深入剖析IMU慣性測(cè)量技術(shù)

隨著自動(dòng)駕駛技術(shù)越來(lái)多地被人們所提及，相關(guān)的技術(shù)也在不斷的發(fā)展，各類高精度定位、傳感等技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，而其中有一個(gè)冉冉升起的新星，那就是IMU技術(shù)。這個(gè)技術(shù)的出現(xiàn)彌補(bǔ)了GPS定位的不足，兩者相輔相成，可以讓自動(dòng)駕駛汽車獲得最準(zhǔn)確的定位信息。

其實(shí)別看IMU這個(gè)技術(shù)看上去比較陌生，其實(shí)我們每天使用的手機(jī)，出行會(huì)用到的汽車、飛機(jī)，甚至導(dǎo)彈、宇宙飛船都會(huì)使用到IMU，區(qū)別在于成本和精度。

IMU技術(shù)

我們駕駛汽車，按著GPS或北斗導(dǎo)航的指示行駛在陌生道路上，當(dāng)穿越隧道時(shí)導(dǎo)航系統(tǒng)依然可以為我們提供方向、速度、里程、時(shí)間等行駛數(shù)據(jù)，我們驚嘆于脫離了衛(wèi)星系統(tǒng)的信號(hào)接收，導(dǎo)航系統(tǒng)如何運(yùn)行？這就是慣性測(cè)量技術(shù)為我們續(xù)航。

IMU全稱inertial measurement unit，即慣性測(cè)量單元，它由三個(gè)單軸的加速度計(jì)和三個(gè)單軸的陀螺儀組成，加速度計(jì)檢測(cè)物體在載體坐標(biāo)系統(tǒng)獨(dú)立三軸的加速度信號(hào)，而陀螺儀檢測(cè)載體相對(duì)于導(dǎo)航坐標(biāo)系的角速度信號(hào)，對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行處理之后，便可解算出物體的姿態(tài)。

值得注意的是，IMU提供的是一個(gè)相對(duì)的定位信息，它的作用是測(cè)量相對(duì)于起點(diǎn)物體所運(yùn)動(dòng)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(dāng)在某些GPS信號(hào)微弱的地方時(shí)，IMU就可以發(fā)揮它的作用，可以讓汽車?yán)^續(xù)獲得絕對(duì)位置的信息，不至于“迷路”。

慣性技術(shù)是用來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)物體姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)軌跡控制的一門(mén)技術(shù)，它是慣性儀表、慣性穩(wěn)定、慣性系統(tǒng)、慣性制導(dǎo)和慣性測(cè)量等相關(guān)技術(shù)的總稱。慣性技術(shù)涉及物理、數(shù)學(xué)、力學(xué)、光學(xué)、材料學(xué)、機(jī)密機(jī)械學(xué)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、測(cè)量技術(shù)、仿真技術(shù)、加工制造及工藝技術(shù)等，是一門(mén)多學(xué)科交叉的技術(shù)。

主要研究慣性儀表和慣性系統(tǒng)的理論、設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)、應(yīng)用、維護(hù)，廣泛應(yīng)用于航空、航天、陸地導(dǎo)航和大地測(cè)量、鉆井開(kāi)隧道、地質(zhì)勘探、機(jī)器人、車輛、醫(yī)療設(shè)備等，以及照相機(jī)、手機(jī)、玩具等領(lǐng)域，總之，敏感物體的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和軌跡、定位和定向都少不了它。

慣性技術(shù)是現(xiàn)代精確導(dǎo)航、 制導(dǎo)與控制系統(tǒng)的核心信息源。。在構(gòu)建陸?？仗祀?（磁） 五維一體信息化體系中，在實(shí)現(xiàn)軍事裝備機(jī)械化與信息化復(fù)合式發(fā)展的進(jìn)程中， 慣性技術(shù)具有不可替代的關(guān)鍵支撐作用。

慣性導(dǎo)航技術(shù)的特點(diǎn)

與其他導(dǎo)航系統(tǒng)相比， 慣導(dǎo)系統(tǒng)同時(shí)具有信息全面、 完全自主、 高度隱蔽、 信息實(shí)時(shí)與連續(xù)， 且不受時(shí)間、 地域的限制和人為因素干擾等重要特性 （見(jiàn)表 1）， 可在空中、 水中、 地下等各種環(huán)境中正常工作。

在導(dǎo)彈、 火箭、 飛機(jī)等需要機(jī)動(dòng)、 高速運(yùn)行的運(yùn)載體的導(dǎo)航、 制導(dǎo)與控制 （Guidance navigation and control， GNC） 系統(tǒng)中， 慣性系統(tǒng)因其測(cè)量頻帶寬且數(shù)據(jù)頻率高 （可達(dá)數(shù)百赫茲以上）、 測(cè)量延時(shí)短 （可小于 1 ms）， 易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化， 成為 GNC 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)快速、精確制導(dǎo)與控制的核心信息源， 其性能對(duì)制導(dǎo)精度起著關(guān)鍵作用， 例如， 純慣性制導(dǎo)地地導(dǎo)彈命中精度的 70 % 以上取決于慣性系統(tǒng)的精度。

同時(shí)， 慣性技術(shù)還促進(jìn)了最優(yōu)濾波技術(shù)等先進(jìn)控制理論在工程中實(shí)際應(yīng)用。 作為發(fā)達(dá)國(guó)家嚴(yán)加封鎖的國(guó)防關(guān)鍵技術(shù)， 慣性技術(shù)是現(xiàn)代各類運(yùn)載體 GNC 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)， 是制導(dǎo)武器或武器平臺(tái)的支撐性關(guān)鍵技術(shù)。

除軍用以外， 目前慣性技術(shù)在民用領(lǐng)域也有大量應(yīng)用， 如大地測(cè)量、 石油鉆井、 隧道工程、 地質(zhì)勘探、 機(jī)器人、 智能交通、 醫(yī)療設(shè)備、 照相機(jī)、 手機(jī)、玩具等。因此凡是需要實(shí)時(shí)敏感或測(cè)量物體運(yùn)動(dòng)信息的場(chǎng)合， 慣性技術(shù)均可發(fā)揮重要作用。

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的主要不足是導(dǎo)航誤差會(huì)隨時(shí)間積累， 且成本相對(duì)較高。 隨著其他導(dǎo)航技術(shù)尤其是衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)， 如 GPS 技術(shù)的成熟和廣泛應(yīng)用， 研究人員曾擔(dān)心慣導(dǎo)技術(shù)未來(lái)的前景。

但是幾次高技術(shù)局部戰(zhàn)爭(zhēng)中， 電子戰(zhàn)、 導(dǎo)航戰(zhàn)、 體系化作戰(zhàn)模式的出現(xiàn)證明了幾乎僅有慣性導(dǎo)航系統(tǒng)都能在強(qiáng)電磁干擾的極端惡劣環(huán)境下持續(xù)、 穩(wěn)定地工作， 這進(jìn)一步強(qiáng)化了慣性系統(tǒng)在武器裝備中不可替代的地位。

慣性導(dǎo)航技術(shù)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(xiàn)狀而言，現(xiàn)有的慣性傳感器已經(jīng)可以滿足當(dāng)前各種不同導(dǎo)航任務(wù)的精度指標(biāo)要求。未來(lái)的主要目標(biāo)是降低器件的成本、體積/重量和功耗等，具體包括以下幾個(gè)方面：

① 材料和工藝：生產(chǎn)廠商采用低勞動(dòng)密集型生產(chǎn)模式和批量處理技術(shù)，選用硅片、石英、或結(jié)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(chǎn)品自身成本和操作維護(hù)費(fèi)用。由于大規(guī)模的批量生產(chǎn)，慣性傳感器成本在大幅下降。

③ 體積：慣性測(cè)量傳感器在不斷向輕量化、小型化、微型化方向發(fā)展；未來(lái)一些新型的慣性傳感器將無(wú)法用肉眼識(shí)別，如：NEMS（Nano—Electro—Mechanical System）和光學(xué)NEMS 。

④ 研究熱點(diǎn)：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(xué)傳感器上，尤其是對(duì)采用集成光學(xué)的FOG的研究。

⑤ 期望：在各個(gè)精度級(jí)別上，均能獲得尺寸小且價(jià)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(dǎo)航系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，慣性傳感器自身的成本、體積和功耗影響了慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的相應(yīng)參數(shù)指標(biāo)。因此，慣性測(cè)量傳感器的發(fā)展需要權(quán)衡以下幾個(gè)因素：精確性、連續(xù)性、可靠性、成本、體積/重量、功耗。

2、慣性導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展方向

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和發(fā)展需要考慮權(quán)衡的主要因素有：①必須針對(duì)并滿足應(yīng)用的需求，其中導(dǎo)航性能（尤其是精度）和價(jià)格成本是首要的兩個(gè)特性指標(biāo)。價(jià)格成本包含系統(tǒng)自身成本、維護(hù)成本和使用壽命

因此對(duì)于很多導(dǎo)航應(yīng)用，合理的價(jià)格仍然被置于應(yīng)用要求的最前面。導(dǎo)航性能包括：導(dǎo)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(hù)、系統(tǒng)的自主性等。②實(shí)際的應(yīng)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(huì)關(guān)系到慣性導(dǎo)航系統(tǒng)能否在具體的應(yīng)用環(huán)境中被采用。③提高慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的通用性，拓展應(yīng)用領(lǐng)域。

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：

（1）在無(wú)法接收GNSS信號(hào)或需要高度導(dǎo)航可靠性的應(yīng)用場(chǎng)合，高性能的自主INS仍具有不可替代的作用。

（2）GNSS技術(shù)的快速發(fā)展和進(jìn)步，將取代部分傳統(tǒng)的INS應(yīng)用領(lǐng)域。例如：Raytheon Anschütz采用GPS和固態(tài)速率傳感器研制的GPS羅經(jīng)，可以實(shí)現(xiàn)0．5°（RMS）的航向精度。上海交通大學(xué)導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制研究所研制GPS姿態(tài)測(cè)量?jī)x，在1m基線的情況下可獲得優(yōu)于0．2°的2-D姿態(tài)測(cè)量精度。

（3）INS與其他多種導(dǎo)航手段組合，尤其是GNSS／INS組合導(dǎo)航系統(tǒng) ，受到普遍關(guān)注。

（4）地面車輛導(dǎo)航等民用市場(chǎng)發(fā)展迅速，價(jià)格低廉的一體化、小型化、多模式組合導(dǎo)航設(shè)備成為市場(chǎng)發(fā)展的三個(gè)重要方向，這既是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展的機(jī)遇，也是挑戰(zhàn)。

（5）針對(duì)艦船導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(dǎo)航系統(tǒng)自身的集成度；使其具備與其他導(dǎo)航手段協(xié)同工作的組合導(dǎo)航模式，并且提供與艦船的其他操作控制或?qū)Ш皆O(shè)備靈活接口。

② 其次從降低系統(tǒng)成本角度考慮，很多學(xué)者嘗試采用中低精度的慣性測(cè)量傳感器或MEMS器件，通過(guò)改進(jìn)導(dǎo)航系統(tǒng)配置、與其他導(dǎo)航手段相結(jié)合來(lái)獲得令人滿意的精度指標(biāo)H 矧。

③ 需要指出的是：INS首先與GNSS組合，然后再結(jié)合聲納、圖像等其他導(dǎo)航手段組成艦船一體化組合導(dǎo)航系統(tǒng)，是最受關(guān)注的研究熱點(diǎn)和發(fā)展方向。

總之，在慣性器件研究方面，體積小且價(jià)格低廉的MEMS慣性傳感器，和高精度、高性能FOG在未來(lái)一段時(shí)間仍將是受關(guān)注的焦點(diǎn)。受現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)快速發(fā)展的影響，平臺(tái)式導(dǎo)航系統(tǒng)將被捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)所替代。

當(dāng)前，慣性技術(shù)已經(jīng)成為一國(guó)技術(shù)水平先進(jìn)性的重要標(biāo)志之一，其先進(jìn)程度和應(yīng)用水平關(guān)系到國(guó)家多個(gè)行業(yè)的信息化水平和自動(dòng)化控制水平。目前慣性技術(shù)正朝著小型化、數(shù)字化、智能化、低成本、高可靠性、多領(lǐng)域應(yīng)用的方向發(fā)展，新的應(yīng)用與產(chǎn)品正加速涌現(xiàn)。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)和技術(shù)水平的進(jìn)一步發(fā)展，未來(lái)慣性技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域也將持續(xù)擴(kuò)展。

編輯：jq