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行业资讯2021-07-13

MicroStrain MEMS惯性导航系统技术及其应用与展望

无人机、无人车、无人船、机器人等代表性无人系统的智能自主控制是当前自动控制领域的研究热点,更是提升无人系统自主性和智能化水平的核心技术。自主导航技术利用对应的自主导航系统获取无人系统自身的位置、速度及姿态信息,是实现无人系统智能自主控制不可少的一门技术保障。在无线电导航、地形匹配导航、惯性导航、卫星导航、磁导航及视觉导航等众多导航技术中,不需要依赖外界信息的惯性导航技术是目前实现无人系统自主导航的一种强有力技术手段。基于微机电系统(micro-electro-mechanical system, MEMS)惯性传感器的MEMS惯性导航技术是惯性导航技术的一个重要分支,其系统具有成本低、体积小、功耗低以及抗冲击强等优点。因此,针对MEMS惯性传感器及其导航技术的研究对无人系统自主导航技术的快速发展和满足其日益提升的应用需求有重要的支撑意义。

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1. MEMS惯性传感器

1.1 MEMS惯性传感器的分类

MEMS惯性传感器包括MEMS陀螺仪及MEMS加速度计,其分类有多种方式,根据精度由低到高其可分为消费级(零偏>100°/h)和战术级(零偏0.1°/h ~ 10°/h)。

根据感知角速度的方式,MEMS陀螺仪可以分为振动臂式、振动盘式和环形谐振式。振动臂式MEMS陀螺仪通过测量扭转振动幅度以及扭转振动相位来获取角速度,典型代表为3DM-GX5-45 GNSS辅助惯导系统。MEMS陀螺通过测量元件与底部之间电容量的变化来获取角速度,典型代表为MicroStrain的惯性测量单元。

根据感知加速度的方式,MEMS加速度计可分为位移式、谐振式和静电悬浮式。位移式MEMS加速度计通过检测电容变化来测量加速度大小,典型代表为MicroStrain公司的3DM-GX5-45。

根据传感原理,MEMS加速度计可分为压阻式、压电式和电容式3类。压阻式加速度计通过将相应悬臂梁上的电阻转化成电压输出,即可将加速度信息转变为电信号输出,具有体积小、加工工艺简单、精度高、响应速度快、抗电磁干扰强等优点。压电式MEMS加速度计通过测量内部压敏阻值变化与被测加速度的关系,从而推算出外界加速度,具有测量范围大、重量小、体积小、抗干扰能力强、结构简单和测量精度高的优点。电容式MEMS加速度计通过检测电容值的变化量,从而推算出外界加速度,具有测量精度高、灵敏度高、稳定性好、功耗低等优点。

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1. MEMS惯性传感器的发展概况

从MEMS惯性传感器与加速度计研制成功至今,伴随着MEMS技术的发展,MEMS惯性传感器与加速度计器件性能得到明显的提高。


2. MEMS惯性导航的关键技术

MEMS惯性导航系统软件设计方面主要是导航算法,包括初始对准、惯性解算及误差补偿等算法;其硬件设计方面主要包括电路及结构的设计、惯性导航传感器(陀螺仪、加速度计)及导航计算机的选择等。系统精度不仅与硬件相关,而且与软件有很大关系。在目前硬件加工技术发展较慢的前提下,系统中误差补偿算法尤为重要。对于导航精度要求较高的应用,由于系统具有长航时的特点,MEMS惯性导航误差易发散,多采用组合导航的方式来抑制惯性导航系统的误差发散。本节主要介绍MEMS惯性传感器的误差分析与补偿以及MEMS组合导航算法设计。


3. MEMS惯性传感器的误差分析与补偿

惯性传感器是惯性导航系统的核心组成,其精度决定了惯性导航系统的精度,所以惯性导航系统的一项主要工作就是将惯性传感器误差进行补偿。提高惯性导航系统精度的手段大致有以下两种,第一种是从工艺上提高惯性传感器的精度,但是此方法技术难度大,且对于加工条件、材料等要求高;第二种就是采用误差补偿方式来对于系统的误差进行补偿。

MEMS惯性传感器的误差分析与补偿方法大致分为3种:第一种是采用误差补偿算法的方式进行补偿,即将误差通过算法拟合方式进行补偿;第二种是采用旋转调制技术,将IMU(惯性测量单元)加上转动机构进行旋转,通过旋转来消除常值误差(称为旋转调制);第三种是采用Allan方差分析法,以补偿系统的随机误差。

4. 惯性传感器的温度误差补偿技术

温度所带来的惯性器件精度误差主要来自惯性器件本身对于温度的敏感程度以及温度梯度或者温度与温度梯度的交叉乘积项的影响。随着温度的变化,惯性器件的结构材料由于热胀冷缩会形成干扰力矩,因此需要对于惯性器件的温度特性进行研究,以获取温度对于惯性器件输出性能影响的规律,建立加速度计静态温度模型并且对因温度变化引起的误差进行补偿,是提高其精度的一种有效手段。

对陀螺仪及加速度计的静态温度模型进行拟合的方法一般采取最小二乘法,以此得到陀螺仪和加速度计的数学模型系数与温度的关系并建立静态温度误差补偿模型,从而提高器件精度。国内多家陀螺仪及加速度计生产单位均对温度误差补偿进行研究,使之较补偿前的产品静态误差减小了一个数量级。

5. 惯性传感器常值漂移误差的旋转调制技术

旋转调制技术起初应用于静电陀螺系统,通过壳体旋转来自动补偿漂移误差力矩。自激光陀螺面世以来,美国迅速开展了旋转式惯性导航系统的研究,1968年,有学者首次提出通过旋转IMU的方式来对惯性传感器的漂移误差进行补偿。

由于旋转的需要,导航系统采取捷联算法,从原理上来讲,MEMS惯性导航系统旋转调制可以有效抵消系统常值误差,系统的误差传播方程如下:


6. MEMS组合导航算法

MEMS惯性导航系统具有低成本、体积小、功耗低等优势。但是由于MEMS惯性器件精度较低,长时间使用会导致误差发散较快,不能担任长时间的导航任务,所以目前一般采用多传感器融合的方式来进行导航,即将MEMS惯性导航与其他导航方式进行融合,通过其他导航系统的导航信息辅助来修正惯性导航系统的误差,由此来提高整个导航系统的精度。若要进行多个导航系统的数据融合,则要使用滤波等方法。


7. MEMS惯性导航的应用

MEMS惯性导航技术以其体积小、功耗低、重量轻及低成本等特点在多种无人系统,如无人机、无人车、无人船及机器人等系统中得到普遍应用。


无人机领域

在近几年来,微小型无人机在军用以及民用领域内发挥着越来越重要的作用,而为了实现无人机自身的定位以及定位问题,航姿测控系统发挥着至关重要的作用。航姿测控系统主要由GPS天线、GPS接收板、捷联式磁传感器、惯性测量单元、高度空速传感器以及调理单元构成。传感器的精度直接决定无人机位姿的精度,传感器采集到的数据通过导航算法计算出无人机的位置姿态信息。目前无人机的导航主要采取将MEMS惯性导航系统与GPS组合的手段,这样既可以提高系统精度,又可以缩短初始对准的时间。


无人车领域

无人车是通过车载传感器来感知外界环境,并且获取车辆位置、姿态信息以及障碍物信息,从而控制车辆行驶速度、转向以及起停等。目前谷歌、百度等公司均在开展无人车的研制工作,并已经开展道路实验。当无人车行走到高大建筑物下,且GPS被遮挡而无法正常工作时,无人车上搭载的惯性导航系统短时间内的精度可以满足车辆自主前行的需求。无人车上的MEMS惯性导航系统,一般精度要求较高。


无人船领域

由于边境巡逻、水质勘探等任务所采取普通的舰船设备较为危险并且成本较高,致使无人船技术发展迅速。获取无人船位置姿态信息是无人船能够自主开展工作的重要前提。如今无人船上配备的传感器主要有GPS,MEMS惯性导航系统及避障雷达等。随着MEMS惯性导航系统精度的提高,惯性导航系统在无人船的位置姿态信息获取中发挥着至关重要的作用。无人船上搭载的MEMS惯性导航系统,一般消费级的中低精度即可满足需求。


机器人领域

移动机器人是一种可以自主在固定或时变环境中进行工作的自动化设备。近年来在服务业、家居、工业等领域应用广泛。轮式机器人在应用方面与无人车相似,均通过视觉相机、MEMS惯性传感器、激光雷达及里程计等传感器采集数据进行导航。国内高校也对轮式机器人较早开始研究工作。在采取惯性传感器与里程计的轮式机器人的导航过程中,MEMS惯性传感器提供精确的姿态角,而由于轮子打滑等对惯性导航以及里程计产生影响,现大多通过视觉里程计与MEMS惯性导航组合导航,通过扩展Kalman滤波算法来进行数据融合,从而提高系统精度。


其他领域

除了上述领域外,MEMS惯性传感器还在电子设备,如手机、平板电脑、游戏机、相机、VR眼镜以及用于室内定位的单兵导航。目前消防员在高楼灭火时以及行动不便的老人在家的人身安全问题是社会普遍关注的问题,如果将MEMS惯性导航系统放置在探测人员身上进行导航,则可以获得实时位置姿态信息,这样就可以提高被监视人员的安全系数。使用MEMS惯性导航系统进行室内人员定位办法大致有以下几种:一种是利用MEMS加速度计对人员步伐状态进行检测识别,再通过磁力计检测人员运动方向,由此来进行室内人员的定向定位。另外一种方法是采用两个或多个MEMS惯性导航系统,安装在人员脚部以及腰部位置,通过多个MEMS惯性导航系统修正方法来进行定位。


8. MEMS惯性导航的发展展望

MEMS惯性导航器件

近几年来,MEMS惯性传感器发展迅速,精度不断提高。虽然相比光纤陀螺、激光陀螺仍有很大差距,但是其价格低、体积小、重量轻,使MEMS惯性导航系统在惯性导航系统中发挥重要作用。未来随着MEMS材料工艺与制造工艺不断发展,MEMS惯性导航系统精度必将不断提高,其成本也将不断降低,因此采用战略级高精度MEMS陀螺仪取代光纤陀螺仪是一个重要发展趋势。随着微加工工艺的不断进步,MEMS惯性传感器将向着轻质、小型化方向发展。


MEMS组合导航算法

尽管MEMS惯性传感器精度在不断进步,但是战术级MEMS惯性导航系统误差随时间积累仍然发散较大,在很多场合还不能满足高精度的要求,故MEMS惯性导航与GPS组合导航仍然是主要导航方式。因此,研究精度以及效率更高、鲁棒性更强的算法,在软件方面给予组合导航系统支持也是重要的发展方向。


MEMS惯性导航的应用

在MEMS技术发展的数十年内,MEMS惯性导航技术在电子领域、汽车行业以及家居服务行业得到了广泛应用。随着MEMS惯性导航精度和稳定性不断提高,未来MEMS惯性导航技术必将在无人系统领域,如航天器、卫星、机器人等无人系统中,扮演重要的角色。


9. 结语

MEMS惯性导航技术具有小型化、低成本等优势,在过去数十年内得到了迅速发展,在无人系统领域内得到了越来越多的应用,其作为未来惯性导航的主要发展方向,正在展现出强大的潜力以及良好的应用前景。本文回顾了MEMS惯性导航系统发展历程,总结其关键技术,并对MEMS惯性导航技术的应用及发展进行展望,为MEMS惯性导航系统的研究提供参考。