慣性傳感器

      一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，慣性傳感器一直用于測(cè)量物體相對(duì)于慣性參考系的運(yùn)動(dòng)。最初創(chuàng)建時(shí)，慣性傳感器由大型機(jī)械陀螺儀和加速度計(jì)組成。然而，自 20 世紀(jì) 30 年代初以來(lái)，眾多科學(xué)家、工程師和機(jī)構(gòu)一直在完善這項(xiàng)技術(shù)，創(chuàng)造出各種具有各種性能的慣性傳感器，使其能夠比以往有更多的應(yīng)用。

      慣性傳感器的等級(jí)

      慣性傳感器市場(chǎng)在產(chǎn)品價(jià)格和性能方面涵蓋了最高端慣性系統(tǒng)和最低慣性系統(tǒng)之間的巨大范圍。如此廣泛的多樣性可能會(huì)給許多客戶(hù)在確定組件選擇和定價(jià)時(shí)帶來(lái)極大的困惑。此外，慣性傳感器的高、中、低檔性能沒(méi)有統(tǒng)一的定義或標(biāo)準(zhǔn)，因此一位專(zhuān)家認(rèn)為的高端可能在另一位專(zhuān)家看來(lái)是低端。然而，一般來(lái)說(shuō)，慣性傳感器可以分為以下四個(gè)性能類(lèi)別之一：

        ? 航海級(jí)

        ? 戰(zhàn)術(shù)級(jí)

        ? 工業(yè)級(jí)

        ? 汽車(chē)/消費(fèi)級(jí)

      這些性能類(lèi)別通常是根據(jù)傳感器的運(yùn)行中偏置穩(wěn)定性來(lái)定義的，因?yàn)檫\(yùn)行中偏置穩(wěn)定性在確定慣性導(dǎo)航性能方面起著如此重要的作用。

圖：1.1 加速度計(jì)性能等級(jí)

      如圖 1.1 所示，加速度計(jì)主要有兩種類(lèi)型，它們構(gòu)成了不同的加速度計(jì)性能類(lèi)別：機(jī)械加速度計(jì)和石英/MEMS 加速度計(jì)。石英和 MEMS 加速度計(jì)的運(yùn)行中偏置穩(wěn)定性通常為 1000 μg 至 1 μg，涵蓋所有四個(gè)性能類(lèi)別，而機(jī)械加速度計(jì)可以達(dá)到低于 1 μg 的運(yùn)行偏置穩(wěn)定性，但通常僅用于導(dǎo)航級(jí)應(yīng)用由于尺寸大且成本高。

圖：1.2 陀螺儀性能等級(jí)

      市場(chǎng)上有許多不同類(lèi)型的陀螺儀，其性能水平各異，包括機(jī)械陀螺儀、光纖陀螺儀（FOG）、環(huán)形激光陀螺儀（RLG）和石英/MEMS陀螺儀，如圖1.2所示。石英和 MEMS 陀螺儀通常用于消費(fèi)級(jí)、工業(yè)級(jí)和戰(zhàn)術(shù)級(jí)市場(chǎng)，而光纖陀螺儀涵蓋所有四個(gè)性能類(lèi)別。環(huán)形激光陀螺儀通常具有運(yùn)行中偏置穩(wěn)定性，范圍從 1°/小時(shí)到小于 0.001°/小時(shí)，涵蓋戰(zhàn)術(shù)和導(dǎo)航級(jí)別。機(jī)械陀螺儀是市場(chǎng)上性能最高的陀螺儀，并且可以達(dá)到小于 0.0001°/小時(shí)的運(yùn)行中偏置穩(wěn)定性。

      加速度計(jì)和陀螺儀可以用作單獨(dú)的慣性傳感器，但大多數(shù)應(yīng)用將這些傳感器組合在一起形成慣性系統(tǒng)。當(dāng)陀螺儀與加速度計(jì)結(jié)合使用時(shí)，陀螺儀的性能通常對(duì)慣性導(dǎo)航性能具有更大的影響。因此，陀螺儀運(yùn)行中偏置穩(wěn)定性通常被用作慣性系統(tǒng)質(zhì)量的速記指標(biāo)。表 1.1 提供了與每個(gè)不同慣性傳感器性能等級(jí)相關(guān)的典型陀螺儀運(yùn)行中偏置穩(wěn)定性。

      慣性傳感器的性能等級(jí)（表1.1）

      在確定哪種級(jí)別的慣性傳感器最適合特定應(yīng)用時(shí)，了解所需的精度類(lèi)型以及項(xiàng)目的預(yù)算限制非常重要。隨著慣性傳感器性能等級(jí)的提高，其相關(guān)成本也隨之提高，如表 1.1 所示。消費(fèi)級(jí)慣性傳感器的低成本使其成為智能手機(jī)和平板電腦的理想選擇。另一方面，導(dǎo)航級(jí)慣性傳感器具有更高的精度，但成本也更高，因此僅在最關(guān)鍵的任務(wù)應(yīng)用中實(shí)用。

      慣性傳感術(shù)語(yǔ)

      隨著慣性傳感器市場(chǎng)的增長(zhǎng)，慣性傳感器的使用以及用于描述慣性傳感器的不同術(shù)語(yǔ)也隨之?dāng)U大。公司文獻(xiàn)和互聯(lián)網(wǎng)上提供的信息中使用了大量的技術(shù)術(shù)語(yǔ)和首字母縮略詞，因此很難確定哪種慣性傳感器組合最適合特定應(yīng)用。此外，其中許多術(shù)語(yǔ)可以互換使用，因此了解構(gòu)成每個(gè)系統(tǒng)的組件以及每個(gè)系統(tǒng)提供的計(jì)算導(dǎo)航輸出非常重要。表 1.2 中描述了一些更常見(jiàn)的慣性傳感術(shù)語(yǔ)，請(qǐng)注意，括號(hào)中列出的傳感器可能包含也可能不包含在慣性系統(tǒng)中。

      慣性傳感術(shù)語(yǔ)（表1.2）

      當(dāng)提及表 1.2 中列出的慣性系統(tǒng)時(shí)，通常根據(jù)系統(tǒng)測(cè)量的總軸數(shù)來(lái)描述它們。單個(gè)慣性傳感器只能感測(cè)沿或繞單個(gè)軸的測(cè)量。為了提供三維解決方案，必須將三個(gè)單獨(dú)的慣性傳感器安裝在一起形成一個(gè)稱(chēng)為三元組的正交簇。這組安裝在三元組中的慣性傳感器通常稱(chēng)為三軸慣性傳感器，因?yàn)樵搨鞲衅髂軌蜓厝齻€(gè)軸中的每一個(gè)提供一次測(cè)量。類(lèi)似地，由 3 軸加速度計(jì)和 3 軸陀螺儀組成的慣性系統(tǒng)被稱(chēng)為 6 軸系統(tǒng)，因?yàn)樗厝齻€(gè)軸中的每一個(gè)提供兩個(gè)不同的測(cè)量，總共六個(gè)測(cè)量。表 1.3 定義了一些更常見(jiàn)的傳感器組合。

      N 軸慣性傳感器（表 1.3）