MEMS慣性導(dǎo)航在無(wú)人機(jī)領(lǐng)域、機(jī)器人領(lǐng)域中，都有獨(dú)特的應(yīng)用。為增進(jìn)大家對(duì)MEMS慣性導(dǎo)航的認(rèn)識(shí)，本文將對(duì)MEMS慣性導(dǎo)航的原理、MEMS慣性導(dǎo)航未來(lái)發(fā)展期望予以介紹。如果你對(duì)MEMS慣性導(dǎo)航具有興趣，不妨繼續(xù)往下閱讀哦。

一、MEMS慣性導(dǎo)航原理

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是以陀螺儀和加速度計(jì)為敏感器件的導(dǎo)航參數(shù)解算系統(tǒng)，該系統(tǒng)根據(jù)陀螺儀的輸出建立導(dǎo)航坐標(biāo)系，根據(jù)加速度計(jì)輸出解算出運(yùn)載體在導(dǎo)航坐標(biāo)系中的速度和位置。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)屬于推算導(dǎo)航方式，即從一已知點(diǎn)的位置根據(jù)連續(xù)測(cè)得的運(yùn)動(dòng)體航向角和速度推算出其下一點(diǎn)的位置，因而可連續(xù)測(cè)出運(yùn)動(dòng)體的當(dāng)前位置。

MEMS是集微傳感器、微執(zhí)行器、微機(jī)械結(jié)構(gòu)、微電源微能源、信號(hào)處理和控制電路、高性能電子集成器件、接口、通信等于一體的微型器件或系統(tǒng)。MEMS是一個(gè)獨(dú)立的智能系統(tǒng)，可大批量生產(chǎn)，其系統(tǒng)尺寸為幾毫米乃至更小，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般在微米甚至納米量級(jí)。常見(jiàn)的產(chǎn)品包括MEMS加速度計(jì)、MEMS麥克風(fēng)、微馬達(dá)、微泵、微振子、MEMS光學(xué)傳感器、MEMS壓力傳感器、MEMS陀螺儀、MEMS濕度傳感器、MEMS氣體傳感器等等以及它們的集成產(chǎn)品。

微慣導(dǎo)系統(tǒng)主要包含陀螺儀、加速度計(jì)、微處理器，根據(jù)實(shí)際需求還可增加磁力計(jì)、氣壓計(jì)等MEMS器件，其中：

陀螺儀用來(lái)測(cè)量運(yùn)動(dòng)體圍繞各個(gè)軸向的旋轉(zhuǎn)角速率值，通過(guò)四元數(shù)角度解算形成導(dǎo)航坐標(biāo)系，使加速度計(jì)的測(cè)量值投影在該坐標(biāo)系中，并可給出航向和姿態(tài)角;

加速度計(jì)用來(lái)測(cè)量運(yùn)動(dòng)體的加速度大小和方向，經(jīng)過(guò)對(duì)時(shí)間的一次積分得到速度，速度再經(jīng)過(guò)對(duì)時(shí)間的一次積分即可得到位移;

磁力計(jì)用來(lái)測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向，定位運(yùn)動(dòng)體的方向，通過(guò)地磁向量得到的誤差表征量，可反饋到陀螺儀的姿態(tài)解算輸出中，校準(zhǔn)陀螺儀的漂移;

氣壓計(jì)用來(lái)測(cè)量環(huán)境氣壓值，融合陀螺儀、加速度計(jì)數(shù)據(jù)輸出高度值。

形象的描述的話，陀螺儀知道“我們轉(zhuǎn)了個(gè)身”，加速度計(jì)知道“我們又向前走了幾米”，而磁力計(jì)知道“我們是向某個(gè)方向”的，氣壓計(jì)則知道我們“有多高”。

總而言之，微慣導(dǎo)系統(tǒng)是以低成本的通用MEMS器件為基礎(chǔ)，根據(jù)應(yīng)用、誤差修正、誤差補(bǔ)償?shù)男枰Y(jié)合使用上述傳感器，充分利用每種傳感器的特長(zhǎng)，通過(guò)載體運(yùn)動(dòng)模式學(xué)習(xí)、濾波算法設(shè)計(jì)、硬件和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等，達(dá)到高精度自主定位的目標(biāo)。不依賴(lài)于導(dǎo)航衛(wèi)星、無(wú)線基站、電子標(biāo)簽等任何輔助設(shè)備或先驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)，僅通過(guò)載體自身配置的小型微型慣性傳感器，可完成任何場(chǎng)景下人員、車(chē)輛、機(jī)器人等的準(zhǔn)確定位。

二、MEMS慣性導(dǎo)航的發(fā)展展望

1、MEMS慣性導(dǎo)航器件

近幾年來(lái)，MEMS慣性傳感器發(fā)展迅速，精度不斷提高。雖然相比光纖陀螺、激光陀螺仍有很大差距，但是其價(jià)格低、體積小、重量輕，使MEMS慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。未來(lái)隨著MEMS材料工藝與制造工藝不斷發(fā)展，MEMS慣性導(dǎo)航系統(tǒng)精度必將不斷提高，其成本也將不斷降低，因此采用戰(zhàn)略級(jí)高精度MEMS陀螺儀取代光纖陀螺儀是一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)。隨著微加工工藝的不斷進(jìn)步，MEMS慣性傳感器將向著輕質(zhì)、小型化方向發(fā)展。

2、MEMS組合導(dǎo)航算法

盡管MEMS慣性傳感器精度在不斷進(jìn)步，但是戰(zhàn)術(shù)級(jí)MEMS慣性導(dǎo)航系統(tǒng)誤差隨時(shí)間積累仍然發(fā)散較大，在很多場(chǎng)合還不能滿(mǎn)足高精度的要求，故MEMS慣性導(dǎo)航與GPS組合導(dǎo)航仍然是主要導(dǎo)航方式。因此，研究精度以及效率更高、魯棒性更強(qiáng)的算法，在軟件方面給予組合導(dǎo)航系統(tǒng)支持也是重要的發(fā)展方向。

3、MEMS慣性導(dǎo)航的應(yīng)用

在MEMS技術(shù)發(fā)展的數(shù)十年內(nèi)，MEMS慣性導(dǎo)航技術(shù)在電子領(lǐng)域、汽車(chē)行業(yè)以及家居服務(wù)行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。隨著MEMS慣性導(dǎo)航精度和穩(wěn)定性不斷提高，未來(lái)MEMS慣性導(dǎo)航技術(shù)必將在無(wú)人系統(tǒng)領(lǐng)域，如航天器、衛(wèi)星、機(jī)器人等無(wú)人系統(tǒng)中，扮演重要的角色。

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