体积小、质量轻、成本低，在各项技术上的应用也占据绝对优势，不仅可以民用，在军事运用上也占据主导地位。美国防部的国家高级研究计划局(DARPA)以及其他各部门看好MEMS的发展前景，在MEMS的投资也逐渐增加，研制出各种低成本，高性能的产品。还有诸多类似的著名研究机构，如喷气推进实验室(JPL)、HONEYWELL、BEL公司，还有很多著名大学，如日本的东北大学、东京大学、中国的浙江大学、清华大学等研究中心都在MEMS惯性器件上开展了各种研究，随着时间的推移，对MEMS的研究也下走向成熟化，但是仍然还有很多问题需要解决。微型惯性测量组合的原理和结构微惯性测量组合由6个微传感器组成，主要包括3个单自由度的微陀螺仪和3个单自由度的微加速计。6个传感器分别安装在正方体的3个正交平面上，并保持传感器的敏感轴互相垂直，构成一个正交坐标系。实验时微型惯性组合得到的信号通过数据模块采集回来后，传递给计算机进行最终的运算处理，最终达到定位的目的。微惯性测量组合可以分为两种不同的结构，主要为平台式惯性导航系统和捷联式惯性导航系统（后面会详细介绍）。平台式惯性导航系统，就是将惯性导航组合装置安装在惯性平台上，而捷联式惯性导航系统则是将其直接安装在载体之上。后者的结构更为简单、体积更小、维护起来也方便的多。XXYZO加速度计陀螺仪陀螺仪加速度计陀螺仪加速度计图2.4微型惯性测量组合的原理图微惯性测量组合的关键技术与问题基本的坐标变换如图2.5yyy’y1xx’z1x1z’’zΨΦΦΓΨΓo图2.将惯性坐标系绕Oz轴旋转φ，得到一个新的坐标系Ox’y’z，，再继续绕Oz轴转动Ψ，再绕Ox1转动Г，最终得到Ox1y1z1，其中φ称作载体的航向角，Ψ称作载体的俯仰角，Г称作载体的滚动角。由坐标轴变换的方式，可以得出载体坐标系Ox1y1z1到惯性坐标系Oxyz的转换矩阵Lbp以上进行旋转的顺序是z-y-x，但实际上进行旋转的顺序的结果有12种，每种旋转方式对应不同的转换矩阵，求得矩阵Lbp后，就可以根据载体坐标系中测量出的结果进行运算，以求得相应的惯性坐标系中的比力，这样就可以实现定位计算了。姿态矩阵要把运载体上的信号转换为导航坐标系三轴的加速度信号，就要使用到坐标变换，而姿态矩阵可以用于坐标变换，以便进行导航参数的运算。另外，提取水平姿态角和航向角信息需要利用半途而废矩阵的元素。姿态矩阵涉及到多方面的内容，包括载体姿态的实时解算，“数学平台”的即时修正。姿态矩阵的算法有很多种，这也是捷联惯导系统的关键技术，会直接影响到结果的精度。目前常用的算法有方向余弦法、等效旋转矢量法、欧拉角法、四元数注等。欧拉角法、方向余弦法在捷联姿态计算中使用较少。捷联惯导系统中使用较多的要数四元数理论了，并且也得到了实际的应用。四元数由一个实数和三个虚数构成，是四维空间中的矢量，但是它里面的三个虚数又具有三维空间中矢量的性质，所以三维空间中的任何一个矢量，都可以当作四维空间中实部为零的四元数，这样的四元数叫做三维空间中的一个矢量在四维空间中的“映象”，这样我们就把三维空间和四维空间进行联系起来了。因此可以用四元数的性质和运算规律来研究三维空间中的定点转动等问题，这样可以减化运算，同时也保证了姿态矩阵的正交性，因而成为了一种普遍的算法。下面就介绍如何运用四元数来计算运动学方程。在刚体定点转动理论中，由欧拉定理可知，用四元数表示的载体坐标系相对于惯性坐标系的转动四元数与载体坐标系的转动角速度矢量Ω(t)之间的关系为，换作矩阵的形式就是：其中col表示列向量，mati表示逆矩阵，即以上就是用四元数表示的载体的姿态运动学方程，然后将联立微分方程：上述微分方程由于没有厅点，所以可以用来表述载体的所有姿态，它的约束方程为q02+q12+q22+q32=1。四元数方程运用在姿态运动学中的好处就是无需讨论奇异性的问题，因此大大减化了运算。用四元数表述的微分方程确定了以后，就可以在特定的条件下进行求解。求解的方法从原则上来说有两种，一种叫单步法，另外一种称之为多步法。单步法中运用最广的就是标准的四阶Rung-Kutta法，多步法一般运用四阶Adams法。误差及补偿惯性测量组合同样，和其他测量系统一样，存在着误差。虽然有很多的优越性，但是误差会随着时间而逐渐积累，这确成了惯导系统的最主要的缺点，主要原因是由于惯性传感器的误差引起的。惯性传感器的误差主要分为确定性和非确定性（随机性）误差两种。两种误差都会给结果造成一定程度的偏差，但是确定性误差的数值大小和变化的规律一般是有规律、系统性的，可以通过标定测试的方法来建立模型，以减小误差的积累。非确定性误差是无规律的，具有一定的偶发性，只有通过数理统计的方法统计出规律后，再利用滤波估计的方法加以补偿。在加速度计中，主要产生的误差有固定偏差、比例因子误差、随机误差等。这些误差可以使用各种方法来进行补偿，可以利用器件敏感地球引力加速度分量来调整器件的位置使加速度计尽可能相互正交进行补偿，也可以通过标定测试的方法建立模型加以补偿等等，从而提高系统的精度。而在陀螺仪一般会产生确定性漂移、常值漂移和随机漂移三个部分。确定性漂移具体细分又有静态误差和动态误差两种，静态误差主要是由载体线运动引起的，动态误差由载体的角运动引起的。因此确定性误差可以根据载体的线运动和角运动进行实时控制以补偿，这就需要建立陀螺仪的静态误差模型和动态误差模型编制成误差软件装入导航计算机。此外，这种方法也可以来补偿陀螺仪产生的刻度因素误差和温度误差。常值漂移一般是在实验中事先测试好后加以补偿。随机漂移的常值部分在同一次的启动中会保持为定值，在随机漂移中中较大的比例，所以要给陀螺仪测漂和补偿。经过分析可以知道，惯性传感器在动作过程中存在的随时间积累的误差，为了校正惯性系统，我们就要寻求一种不随时间而积累的信号，以抑制微惯性测量组合随时间的积累的误差。可以通过全球定位系统来测得用户的三维坐标、三维速度分量和精确定位，这是一种高精度的便于三维实时定位导航系统，因此，可以利用全球定位系统得到的信息作为外部测量输入，在运动过程中实时进行修正，就可以控制误差随时间的积累，这样就可以获得高精度的惯性测量精度了。本章小结MEMS是多种学科的交叉整合，应用领域极为广泛，在某种意义上，可认为是“信息带动工业化”的一个典范。作为信息获取关键的多种传感MEMS，已成功应用于汽车、电子等行业和军事领域、航空航天领域。MEMS以其微型化的优势，在家用电器等许多场合替代了传统的传感器，并促成许多新产品的诞生。在令人瞩目的信息技术和生命技术的发展中，MEMS光开关被认为是开启全光通信之门的钥匙，MEMS的RF开关将成为航天探测、微/纳卫星、微型飞行器和进入狭窄空间的微型机器人的重要物件，展示出诱人的应用前景。MEMS的发展将对人类生产和生活方式产生革命性的影响，成为关系到国民经济发展和国家安全保障的战略高技术。目前的MEMS就像是20世纪60年代末的集成电路，具有广阔的发展潜力。微惯性测量组合是一种基于MEMS的具有多样化特点的技术，利用其尺寸小的特点，可以代替过去相应的传统的复杂的机械电子装置，而且可以很大程度的提高相关产品的性能。微惯性测量组合所具有的许多特点和优点使其得到越来越广泛的应用，特别是在惯性导航、组合导航、制导系统等方面，从过去的发展来看，今后微型惯性测量组合将向芯片型的MEMSIMU和MEMSINS以及组合导航的方向发展。捷联惯导系统捷联惯导系统引言前面的章节已经多次提到捷联惯性导航系统，那么什么是捷联惯性导航系统呢？本章将会详细介绍捷联惯性导航系统的内容和特点及应用。捷联惯性导航系统(Strap-downInertialNavigationSystem,SINS)，就是将多个敏感性元件（传感器）直接安装在载体上，并相互正交，由这些传感器测量出载体的相对空间的沿载体坐标系三个线加速度的分量的三个转动角速度分量，经过计算而得到载体的位置和速度、航向和水平姿态等信息。这一技术被广泛应用于各行各业中，特别是在军事领域中应运极为广泛，这是一种先进的惯性导航技术，具有许多优良特性，如体积小、重量轻、成本低、可靠性高。迄今为止，捷联惯性导航系统的发展也越来越成熟，特别是在西方国家，如美国。我国如今也开始在这方面加大了投资。实现惯性导航的手段也是多种多样的，目前我国采用较多的一方式是采用冯·诺伊曼结构的通用微型处理器，这种处理器处理数据时速度较慢、而且体积大、功耗高、可靠性差、电路复杂，因此很难满足捷联惯性导航系统对微型化、实时性和高精度的要求。为了提高系统的精度和实时性，可以采取数字信号处理器(DSP)取代冯·诺伊曼结构的通用微型处理器，这种数字信号处理器性能优越，具有高速、稳定、全数字化的特点，而且具有改进的哈佛结构、先进的多总线和多级流水线机制、专用的硬件乘法器和高效的指令集系统，容易嵌入各种各样的信号渺小、信息融合算法，实时性高。微型捷联惯导系统的构成基于DSP的微型捷联式惯性导航系统主要由微型惯性测量组合（MIMU）和相应的数据处理电路构成。微惯性测量组合构成前端模拟信号输出系统，捷联惯导解算系统的硬件电路即为数据处理电路。系统构成方案如图3.1.2所示。这是一个嵌入式系统，在飞行器、船舶等各种移动平台都有应用。这里微惯性测量组合是系统非常重要的组成部分，可以对六维惯性参量进行数据采集，采用MEMS的工艺进行设计和封装，将微加速度计、微陀螺仪和执行电路进行集成，具有可靠性高、结构坚固、体积小、精度高、重量轻、能耗低、响应快等诸多优良特性，并且可以实时测量出载体各个方向的线加速度和角速度，通过计算后可以得出载体的位置、航向、姿态等信息。因而该系统是一个性能优越的嵌入式系统，采用浮点数字信号处理器进行运算和处理数据，实时性强、运算密集、精度高。微型惯性测量组微型惯性测量组捷联惯导实时解算加速度计陀螺仪载体加速度载体角速度数据处理模块时序控制模块数据采集模块串口通信模块姿态信息输出图3.1.2系统硬件和软件算法MIMUMIMU信号输出信号调理模块数据采集模块DSP姿态解算模块异步串行通信模块CPLD实现时序分配Flash实现程序存储PC机显示RS232图3.2系统硬件结构如图3.2所示，该方案具有以下优点：(1)使用性能优越的A/D转换芯片单独完成数据采集模块、数据缓冲模块和电压适配模块的功能，这样不但提高了系统的稳定性，而且减小了体积和功耗。(2)利用CPLD芯片完成对各模块的时序控制，以降低功耗，减少编程工作的复杂性，大大降低工作量。(3)采用功耗更低、容量更大、体积更小和编程方式更方便的Flash作为程序存储器。(4)电路设计要合理布局，优化电路走线方式，提高系统的稳定性，设计过程多方面进行考虑。前面的章节已经提到了姿态算法是系统的核心技术，并且讨论了各种姿态算法的特点，选用何种姿态算法更为合理，并介绍了四元数算法的计算方法，该算法相对方向余弦法减化了运算，同时也保证了姿态矩阵的正交性，克服了欧拉角方法奇异性的缺陷。通常采用四元数来表述姿态运动学方程，求解时则常用多阶的龙格库塔法，以便余求出适合求解的递推表达式。这样可以更好的处理数字信号处理器的计算。数据采集系统根据美国“联合制导攻击武器”JDAM(jointdirectattackmunition)性能指标和导航精度要求，可以估算出微惯性测量组合中微陀螺仪的主要性能要求：测量范围为±200°/s，零偏稳定性为0.0055°/s(即20°/h)，因此，为了设计出符合标准的数据采集系统，至少应该使用16位分辨率的ADC，因为相对于测量范围为±200°/s的陀螺仪来说，16位的ADC的量化分辨率可以达到0.006°/s。所以，能够满足惯性测量组合的数据采集系统要求的ADC中，16位已经是可供选择的具有较高分辨率的了。采用这样的ADC对加速度计进行数据采集时，若加速度计的测量范围为±5g，则量化分辨率可达0.15mg，这和硅微机械加速度计的性能相适应。惯性测量组合包含了6路惯性传感器输出，为了满足数据采集的要求，所设计的数据采集系统就应该有6个采集通道。一般有两种方法设计多路数据采集系统：一种是使用多路开关共享一个ADC，另一种是为每个通道都安装一个ADC。前者的优点是成本低，体积小，但是这会影响实验的精度，不断的切换多路开关，会造成采集到的6路信号在时间上错位，在某些环境下，比如高动态环境，存在这种现象的偏差就会导致严重的导航计算偏差。为了弥补这样的误差，就需要采用第二种方法，为每个通道都配置一个ADC，但是为了减小体积和功耗，应该选择使用小体积和低功耗的ADC。推荐使用ADI公司生产的AD7656，它配备有小体积A./D转换芯片，且功耗低，体积小，能够满足要求。此外，惯性测量组合除了要完成以上基本的任务外，还应该具备对传感器的误差进行补偿的功能，前面的章节已经讨论了如何对误差进行补偿；而且数据采集系统的串行通信接口能够输出6路的惯性传感器的数字化信息。MIMU中的数据采集系统的软件包括初始化(串口、定时器、I/O口和中断的初始化)、接收上位机命令、定时采样并读取A/D转换结果以及通过串口发送数据帧等模块。本章小结与平台系统相比，捷联系统有如下特点：（1）捷联系统敏感元件便于安装、维修和更换；（2）捷联系统敏感元件可以直接给出舰船坐标系的所有导航参数，提供给导航、稳定控制系统和武备