IMU惯性测量技术
发布日期：2021-09-22
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作者：Li
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随着三维激光扫描技术越来多地被人们所提及，相关的技术也在不断的发展，各类高精度定位、传感等技术得到了长足的发展，而其中有一个冉冉升起的新星，那就是IMU技术。这个技术的出现弥补了GPS定位的不足，两者相辅相成，可以让搬站式三维激光及移动扫描获得最准确的定位信息。

其实别看IMU这个技术看上去比较陌生，其实我们每天使用的手机，出行会用到的汽车、飞机，甚至导弹、宇宙飞船都会使用到IMU，区别在于成本和精度。


IMU技术


我们驾驶汽车，按着GPS或北斗导航的指示行驶在陌生道路上，当穿越隧道时导航系统依然可以为我们提供方向、速度、里程、时间等行驶数据，我们惊叹于脱离了卫星系统的信号接收，导航系统如何运行？这就是惯性测量技术为我们续航。

IMU全称inertial measurement unit，即惯性测量单元，它由三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺仪组成，加速度计检测物体在载体坐标系统独立三轴的加速度信号，而陀螺仪检测载体相对于导航坐标系的角速度信号，对这些信号进行处理之后，便可解算出物体的姿态。

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值得注意的是，IMU提供的是一个相对的定位信息，它的作用是测量相对于起点物体所运动的路线，所以它并不能提供你所在的具体位置的信息，因此，它常常和GPS一起使用，当在某些GPS信号微弱的地方时，IMU就可以发挥它的作用，可以让汽车继续获得绝对位置的信息，不至于“迷路”。


惯性技术是用来实现运动物体姿态和运动轨迹控制的一门技术，它是惯性仪表、惯性稳定、惯性系统、惯性制导和惯性测量等相关技术的总称。惯性技术涉及物理、数学、力学、光学、材料学、机密机械学、电子技术、计算机技术、控制技术、测量技术、仿真技术、加工制造及工艺技术等，是一门多学科交叉的技术，主要研究惯性仪表和惯性系统的理论、设计、制造、试验、应用、维护，广泛应用于航空、航天、陆地导航和大地测量、钻井开隧道、地质勘探、机器人、车辆、医疗设备等，以及照相机、手机、玩具等领域，总之，敏感物体的运动姿态和轨迹、定位和定向都少不了它。


惯性技术是现代精确导航、 制导与控制系统的核心信息源.。在构建陆海空天电 (磁) 五维一体信息化体系中，在实现军事装备机械化与信息化复合式发展的进程中, 惯性技术具有不可替代的关键支撑作用。


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惯性导航技术的特点 


与其他导航系统相比, 惯导系统同时具有信息全面、 完全自主、 高度隐蔽、 信息实时与连续, 且不受时间、 地域的限制和人为因素干扰等重要特性 (见表 1), 可在空中、 水中、 地下等各种环境中正常工作。


在导弹、 火箭、 飞机等需要机动、 高速运行的运载体的导航、 制导与控制 (Guidance navigation and control, GNC) 系统中, 惯性系统因其测量频带宽且数据频率高 (可达数百赫兹以上)、 测量延时短 (可小于 1 ms), 易于实现数字化, 成为 GNC 系统实现快速、精确制导与控制的核心信息源, 其性能对制导精度起着关键作用, 例如, 纯惯性制导地地导弹命中精度的 70 % 以上取决于惯性系统的精度。


同时, 惯性技术还促进了最优滤波技术等先进控制理论在工程中实际应用. 作为发达国家严加封锁的国防关键技术, 惯性技术是现代各类运载体 GNC 系统功能实现的基础, 是制导武器或武器平台的支撑性关键技术。


除军用以外, 目前惯性技术在民用领域也有大量应用, 如大地测量、 石油钻井、 隧道工程、 地质勘探、 机器人、 智能交通、 医疗设备、 照相机、 手机、玩具等。因此凡是需要实时敏感或测量物体运动信息的场合, 惯性技术均可发挥重要作用。

惯性导航系统的主要不足是导航误差会随时间积累, 且成本相对较高. 随着其他导航技术尤其是卫星导航技术, 如 GPS 技术的成熟和广泛应用, 研究人员曾担心惯导技术未来的前景。


但是几次高技术局部战争中, 电子战、 导航战、 体系化作战模式的出现证明了几乎仅有惯性导航系统都能在强电磁干扰的极端恶劣环境下持续、 稳定地工作, 这进一步强化了惯性系统在武器装备中不可替代的地位。

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惯性导航技术的发展前景


1、惯性传感器的发展前景


就全球发展现状而言，现有的惯性传感器已经可以满足当前各种不同导航任务的精度指标要求。未来的主要目标是降低器件的成本、体积/重量和功耗等，具体包括以下几个方面:


① 材料和工艺：生产厂商采用低劳动密集型生产模式和批量处理技术，选用硅片、石英、或结合光电材料(如铌酸锂)等新型材料，制造惯性传感器。


② 成本：包括产品自身成本和操作维护费用。由于大规模的批量生产，惯性传感器成本在大幅下降。


③ 体积：惯性测量传感器在不断向轻量化、小型化、微型化方向发展；未来一些新型的惯性传感器将无法用肉眼识别，如：NEMS(Nano—Electro—Mechanical System)和光学NEMS 。


④ 研究热点：一方面集中在小型化MEMS惯性器件的性能提高和有效封装上，另一方面集中在光学传感器上，尤其是对采用集成光学的FOG的研究。


⑤ 期望：在各个精度级别上，均能获得尺寸小且价格低廉的惯性传感器。


惯性传感器的发展情况直接决定了惯性导航系统的开发和应用，惯性传感器自身的成本、体积和功耗影响了惯性导航系统的相应参数指标。因此，惯性测量传感器的发展需要权衡以下几个因素：精确性、连续性、可靠性、成本、体积/重量、功耗。


2、惯性导航技术的发展方向


惯性导航系统的设计和发展需要考虑权衡的主要因素有：①必须针对并满足应用的需求，其中导航性能(尤其是精度)和价格成本是首要的两个特性指标。价格成本包含系统自身成本、维护成本和使用寿命。因此对于很多导航应用，合理的价格仍然被置于应用要求的最前面。导航性能包括：导航的精确性、连续性、完整性、易用性，易用性是指系统易于使用和维护、系统的自主性等。②实际的应用环境是最大的挑战。系统的体积、功耗、可靠性和可用性会关系到惯性导航系统能否在具体的应用环境中被采用。③提高惯性导航系统的通用性，拓展应用领域。


惯性导航系统发展和技术进步呈现以下特点：


(1)在无法接收GNSS信号或需要高度导航可靠性的应用场合，高性能的自主INS仍具有不可替代的作用。


(2)GNSS技术的快速发展和进步，将取代部分传统的INS应用领域。例如：Raytheon Anschütz采用GPS和固态速率传感器研制的GPS罗经，可以实现0．5°(RMS)的航向精度。上海交通大学导航、制导与控制研究所研制GPS姿态测量仪，在1m基线的情况下可获得优于0．2°的2-D姿态测量精度。


(3)INS与其他多种导航手段组合，尤其是GNSS／INS组合导航系统 ，受到普遍关注。


(4)地面车辆导航等民用市场发展迅速，价格低廉的一体化、小型化、多模式组合导航设备成为市场发展的三个重要方向，这既是惯性导航系统发展的机遇，也是挑战。


(5)针对舰船导航系统的设计和发展：①首先从系统的性能和可靠性方面考虑，需要不断提高惯性导航系统自身的集成度；使其具备与其他导航手段协同工作的组合导航模式，并且提供与舰船的其他操作控制或导航设备灵活接口。② 其次从降低系统成本角度考虑，很多学者尝试采用中低精度的惯性测量传感器或MEMS器件，通过改进导航系统配置、与其他导航手段相结合来获得令人满意的精度指标H 矧。③ 需要指出的是：INS首先与GNSS组合，然后再结合声纳、图像等其他导航手段组成舰船一体化组合导航系统，是最受关注的研究热点和发展方向。


总之，在惯性器件研究方面，体积小且价格低廉的MEMS惯性传感器，和高精度、高性能FOG在未来一段时间仍将是受关注的焦点。受现代计算机技术快速发展的影响，平台式导航系统将被捷联式惯性导航系统所替代。


当前，惯性技术已经成为一国技术水平先进性的重要标志之一，其先进程度和应用水平关系到国家多个行业的信息化水平和自动化控制水平。目前惯性技术正朝着小型化、数字化、智能化、低成本、高可靠性、多领域应用的方向发展，新的应用与产品正加速涌现。随着国民经济和技术水平的进一步发展，未来惯性技术的应用领域也将持续扩展。 
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