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MEMS慣性測量單元在航空業中的重要意義
- 2019-07-04-

MEMS慣性測量單元是最早發明的導航系統之一。后來慣導系統通過集成在微型芯片上的原子陀螺儀、加速器和原子鐘精確測量載體平臺相對慣性空間的角速率和加速度信息,利用牛頓運動定律自動計算出載體平臺的瞬時速度、位置信息并為載體提供精確的授時服務。


MEMS慣性測量單元在當今社會中起到了很大的作用,不管是軍事用途還是民用發面,或是每個人的貼身用品里都離不開慣性導航、IMU等定位定姿的系統,從軍事角度出發飛機的航行導彈的飛行定位、潛艇的定位航行、汽車的無信號區導航、單兵系統的指示導航都離不開慣導系統的應用。

MEMS慣性測量單元也稱作慣性參考系統,是一種不依賴于外部信息、也不向外部輻射能量(如無線電導航那樣)的自立式導航系統。其作業環境不只包括空中、地上,還可以在水下。慣性導航的根本作業原理是以牛頓力學定律為根底,通過丈量載體在慣性參考系的加速度,將它對時間進行積分,且把它變換到導航坐標系中,就可以得到在導航坐標系中的速度、偏航角和方位等信息。慣性導航系統歸于計算導航方法,即從一已知點的方位根據接連測得的運動體航向角和速度計算出其下一點的方位,因而可接連測出運動體的當時方位。慣性導航系統中的陀螺儀用來形成一個導航坐標系,使加速度計的丈量軸穩定在該坐標系中,并給出航向和姿勢;加速度計用來丈量運動體的加速度,經過對時間的一次積分得到速度,速度再經過對時間的一次積分即可得到間隔。


慣性測量裝置,包括加速度計和陀螺儀,又稱慣性導航組合。前者是測量物體的加速度,后者又被叫做角速度傳感器,是測量角速度的。利用這些裝置的參數,計算并導航看起來似乎很簡單,但是由于采樣頻率一般很高(一秒內幾十甚至幾百次),所以累加起來誤差很容易擴大,所以長時間的導航仍然有很大的困難。


在失去位置的時候,導航軟件知道速度、車輛的位置、行駛路線等信息。結合加速度傳感器提供的加速度,可以根據二次積分的方式計算出加速度產生的位移,然后根據初始速度計算出速度產生的位移,進而推算出車輛最新的位置。這樣,在沒有GPS的情況下仍然可以繼續導航。


總結來看,MEMS慣性測量單元以其固有的獨立特性和無可替代的優勢,在GPS替補系統解決方案中占據重要地位,成為重點發展的核心部分。慣性技術無論對國防還是工業乃至個人消費品都發揮很大作用,對于高精度、微小型化和低成本的導航技術的需求與日俱增,體系化發展高精度慣性技術,加大對新興慣性技術的研發力度,促進產學研的有效銜接,對慣性技術的大步發展具有重要意義。


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