1、基于MEMS技术的捷联惯导系统现状 赵天贺 汪伟 军械工程学院 摘 要： 介绍了微机电 (MEMS) 技术的发展现状, 对由 MEMS传感器组成的惯性测量单元 (IMU) 及其构型特点做了概括, 并对捷联惯性导航系统 (SINS) 在实际生活中 的应用做了总结。 最后, 分析了MEMS技术与 SINS的不足, 并对发展方向做了进 一步展望。 关键词： MEMS; IMU; 姿态解算; 捷联惯导系统; 基金：国家自然科学基金 (51575523) 引言 SINS是一种不依赖外部信息, 也不向外辐射信息的自主式导航系统, 目前已被 广泛应用到航空、航天、制导导弹等多个领域, 其发展在一定程度上象征
2、着一个 国家武器装备的先进程度, 引起美国、英国、日本等国家的高度重视。 SINS由 IMU构成, IMU 由加速度计、 陀螺仪和磁力计组成。 传统 IMU由于体积大、 质量重、价格昂贵等缺点不能大量应用到实际生活中。随着 MEMS技术的兴起, MEMS传感器以其低成本、小尺寸、低功耗等优势开始逐渐被人们应用到 IMU领 域, 并进入了全面的发展阶段。 本文就MEMS技术在SINS领域应用的关键技术进行了基本介绍, 总结其存在的不 足, 并对基于 MEMS 技术的SINS发展进行了展望。 1 MEMS 传感器的发展现状 MEMS由半导体制导技术发展而来, 采用了类似集成电路技术制造微型器件或系
3、 统的手段1。MEMS 传感器种类繁多、应用广泛, 包括MEMS加速度计、MEMS陀 螺仪和MEMS磁力计。 1.1 MEMS 加速度计 MEMS加速度计是技术最成熟且市场化最成功的 MEMS传感器, 具有精度高、稳定 性好、 抗负载能力强、 体积小、 功耗低等优点2, 可用来测量物体的加速度, 可 用于测量人体动作、手机抗振防抖、捷联惯性导航等领域。目前市场上技术相对 成熟的MEMS加速度计有压电式、容感式、热感式三种。 图1 MEMS IMU 示意图 下载原图 美国亚诺德半导体公司研制开发的 ADXL206 双硅微加速度计, 具有量程大、 体积 小的特点;利顿公司设计的Si ACTM加速度
4、计, 采用双硅结构;德国利铁夫生产的 B-290 加速度计, 具有优良的零偏稳定性。以上三种传感器在导航和制导领域有 非常广泛的应用3。 1.2 MEMS 陀螺仪 MEMS陀螺仪用来测量角速度, 可灵敏感知角度变化, 是最初带动导航技术取得 革命性突破的关键。为达到微型化、低成本的目的, 美国研制出了第一个 MEMS 陀螺仪ADRXS。 随着MEMS技术的不断提高, MEMS陀螺仪的精度有了质的飞跃, 并 且抗过载能力差的缺点也得到了改善。市场上技术比较成熟的 MEMS 陀螺仪有 Inven Sense公司研制的MPU-330三轴高精度陀螺仪和Sensonor公司量产STM202 高精度MEM
5、S陀螺仪。 1.3 MEMS 磁力计 MEMS磁力计是一种微型化的电子罗盘, 用于测量地球各地磁场的变化, 新技术 下的该类传感器配合 MEMS加速度计和MEMS 陀螺仪可以构成9个自由度的模块, 在导航和制导技术中起到非常重要的作用4。2 mm2 mm1 mm 的 LIS3MDL是 目前最常用的磁力计之一5。 2 IMU构型的设计现状 IMU构型设计是 SINS 技术提升的一项关键, 根据不同设备在精度、成本、体积 及功能方面的不同要求, 需要采用不同的IMU 构型6, 目前提高IMU 精度是国 外研究的热门话题。9自由度MEMS IMU构型是一种精度较高且应用全面的构型 设计。但由于MEM
6、S 陀螺仪的技术问题, 仍存在抗过载能力达不到要求或灵敏度 差的缺点, 不断有学者提出无陀螺的 SINS构型。在应用过程中, 人们又提出了 将MEMS 磁场强度传感器与加速度计或者陀螺仪结合的构型方式。 2.1 9 自由度 IMU构型设计 9自由度IMU构型是目前应用最广泛、精度最的高构型设计之一, 由一个三轴 MEMS加速度计、一个三轴 MEMS 陀螺仪和一个三轴 MEMS磁力计组成。 图2所示是一种类型的 9自由度IMU, 通过加速度计与陀螺仪测得角速度、线加 速度数据, 由高速计算机积分获得精确的速度、角度以及位移信息, 并与MEMS 磁力计测量的磁场强度对比, 获得装备的位置信息和速度
7、信息7。 较之传统的电子罗盘、加速度计、陀螺仪组合的导航系统, 应用MEMS 技术组成 的9轴惯性测量元件不仅在寿命、精度、稳定性上有了提升, 还大大缩短了其体 积, 降低了生产成本, 为IMU在生活中的大量应用奠定了基础。 图2 9 自由度 IMU示意图 下载原图 2.2 基于 MEMS 加速度计的无陀螺 IMU 构型 生活中往往存在大过载、大加速度的场合, 在这种情况下, 陀螺仪存在反应迟 缓、 抗过载能力弱的缺点, 为解决这个问题, 开始有学者舍弃陀螺仪, 单纯利用 加速度计来设计构型。 目前存在的加速度计构型有六轴加速度计、 九轴加速度计、 十二轴加速度计等。 加速度计配置的 IMU通
8、过测得加速度数据, 并对测得的数据 采用积分等手段进行处理, 获得装备的位置、 姿态以及速度信息, 降低结果随时 间积累产生的误差, 是无陀螺捷联惯导技术发展的关键所在。Naseri H 通过对 误差分析, 进一步优化了解算结果8。Devyatisil A S 等人对无陀螺 IMU进行 设计, 对三轴加速度计测量结果进行运算和分析9。随着加速度计阵列在解算 精度和构型优化设计方法上的不断创新, 无陀螺 IMU会逐步由理论走向实际, 在生活中和军事上发挥更重要的作用10。 图3 4 个三轴加速度的配置方案 下载原图 2.3 其它组合构型设计 为降低单一传感器在姿态解算过程中所产生的误差, 完成特
9、定要求以达到工程 应用的目的, 不断有学者对 MEMS加速度计与 MEMS磁力计的配置方式进行改进, 从而更好地利用地球磁场以取代全球导航卫星系统 (GNSS) 在导航中发挥的作 用11。采用陀螺仪与磁力计的组合形式具有测量范围宽、动态范围宽等优点, 可以很好地适应弹上环境, 并且避免有加速度计的复杂运算过程。 加速度计与磁 力计的结合具有可靠性高、 反应灵敏的优点, 可以与GPS等卫星定位系统组合使 用。 3 IMU在惯性导航系统中的应用 惯性系统分为惯性导航系统和惯性制导系统两种12。 导航是对有人驾驶和控制 的运载体, 如舰船、飞机、车辆等提供运载体的即时速度、位置及航向等信息的 技术,
10、 以便引导运载体按预期轨迹驶向目的地。制导是对无人驾驶、自动控制的 运载体, 如导弹、火箭、鱼类、无人机等进行自动控制和引导, 使之按预期轨迹 运动到达目标的技术。 在实际应用中往往将 IMU与卫星定位系统组合或者应用有 磁场强度传感器的 IMU进行导航。在完成制导过程中应用的主要是后者。 3.1 IMU 与卫星定位系统的组合导航技术 GNSS主要包括美国的 GPS、俄罗斯的格洛纳斯、我国独立设计运行并开始正式向 亚太地区提供定位等服务的北斗二代和欧洲正处于研发实验阶段的伽利略系统 13。GNSS可以完成全天候、不受天气影响的高精度导航任务, 但是如果汽车、 舰艇等装载导航接收器的装备暴露在城
11、市高层、峡谷、桥洞以及森林树丛中时, 会出现卫星被遮挡的现象, 从而不满足4星定位的技术要求, 为更好解决这一 问题, 桂延宁等人提出将基于 MEMS技术的 SINS与GNSS结合的观点14。随着 MEMS技术水平的不断提高, IMU 体积越来越小, 精度越来越高。组合导航技术不 仅继承了GNSS技术精度、 导航误差不随时间积累的优点, 还可以通过 SINS技术 来弥补卫星被遮挡而造成误差的缺点。 目前, 组合导航技术的发展方向主要有两个方面。一方面, GNSS与 SINS独立工 作, SINS 进行装备的姿态信息测量及解算, GNSS 为惯性导航提供实时修正, 避 免惯性导航因为时间积累造成
12、过大的误差。 另一方面, 当卫星被遮挡时, 为避免 卫星数据被浪费, 通过 IMU SINS和GPS的信息融合, 实现GPS在单颗卫星情况 下的组合定位15。 3.1.1 SINS 和GNSS 独立工作的组合导航系统 SINS和GNSS独立工作的组合导航系统是目前比较成熟并且应用领域广泛的一种 方式, 其中 GNSS是以人造卫星的无线电导航系统为基础, 无论在任何位置、任 何时间, 也无论多么复杂的天气状况, 只要能同时观测到 4颗以上的卫星, 便 可得到精确的位置和速度信息, 并且精度不会因为时间的推移而发生变化16。 与此同时, SINS独立进行工作, 可以在GNSS 出现卫星数目不能满足
13、要求时继续 进行导航, 为解决 SINS存在误差随时间积累的不足, GNSS系统会周期性地对 SINS发送数据, 通过卡尔曼滤波技术对SINS得到的数据与接收的数据进行融合, 从而使导航系统能够在恶劣的环境下继续工作, 如图4所示。 图4 基于 MEMS的GPS/SINS 组合导航结构图 下载原图 3.1.2 SINS 和GNSS 信息融合的组合导航 传统GNSS 技术必须同时接收 4 颗以上卫星传递数据时才能进行实时导航, 当卫 星数目不能达到要求时, GNSS不能进行导航定位, 此时若单纯利用 SINS方式进行导航, GNSS 接收到的卫星信息则被白白浪费。Devyatisilnyi A
14、S 提出一种 MEMS INS/GPS 单星组合定位的方法, 利用MEMS SINS 在短时间获得的精确位置 姿态初数据和GPS在复杂环境下接收到的单颗卫星测量信息, 通过建立单星组 合定位的误差方程和建立卡尔曼滤波器的手段, 得到两种不同手段测量信息的 最优融合方式, 实现在只能观测到单颗卫星情况下的精确导航功能。 既节省了测 量信息, 同时, 提升了定位精度, 其基本原理如图5所示。 图5 MEMS INS/GPS 双星组合定位系统工作流程图 下载原图 3.2 单纯应用 SINS 的导航技术 与GNSS 组合的惯导系统在军用和民用领域应用非常广泛, 但是卫星导航系统在 军事领域的使用过程中
15、存在一定的局限性。GPS应用最为广泛且精度较高, 但主 要应用在民用领域, 在秘密武器的研制与使用过程中不宜过多采用 GPS。中国的 北斗导航系统, 技术手段还稍有欠缺。 这时, 具有高精度且仅需自身数据就能达 到一定精度要求的惯导系统就显得尤为重要。 制导弹药的精度已达到很高的水平, 但由于其体积和成本的制约, 仍然无法将 SINS普及到常规弹药中。随着科技的不断进步, 复杂的现代化战场更需要提升 常规弹药的射击精度, 地磁陀螺复合测姿系统误差补偿方法提出对常规弹药进 行改进, 在其上加装简易制导装置对弹丸的飞行弹道进行修正, 通过提升射击 精度来满足现代化战场对常规武器低成本、高精度的要求
16、17。 2013年, 由Choi M H 等人提出的基于9自由度 IMU的惯性测量系统, 利用高精 度的MEMS 加速度计与陀螺仪进行装备角速度和加速度的测量, 并通过高速计算 机进行解算, 获得其姿态、速度和位置信息。2015年, Ripka P等人又提出基于 MEMS技术的惯性/地磁组合导航方法, 这是一种通过惯导系统与地磁导航组合 的导航技术, 这种方式不只应用到了惯导系统, 还应用到了地磁导航系统18。 不同于SINS与GNSS 的组合导航方式, SINS 与地磁导航组合所需要的数据来源 于自身, 然后通过所得的磁场数据与提前存储在计算机中的磁场数据进行对比, 从而达到导航目的。 4
17、对MEMS SINS 系统的展望 4.1 MEMS 传感器 MEMS传感器技术的进步是 IMU取得突破的关键。 MEMS加速度计和MEMS 陀螺仪在 未来的发展中, 势必更趋于低成本、低功耗。MEMS加速度计不断向高精度、高 量程方向发展, 在结构设计上会不断创新。MEMS陀螺仪在提升稳定性, 提高抗 过载能力方面非常重要。随着应用领域的扩大与新技术的产生, 会进一步提升 MEMS传感器的发展空间。 4.2 构型设计 9自由度IMU构型是比较成熟、精度较高的构型之一, 将MEMS传感器焊接在电 路板上, 可以做成硬币大小, 且寿命长、性能稳定。纯 MEMS加速度计的传感器 阵列构型也是比较热门
18、的构型设计, 短时间内精度高、 反应灵敏, 但误差随时间 积累的问题亟待解决。为满足不同产品的特定要求, 各种构型设计方法层出不 求。随着这一领域的不断发展, 体积精度等方面会有更大的提升空间, 使SINS 的应用领域更加广泛。 4.3 实际应用 SINS技术最早应用于导航, 随着IMU的体积不断缩小、精度越来越高, SINS技 术功能越来越强大, 在武器装备的制导上起着关键性作用。 随着技术水平的完善, 人们逐步将SINS中的 IMU应用到盲人行走指示、机器人动态测试、无人机导航、 电子设备的防抖防振等领域19。 5 结束语 导航、制导的研究对于国防和军事具有非常重要的意义, 捷联惯导系统是
19、导航、 制导的最新研究方向。将 MEMS 传感器应用于捷联惯导系统, 大大减小了捷联惯 导的体积, 并节省了成本, 使捷联惯导系统在日常器件的位置姿态测量和常规 武器装备的精确打击目标成为现实20。本文通过对捷联惯导系统的组成结构、 应用领域做了详细介绍, 使读者对该技术有了更全面的认识和理解。 参考文献 1谷雨.MEMS技术现状与发展前景.电子工业专用设备, 2013 (8) 2陈勇华.微机电系统的研究与展望.电子机械工程, 2011, 27 (3) 3杜小菁, 翟峻仪.基于 MEMS 的微型惯性导航技术综述.飞航导弹, 2014 (9) 4马龙, 张锐, 苏志刚.磁强计辅助 MEMS惯性器
20、件的新型数据融合算法.计算 机测量与控制, 2014, 22 (8) 5磁力计, MEMS.意法半导体 (ST) 推出单片磁力计, 进一步扩大移动和消费 电子应用传感器产品组合.电子设计工程, 2013 (7) 6Sablin A V, Alekseev V E, Solovev A N.Parametric design and verification of inertial navigation systems.Russian Microelectronics, 2015, 12 (7) 7Choi M H, Porter R, Shirinzadeh B.Comparison of a
21、ttitude determination method dologies for implementation with 9DOF, low cost inertial measurement uint for autonomous aerial vehicles.Int J Intell Mechatron Robot, 2013, 3 (2) 8Nseeri H, Homaeinezhad M R.Improving measurement quality of a MEMS-based gyro-free inertial navigation system.Sensors and A
22、ctuators, 2014 (7) 9Devyatisil A S, Chislov K A.Model of an integrated inertial-satellite navigation system without gyroscopes.Measurement Techniques, 2016, 12 (13) 10Larin V B, Tunik A A.On inertial-navigation system without angular-rate sensors.International Applied Mechanics, 2013, 6 (4) 11龙礼, 张合
23、, 刘建敬.地磁陀螺复合测资系统误差补偿方法.火力与指挥控 制, 2014 (7) 12杨立溪.惯性导航与惯性制导.海陆空天惯性世界, 2014 (1) 13刘华, 刘彤, 张继伟.陆地车辆 GNSS/MEMS 惯性组合导航机体系约束算法研 究.北京理工大学学报, 2013, 33 (5) 14桂延宁, 杨艳, 成红涛, 等.基于MEMS惯性传感器和GPS接收机组合的高动 态弹道参数遥测系统.测试技术学报, 2014, 28 (1) 15Devyatisilnyi A S, Chislov K A.Integrated inertial-satellite navigation system
24、corrected with observations of a single star.Measurement Techniques, 2013, 7 (4) 16刘剑威, 徐国亮, 王海川.基于 MEMS器件的弹载组合导航技术.指挥控制与 仿真, 2015 (3) 17苑大威, 黄波, 刘伊华.基于 DSP的地磁陀螺组合测姿系统.兵工自动化, 2014 (2) 18Ripka P, Zikmund A.Precise magnetic sensors for navigation and prospection.Journal of Superconductivity Incorporating Novel Magnetism, 2015, 5 (3) 19Steven J D, Peter W G.Airborne vision-aided navigation using road intersection features.Journal of Intelligent and Robotic System, 2015, 5 (2) 20于华南, 张勇, 马小艳.制导弹药用 MEMS 惯性导航系统发展关键技术综述. 惯性技术发展动态发展方向研讨会会议文集, 2011
