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無(wú)人機(jī)、無(wú)人車(chē)、無(wú)人船、機(jī)器人等代表性無(wú)人系統(tǒng)的智能自主控制是當(dāng)前自動(dòng)控制領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，更是提升無(wú)人系統(tǒng)自主性和智能化水平。自主導(dǎo)航技術(shù)利用對(duì)應(yīng)的自主導(dǎo)航系統(tǒng)獲取無(wú)人系統(tǒng)自身的位置、速度及姿態(tài)信息，是實(shí)現(xiàn)無(wú)人系統(tǒng)智能自主控制不可少的一門(mén)技術(shù)保障。在無(wú)線電導(dǎo)航、地形匹配導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航、磁導(dǎo)航及視覺(jué)導(dǎo)航等眾多導(dǎo)航技術(shù)中，不需要依賴(lài)外界信息的慣性導(dǎo)航技術(shù)是目前實(shí)現(xiàn)無(wú)人系統(tǒng)自主導(dǎo)航的一種強(qiáng)有力技術(shù)手段。基于微機(jī)電系統(tǒng)（micro-electro-mechanical system, MEMS）慣性傳感器的MEMS慣性導(dǎo)航技術(shù)是慣性導(dǎo)航技術(shù)的一個(gè)重要分支，其系統(tǒng)具有成本低、體積小、功耗低以及抗沖擊強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。因此，針對(duì)MEMS慣性傳感器及其導(dǎo)航技術(shù)的研究對(duì)無(wú)人系統(tǒng)自主導(dǎo)航技術(shù)的快速發(fā)展和滿(mǎn)足其日益提升的應(yīng)用需求有重要的支撐意義。

1. MEMS慣性傳感器

1.1 MEMS慣性傳感器的分類(lèi)

MEMS慣性傳感器包括MEMS陀螺儀及MEMS加速度計(jì)，其分類(lèi)有多種方式，根據(jù)精度由低到高其可分為消費(fèi)級(jí)（零偏>100°/h）和戰(zhàn)術(shù)級(jí)（零偏0.1°/h ~ 10°/h）。

根據(jù)感知角速度的方式，MEMS陀螺儀可以分為振動(dòng)臂式、振動(dòng)盤(pán)式和環(huán)形諧振式。振動(dòng)臂式MEMS陀螺儀通過(guò)測(cè)量扭轉(zhuǎn)振動(dòng)幅度以及扭轉(zhuǎn)振動(dòng)相位來(lái)獲取角速度，典型代表為3DM-GX5-45 GNSS輔助慣導(dǎo)系統(tǒng)。MEMS陀螺通過(guò)測(cè)量元件與底部之間電容量的變化來(lái)獲取角速度，典型代表為MicroStrain的慣性測(cè)量單元。

根據(jù)感知加速度的方式，MEMS加速度計(jì)可分為位移式、諧振式和靜電懸浮式。位移式MEMS加速度計(jì)通過(guò)檢測(cè)電容變化來(lái)測(cè)量加速度大小，典型代表為MicroStrain公司的3DM-GX5-45。

根據(jù)傳感原理，MEMS加速度計(jì)可分為壓阻式、壓電式和電容式3類(lèi)。壓阻式加速度計(jì)通過(guò)將相應(yīng)懸臂梁上的電阻轉(zhuǎn)化成電壓輸出，即可將加速度信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)輸出，具有體積小、加工工藝簡(jiǎn)單、精度高、響應(yīng)速度快、抗電磁干擾強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。壓電式MEMS加速度計(jì)通過(guò)測(cè)量?jī)?nèi)部壓敏阻值變化與被測(cè)加速度的關(guān)系，從而推算出外界加速度，具有測(cè)量范圍大、重量小、體積小、抗干擾能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和測(cè)量精度高的優(yōu)點(diǎn)。電容式MEMS加速度計(jì)通過(guò)檢測(cè)電容值的變化量，從而推算出外界加速度，具有測(cè)量精度高、靈敏度高、穩(wěn)定性好、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。

1. MEMS慣性傳感器的發(fā)展概況

從MEMS慣性傳感器與加速度計(jì)研制成功至今，伴隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，MEMS慣性傳感器與加速度計(jì)器件性能得到明顯的提高。

2. MEMS慣性導(dǎo)航的關(guān)鍵技術(shù)

MEMS慣性導(dǎo)航系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方面主要是導(dǎo)航算法，包括初始對(duì)準(zhǔn)、慣性解算及誤差補(bǔ)償?shù)人惴ǎ黄溆布O(shè)計(jì)方面主要包括電路及結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、慣性導(dǎo)航傳感器（陀螺儀、加速度計(jì)）及導(dǎo)航計(jì)算機(jī)的選擇等。系統(tǒng)精度不僅與硬件相關(guān)，而且與軟件有很大關(guān)系。在目前硬件加工技術(shù)發(fā)展較慢的前提下，系統(tǒng)中誤差補(bǔ)償算法尤為重要。對(duì)于導(dǎo)航精度要求較高的應(yīng)用，由于系統(tǒng)具有長(zhǎng)航時(shí)的特點(diǎn)，MEMS慣性導(dǎo)航誤差易發(fā)散，多采用組合導(dǎo)航的方式來(lái)抑制慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差發(fā)散。本節(jié)主要介紹MEMS慣性傳感器的誤差分析與補(bǔ)償以及MEMS組合導(dǎo)航算法設(shè)計(jì)。

3. MEMS慣性傳感器的誤差分析與補(bǔ)償

慣性傳感器是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的核心組成，其精度決定了慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的精度，所以慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的一項(xiàng)主要工作就是將慣性傳感器誤差進(jìn)行補(bǔ)償。提高慣性導(dǎo)航系統(tǒng)精度的手段大致有以下兩種，第一種是從工藝上提高慣性傳感器的精度，但是此方法技術(shù)難度大，且對(duì)于加工條件、材料等要求高；第二種就是采用誤差補(bǔ)償方式來(lái)對(duì)于系統(tǒng)的誤差進(jìn)行補(bǔ)償。

MEMS慣性傳感器的誤差分析與補(bǔ)償方法大致分為3種：第一種是采用誤差補(bǔ)償算法的方式進(jìn)行補(bǔ)償，即將誤差通過(guò)算法擬合方式進(jìn)行補(bǔ)償；第二種是采用旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)，將IMU（慣性測(cè)量單元）加上轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)來(lái)消除常值誤差（稱(chēng)為旋轉(zhuǎn)調(diào)制）；第三種是采用Allan方差分析法，以補(bǔ)償系統(tǒng)的隨機(jī)誤差。
 

4. 慣性傳感器的溫度誤差補(bǔ)償技術(shù)

溫度所帶來(lái)的慣性器件精度誤差主要來(lái)自慣性器件本身對(duì)于溫度的敏感程度以及溫度梯度或者溫度與溫度梯度的交叉乘積項(xiàng)的影響。隨著溫度的變化，慣性器件的結(jié)構(gòu)材料由于熱脹冷縮會(huì)形成干擾力矩，因此需要對(duì)于慣性器件的溫度特性進(jìn)行研究，以獲取溫度對(duì)于慣性器件輸出性能影響的規(guī)律，建立加速度計(jì)靜態(tài)溫度模型并且對(duì)因溫度變化引起的誤差進(jìn)行補(bǔ)償，是提高其精度的一種有效手段。

對(duì)陀螺儀及加速度計(jì)的靜態(tài)溫度模型進(jìn)行擬合的方法一般采取最小二乘法，以此得到陀螺儀和加速度計(jì)的數(shù)學(xué)模型系數(shù)與溫度的關(guān)系并建立靜態(tài)溫度誤差補(bǔ)償模型，從而提高器件精度。國(guó)內(nèi)多家陀螺儀及加速度計(jì)生產(chǎn)單位均對(duì)溫度誤差補(bǔ)償進(jìn)行研究，使之較補(bǔ)償前的產(chǎn)品靜態(tài)誤差減小了一個(gè)數(shù)量級(jí)。
 

5. 慣性傳感器常值漂移誤差的旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)

旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)起初應(yīng)用于靜電陀螺系統(tǒng)，通過(guò)殼體旋轉(zhuǎn)來(lái)自動(dòng)補(bǔ)償漂移誤差力矩。自激光陀螺面世以來(lái)，美國(guó)迅速開(kāi)展了旋轉(zhuǎn)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的研究，1968年，有學(xué)者提出通過(guò)旋轉(zhuǎn)IMU的方式來(lái)對(duì)慣性傳感器的漂移誤差進(jìn)行補(bǔ)償。

由于旋轉(zhuǎn)的需要，導(dǎo)航系統(tǒng)采取捷聯(lián)算法，從原理上來(lái)講，MEMS慣性導(dǎo)航系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)調(diào)制可以有效抵消系統(tǒng)常值誤差，系統(tǒng)的誤差傳播方程如下：

6. MEMS組合導(dǎo)航算法

MEMS慣性導(dǎo)航系統(tǒng)具有低成本、體積小、功耗低等優(yōu)勢(shì)。但是由于MEMS慣性器件精度較低，長(zhǎng)時(shí)間使用會(huì)導(dǎo)致誤差發(fā)散較快，不能擔(dān)任長(zhǎng)時(shí)間的導(dǎo)航任務(wù)，所以目前一般采用多傳感器融合的方式來(lái)進(jìn)行導(dǎo)航，即將MEMS慣性導(dǎo)航與其他導(dǎo)航方式進(jìn)行融合，通過(guò)其他導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航信息輔助來(lái)修正慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差，由此來(lái)提高整個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)的精度。若要進(jìn)行多個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合，則要使用濾波等方法。

7. MEMS慣性導(dǎo)航的應(yīng)用

MEMS慣性導(dǎo)航技術(shù)以其體積小、功耗低、重量輕及低成本等特點(diǎn)在多種無(wú)人系統(tǒng)，如無(wú)人機(jī)、無(wú)人車(chē)、無(wú)人船及機(jī)器人等系統(tǒng)中得到普遍應(yīng)用。

無(wú)人機(jī)領(lǐng)域

在近幾年來(lái)，微小型無(wú)人機(jī)在軍用以及民用領(lǐng)域內(nèi)發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，而為了實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)自身的定位以及定位問(wèn)題，航姿測(cè)控系統(tǒng)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。航姿測(cè)控系統(tǒng)主要由GPS天線、GPS接收板、捷聯(lián)式磁傳感器、慣性測(cè)量單元、高度空速傳感器以及調(diào)理單元構(gòu)成。傳感器的精度直接決定無(wú)人機(jī)位姿的精度,傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)導(dǎo)航算法計(jì)算出無(wú)人機(jī)的位置姿態(tài)信息。目前無(wú)人機(jī)的導(dǎo)航主要采取將MEMS慣性導(dǎo)航系統(tǒng)與GPS組合的手段，這樣既可以提高系統(tǒng)精度，又可以縮短初始對(duì)準(zhǔn)的時(shí)間。

無(wú)人車(chē)領(lǐng)域

無(wú)人車(chē)是通過(guò)車(chē)載傳感器來(lái)感知外界環(huán)境，并且獲取車(chē)輛位置、姿態(tài)信息以及障礙物信息，從而控制車(chē)輛行駛速度、轉(zhuǎn)向以及起停等。目前谷歌、百度等公司均在開(kāi)展無(wú)人車(chē)的研制工作，并已經(jīng)開(kāi)展道路實(shí)驗(yàn)。當(dāng)無(wú)人車(chē)行走到高大建筑物下，且GPS被遮擋而無(wú)法正常工作時(shí)，無(wú)人車(chē)上搭載的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)短時(shí)間內(nèi)的精度可以滿(mǎn)足車(chē)輛自主前行的需求。無(wú)人車(chē)上的MEMS慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，一般精度要求較高。

無(wú)人船領(lǐng)域

由于邊境巡邏、水質(zhì)勘探等任務(wù)所采取普通的艦船設(shè)備較為危險(xiǎn)并且成本較高，致使無(wú)人船技術(shù)發(fā)展迅速。獲取無(wú)人船位置姿態(tài)信息是無(wú)人船能夠自主開(kāi)展工作的重要前提。如今無(wú)人船上配備的傳感器主要有GPS，MEMS慣性導(dǎo)航系統(tǒng)及避障雷達(dá)等。隨著MEMS慣性導(dǎo)航系統(tǒng)精度的提高，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在無(wú)人船的位置姿態(tài)信息獲取中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。無(wú)人船上搭載的MEMS慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，一般消費(fèi)級(jí)的中低精度即可滿(mǎn)足需求。

機(jī)器人領(lǐng)域

移動(dòng)機(jī)器人是一種可以自主在固定或時(shí)變環(huán)境中進(jìn)行工作的自動(dòng)化設(shè)備。近年來(lái)在服務(wù)業(yè)、家居、工業(yè)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。輪式機(jī)器人在應(yīng)用方面與無(wú)人車(chē)相似，均通過(guò)視覺(jué)相機(jī)、MEMS慣性傳感器、激光雷達(dá)及里程計(jì)等傳感器采集數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)航。國(guó)內(nèi)高校也對(duì)輪式機(jī)器人較早開(kāi)始研究工作。在采取慣性傳感器與里程計(jì)的輪式機(jī)器人的導(dǎo)航過(guò)程中，MEMS慣性傳感器提供精確的姿態(tài)角，而由于輪子打滑等對(duì)慣性導(dǎo)航以及里程計(jì)產(chǎn)生影響，現(xiàn)大多通過(guò)視覺(jué)里程計(jì)與MEMS慣性導(dǎo)航組合導(dǎo)航，通過(guò)擴(kuò)展Kalman濾波算法來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，從而提高系統(tǒng)精度。

其他領(lǐng)域

除了上述領(lǐng)域外，MEMS慣性傳感器還在電子設(shè)備，如手機(jī)、平板電腦、游戲機(jī)、相機(jī)、VR眼鏡以及用于室內(nèi)定位的單兵導(dǎo)航。目前消防員在高樓滅火時(shí)以及行動(dòng)不便的老人在家的人身安全問(wèn)題是社會(huì)普遍關(guān)注的問(wèn)題，如果將MEMS慣性導(dǎo)航系統(tǒng)放置在探測(cè)人員身上進(jìn)行導(dǎo)航，則可以獲得實(shí)時(shí)位置姿態(tài)信息，這樣就可以提高被監(jiān)視人員的安全系數(shù)。使用MEMS慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行室內(nèi)人員定位辦法大致有以下幾種：一種是利用MEMS加速度計(jì)對(duì)人員步伐狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)識(shí)別，再通過(guò)磁力計(jì)檢測(cè)人員運(yùn)動(dòng)方向，由此來(lái)進(jìn)行室內(nèi)人員的定向定位。另外一種方法是采用兩個(gè)或多個(gè)MEMS慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，安裝在人員腳部以及腰部位置，通過(guò)多個(gè)MEMS慣性導(dǎo)航系統(tǒng)修正方法來(lái)進(jìn)行定位。

8. MEMS慣性導(dǎo)航的發(fā)展展望

MEMS慣性導(dǎo)航器件

近幾年來(lái)，MEMS慣性傳感器發(fā)展迅速，精度不斷提高。雖然相比光纖陀螺、激光陀螺仍有很大差距，但是其價(jià)格低、體積小、重量輕，使MEMS慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。未來(lái)隨著MEMS材料工藝與制造工藝不斷發(fā)展，MEMS慣性導(dǎo)航系統(tǒng)精度必將不斷提高，其成本也將不斷降低，因此采用戰(zhàn)略級(jí)高精度MEMS陀螺儀取代光纖陀螺儀是一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)。隨著微加工工藝的不斷進(jìn)步，MEMS慣性傳感器將向著輕質(zhì)、小型化方向發(fā)展。

MEMS組合導(dǎo)航算法

盡管MEMS慣性傳感器精度在不斷進(jìn)步，但是戰(zhàn)術(shù)級(jí)MEMS慣性導(dǎo)航系統(tǒng)誤差隨時(shí)間積累仍然發(fā)散較大，在很多場(chǎng)合還不能滿(mǎn)足高精度的要求，故MEMS慣性導(dǎo)航與GPS組合導(dǎo)航仍然是主要導(dǎo)航方式。因此，研究精度以及效率更高、魯棒性更強(qiáng)的算法，在軟件方面給予組合導(dǎo)航系統(tǒng)支持也是重要的發(fā)展方向。

MEMS慣性導(dǎo)航的應(yīng)用

在MEMS技術(shù)發(fā)展的數(shù)十年內(nèi)，MEMS慣性導(dǎo)航技術(shù)在電子領(lǐng)域、汽車(chē)行業(yè)以及家居服務(wù)行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。隨著MEMS慣性導(dǎo)航精度和穩(wěn)定性不斷提高，未來(lái)MEMS慣性導(dǎo)航技術(shù)必將在無(wú)人系統(tǒng)領(lǐng)域，如航天器、衛(wèi)星、機(jī)器人等無(wú)人系統(tǒng)中，扮演重要的角色。

9. 結(jié)語(yǔ)

MEMS慣性導(dǎo)航技術(shù)具有小型化、低成本等優(yōu)勢(shì)，在過(guò)去數(shù)十年內(nèi)得到了迅速發(fā)展，在無(wú)人系統(tǒng)領(lǐng)域內(nèi)得到了越來(lái)越多的應(yīng)用，其作為未來(lái)慣性導(dǎo)航的主要發(fā)展方向，正在展現(xiàn)出強(qiáng)大的潛力以及良好的應(yīng)用前景。本文回顧了MEMS慣性導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展歷程，總結(jié)其關(guān)鍵技術(shù)，并對(duì)MEMS慣性導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展進(jìn)行展望，為MEMS慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的研究提供參考。