微惯性技术第四章
2024-微机械陀螺简述,微惯性技术

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1.2 微机械陀螺特点
MEMS陀螺仪是利用 coriolis 定理,将旋转物体的角速度转换成 和角速度成正比的直流电压信号,其核心部件通过掺杂技术、光刻技 术、腐蚀技术、LIGA技术、封装技术等批量生产的,它主要特点是
振动平板结构 振动梁结构 振动音叉结构 加速度计振动结构
振动平板结构 振动梁结构 振动音叉结构
按加工方式
体微机械加工 表征微机械加工 LIGA(光刻、电铸和注塑)
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1.3 微机械陀螺分类
按驱动方式
压电式 静电式 电磁式
微
机
按检测方式
压电检测 电容检测
械 陀
压阻式检测
螺
光学检测
分
隧道效应检测
类 闭环模式
4. 测量范围大,一些MEMS 陀螺仪测量范围可高达数千°/s
缺点: 目前,各种微机械陀螺的角速度测量精度相对较低,
漂移较大。
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1.3 微机械陀螺分类
按振动结构
微
机
械
陀
螺
分
按材料
类
旋转振动结构 线性振动结构
硅材料 非硅材料
振动盘结构陀螺 旋转盘结构陀螺
正交线振动结构 非正交线振动结构
单晶硅 多晶硅 石英 其它
速率陀螺
按工作模式
开环模式
速率积分陀螺
整角模式
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2、微机械陀螺根本原理
振动式微机械陀螺根本原理 柯氏加速度及柯氏力
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2.1 振动式微机械陀螺根本原理
基于微惯性传感器的姿态算法研究

基于微惯性传感器的姿态算法研究一、本文概述随着科技的快速发展,微惯性传感器在诸多领域,如航空航天、无人驾驶、虚拟现实等,扮演着日益重要的角色。
其中,姿态解算作为微惯性传感器的核心技术,对设备的定位、导航与控制等具有决定性影响。
本文旨在深入研究基于微惯性传感器的姿态算法,旨在提高姿态解算的精度与稳定性,为相关领域的技术进步提供理论支持与实践指导。
本文将首先介绍微惯性传感器的基本原理及其在姿态解算中的应用,为后续研究奠定理论基础。
随后,将详细分析现有姿态算法的优势与不足,并在此基础上提出一种新型的姿态解算算法。
该算法将结合微惯性传感器的特点,通过优化数据处理流程、提高传感器数据融合精度等方式,实现更准确的姿态解算。
本文还将对所提出的新算法进行仿真验证与实验测试,以评估其在实际应用中的性能表现。
通过对比分析实验数据,本文将揭示新算法相较于传统算法的优越性,并探讨其在实际应用中可能遇到的问题及解决方案。
本文将全面而深入地研究基于微惯性传感器的姿态算法,以期在提高姿态解算精度与稳定性方面取得重要突破,为相关领域的技术进步做出贡献。
二、微惯性传感器技术概述微惯性传感器,作为一种集成了微型机械和微电子技术的先进传感器,已在现代导航、姿态测量和控制系统等领域得到了广泛应用。
其核心部件包括微型加速度计和微型陀螺仪,它们分别用于测量物体的加速度和角速度,进而推算出物体的姿态和位置信息。
微型加速度计主要利用压电效应、压阻效应或电容变化等原理,通过感知物体在加速度作用下的形变或电荷变化来测量加速度。
微型陀螺仪则通过测量物体在旋转运动中的角速度来推算姿态变化,其工作原理通常基于振动陀螺的科里奥利效应。
与传统的惯性传感器相比,微惯性传感器具有体积小、质量轻、功耗低、价格低廉等优点,因此在许多对体积和成本有严格要求的场合,如无人机、智能穿戴设备、机器人等领域,微惯性传感器成为了首选的姿态测量工具。
然而,微惯性传感器也存在一些固有的技术挑战,如测量误差、噪声干扰、温度影响等。
基于MEMS技术的微型惯性导航系统的发展现状

基于MEMS技术的微型惯性导航系统的发展现状一、本文概述随着微纳技术的快速发展,微型惯性导航系统(Micro-Inertial Navigation System, MINS)以其体积小、重量轻、功耗低等优点,在航空航天、无人驾驶、机器人导航、个人定位等众多领域展现出广阔的应用前景。
其中,基于微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS)技术的微型惯性导航系统因其实用性和成本效益,成为了当前研究的热点。
本文旨在全面概述基于MEMS技术的微型惯性导航系统的发展现状,包括其基本原理、关键技术、应用领域以及面临的挑战。
我们将简要介绍惯性导航系统的基本原理和MEMS技术的基本概念。
然后,重点分析当前MEMS微型惯性导航系统的关键技术,如微型化设计、误差补偿与校准、数据处理算法等。
接着,探讨该技术在航空航天、无人驾驶、个人定位等领域的应用现状。
我们将讨论当前微型惯性导航系统面临的挑战,如误差累积、环境适应性等问题,并展望未来的发展趋势。
通过本文的阐述,希望能够为相关领域的研究人员和技术人员提供有价值的参考,推动基于MEMS技术的微型惯性导航系统的发展和应用。
二、MEMS技术在微型惯性导航系统中的应用微型惯性导航系统(Micro-Inertial Navigation System, MINS)结合了微型机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS)技术与惯性导航原理,实现了导航系统的微型化、低功耗和高度集成化。
随着MEMS技术的快速发展,MINS在军事、航空、航天、无人驾驶以及消费电子等领域的应用越来越广泛。
MEMS加速度计和陀螺仪是MINS的核心部件,用于测量载体在三维空间中的加速度和角速度。
通过精确的测量和数据处理,它们为导航系统提供必要的导航参数。
与传统的惯性器件相比,MEMS加速度计和陀螺仪具有体积小、重量轻、功耗低和成本低的优点,非常适合用于构建微型化的惯性导航系统。
惯性技术

诊断功能 Diagnostic Fuctions
导向功能 Navigation F uctions
10,000o/Hr
1,000o/Hr
100o/Hr
10o/Hr
战术军事 应用
弹头稳定 自动驾驶装置 Seeker Stabilization Autopilot
稳定控制增强系统 Stability Control Augmentation System(SCAS)
Input
Moving Limitation Rotation Sense Mode
陀螺设计实例
结果和讨论
微型惯性测量组合(MIMU)
陀螺、加速度计和处理电路的组合
商业汽车 应用
控制功能 Control Fuctions
诊断功能 Diagnostic Fuctions
导向功能 Navigation F uctions
陀螺设计实例
方案确定 – 工艺 – 面内振动式 – 原理分析 » 驱动
驱 动 轴
Kx
输入
敏感轴 Ky
F 2mAx x cos x t
»
感应
d 2 y y dy F 2 y y Q dt m dt 2
Ay 2Ax
2 2 2 1 x y 1 x 2 y Q y 要求——两个方向模态一致
惯性技术
一.惯性技术简介
惯性技术是惯性敏感器、惯性稳定、惯性导航
和惯性测量等技术的统称。它既是一个综合性 很强的学科,又是一门技术,在国防科技中占 有重要地位,在国民经济某些部门中也有成功 的应用,已成为衡量一个国家科学技术和军事 实力的重要标志之一。
MEMS微惯性姿态系统的环境适应性优化设计技术

ME MS微 惯 性 姿 态 系统 的环 境 适 应 性 优 化设 计 技 术
刘 建 业 杭 义 军 李 荣 冰 孙 永 荣
( 京 航 空 航 天 大 学 自动化 学 院导 航 研 究 中心 , 京 ,1 0 6 南 南 201)
摘 要 : 析 了 ME 分 MS微 惯 性 姿 态 系 统 温度 及 栽 体 运 动 等 环 境 因 素 对 ME MS惯 性 传 感 器的 影 响 和 姿 态 系 统 的 关 键 技 术 ; 对 ME 针 MS惯 性 器件 的热 环境 优 化 , 立 了基 于 有 限 元 分析 方 法 的热 分析 模 型 , 真 分析 了散 热 设 计 建 仿
Optm i a i n De i n Te h l g f Env r n e t lW o t i s o i z t o sg c no o y o i o m n a r h ne s f r
M EM S I r i lAtiud f r nc y t m ne t a tt e Re e e e S s e
t fnie lme a l i . The s l c e he t ipe so d sgn s a i a e b he he i t e e nt nayss ee t d a d s r i n e i i v ld t d y t pr t t pe f h o o y o t e
方 案 , 于 微 惯 性姿 态 系统样 机 , 验 验 证 了散 热 设 计 的 有 效 性 ; 对 ME 基 试 针 MS惯性 传 感 器误 差 的 强 非 线 性 特 性 ,
建 立 了全 温 范 围分 段 线 性 误 差 补 偿 模 型 , 进 了误 差 标 定 方 法 , 效 提 高 了 ME 改 有 MS惯 性 器 件 的 精 度 ; 析 了微 分
Ch1微惯性系统理论与应用

微惯性系统理论与应用
微型生物分析仪
微惯性系统理论与应用
微惯性系统理论与应用
2. MEMS的基本特征 尺度微型化、系统集成化
当尺度缩小到微米乃至亚微米量级时,产生尺度效应,使得物理 现象与宏观世界有很大差别。
MEMS尺度
微惯性系统理论与应用
微惯性系统理论与应用
微惯性系统理论与应用
闯入冰下迷宫
1958年美国将第一台舰用惯性导航系统(N6)安装在攻击性核潜艇 “魟鱼号”上,完成了穿越北冰洋冰层下的航行,并顺利通过了地理上 的北极点,历时96小时,航行1830海里,艇位误差仅为10海里左右。这 一史无前例的创举,震撼了全世界。(1海里=1.852公里)
微惯性系统理论与应用
微惯性系统理论与应用
微惯性系统理论与应用
数字光学控制器(DLP)
1987年美国德州仪器(TI)公司发明 优点:高分辨率、高对比度、响应速度快、带宽等。 应用:数字相机、高频天线阵列、新一代外层空间望远镜、全息照 相、数字图像处理等,目前,DMD广泛应用于数字光处理器件(DLP), 用于数字投影显示(DPD)、高清晰度电视(HDTV)、微型显示。 目前,全球已经有将近40家著名的TV和放映设备厂商开始采用DLP子 系统。LG公司也在韩国电子展览会上展示了一款采用DLP子系统的52英 寸彩电(1英寸= 2. 54 cm) 。
基于Sagnac干涉效应的RLG和捷联式激光陀螺惯导系统(SINS)在民航方面 得到应用;
出现基于不同物体原理的陀螺仪:超导体陀螺、粒子陀螺、音叉振动陀螺 、流体转子陀螺及固态陀螺等;
80年代,伴随着半导体工艺的成熟和完善,采用微机械结构和控制电路工 艺制造的微机电系统(MEMS)开始出现。
起来的新技术。微惯性测量组合就是...

哈尔滨工张大学硕士学位论文摘要撼联式惯性导航系统是一种十分先进的惯性导航技术,它采用数学平台代替实体乎台,即通过导舷计算机实时计算出姿态矩阵,建立起数学平台, 所汉导靛诗算辊跫建整个系统麓谈心寇关毽。
瓣薅,捷联矮浮簸系统聂澎衮精度、商可靠性、低成本、小型化、数字化的方向发展。
怒现代数字信号处理中的一门新兴技术,作为一零孛专魏数字售号处理器,它具骞毫激、麓这秘裹蕤凄等貔点。
本文应用单片机和设计了一套被捷联导航计算机系统。
以高速、高精度的?作为导航计算机数据处理的核心,以高速、商性能的离档位单片枧为作为整个系统的控铡器,构成了~褰双勺捷联导簸计簿枫系统。
这为导虢系统瀚小型纯、低藏本、数字化提供了一种设计思想。
如果再加上、电子罗擞和计程仪等,就可以完整的组合一个定位和导航系统。
本文蠹绕基予蕊导菠诗算壤系统,具,零巧震了以下尼方囊骚究工作:.论文分析了捷联惯导系统的基本原理,讨论了捷联懒导系统的算法。
.提出并论证了导航计算机的总体方案,同时分析了和单片枕这两牵申微处理器的特点和应用方法。
.讨论了基予麓捷联镄导系统静硬俘设计,包括基本功能静实现、原理框图及外围电路的设计。
本文对周围的接口电路作了较详细的介绍,主要电路有存储器系统、引导装载程序系统、通用异步串行蹦电路以及复位电路等。
.论述了系统的各种软件的舆体设计方法。
采用汇编语言和语言混台编程的方法来实现麟个系统软件。
并且详细讨论了实现该导航系统过程中的软件、硬件的调试和考核过程。
关键词:捷联惯性导航系统:数字信号处理器;数据处理;单片机哈尔滨工程太学硕士学位论文拄. , ,, ,, 。
,曲,跏,,它 .。
, 拉. ?曲 ?;圆 .,.‘’., ? ,:......髓接。
.?。
.. , , .,, 南撞哈尔滨工程大学硕士学位论文. 掣硼娃..: ;;; ?哈尔滨工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明:本论文的所有工作,是在导师的指导下,由作者本人独立完成灼。
微惯性技术

1
主要内容
微加速度计
微陀螺仪 微型惯性测量组合
2
微加速度计
微加速度计
定义 工作原理
分类
信号检测
设计程序
3
1.1 加速度计
加速度计是利用检测质量块或震动探测块来测量
加速度的。
外部加速度对质量块发生作用,然后通过测量质 量块的位移、质量块对框架的作用力,或保持其 位置不同所需的力来得出加速度值。
多采用平面电极或梳状电极静电驱动,并采 用平板电容器进行检测。
76
可分为:
梳状驱动平板式振动陀螺仪
A C1 C 2 z0
19
图a
Cs1
0 A
d 0 d
Cs 2
0 A
d 0 d
d C Cs 2 Cs1 2C0 d0
F ma kd
2m C0 C1 a kd0
20
4.2.2 扭摆式微机械加速度计
扭摆式硅微机械加速度计 最初由美国德雷珀实验室 研制。 整个加速度计由挠性轴、 角振动板块和质量块、四 个电极及其电子线路组成。 质量块敏感加速度引起板 块的角振动,产生电容输 出信号。
27
4.3 隧道式微机械加速度计
由物理学可知,将尺寸很小 (10-9m)的极细探针和被 研究物质表面作为两个电极, 当它们之间非常接近(< 1μm)时,在外电场作用下, 电子会穿过这两个电极从一 极流向另一极,这就是隧道 效应。
28
实验发现,当这两极间距减少0.1nm,隧道电 流将增加10倍,利用这种效应可以测量加速度。 电子隧道型加速度计通常由检测质量、支承梁、 隧道探针和控制电路等部分组成。它的工作原 理是,当被测加速度使检测质量与隧道探针之 间距离发生变化时,两极间将产生巨大的电流 变化,检出这一变化信号就可测得加速度。
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3DMC系列三轴电动飞行模拟转台
3DMC系列三轴飞行模拟转 台是多功能的运动模拟设备。 具有模拟、速率和位臵工作 方式。
TAS系列三轴姿态模拟转台
XJT系列线加速度模拟转台(可变加速度离心机)
TXT系列天线测试飞行仿真转台
TAS系列三轴姿态模拟转台
3、W881C自动分度头
W881C自动分度头一台高精度惯导测试设备,具有自动 定位功能,主要用于测试和标定±1g内的惯导及加速度 计静态特性。它由一台具有水平方向主轴的台体及电控柜 组成。 主要技术指标:
e. 零偏加速度灵敏度
陀螺仪零偏随加速度引起的变化量,以单位重力加速 度引起的零偏变化量表示,(º /s)/g。
二、微陀螺仪性能测试的主要参数
——2、与标度因数相关的性能参数
a.标度因数
陀螺仪输出量与输入角速率的比值,用某一特定直线的 斜率表示,该直线是根据整个角速率范围内测得的输入 输出数据,用最小二乘法拟合求得,mV/(º /s)。计算公 式如下:
a. b. c. d. e.
标度因数 标度因数非线性 标度因数对称性 标度因数重复性 标度因数温度灵敏度
二、微陀螺仪性能测试的主要参数
3、其它性能参数:
a. b. c. d. e. f. g. h. i. j.
输入轴 输入基准轴 输入失准角 交叉耦合系数 启动时间 阈值 分辨率 测量范围 带宽 输出噪声
二、微陀螺仪性能测试的主要参数
——2、与标度因数相关的性能参数
d. 标度因数重复性
在相同条件下及规定时间内,重复测量陀螺仪标度因数 之间的一致程度,以各次测量所得标度因数的标准偏差 与其平均值的比值来表示,单位ppm。计算公式如下:
1 Kr K 1 Q 1 Km K m 1
Km
ˆ F F j j Fmax
max
--第j次输入角速率对应拟合直线上计算值; K m --第m次测试得到的标度因数非线性; K --标度因数非线性; Q --测试次数; Fmax --最大输入角速率对应陀螺输出值的最大绝对值。
ˆ F j
1 K Km Q m 1
Q
二、微陀螺仪性能测试的主要参数
2T-250型双轴精密位臵转台
2T-320型双轴位臵转台 为双轴台面式电驱动位臵转台, 并配有可调整的方位轴,主要用于惯导系统和惯性元器件 的位臵测试,由计算机控制数据处理。
2KTZ-300型双轴角振动转台
2KTZ-300型双轴角振动 转台为双轴自动框架式 机械轴系地面试验设备。 主要用来模拟运载器发 射时的振动过程,测试 惯导系统在角振动状态 下的承受能力及跟踪精 度。该设备采用计算机 控制、数据处理,具有 归零、位臵、振动功能, 测量精度高、动态性能 好。
2TS-320型带温控箱双轴速率转台
2TS-320A型双轴速率 转台为双轴自动台面式 机械轴系速率转台。主 要用于惯性元器件的标 定与测试。该转台具有 位臵、速率功能,可由 计算机程序控制运行, 自动采集、存储、处理、 打印转台位臵及被测件 输出等数据。
双轴艇体摇摆台
双轴艇体摇摆台为 台面式机械轴系结 构形式双轴艇体摇 摆台,主要用于艇 体摇摆仿真实验。
(1)检测和验证设计参数的合理性,以便进一步的优 化微陀螺设计参数,提高其性能指标; (2)定量地给出已经设计成型的微陀螺性能指标参 数,以便将其作为正式产品进行销售;
2、应用阶段的性能测试
(1)帮助我们针对具体应用,完成器件选型分析,决 定所选器件能否满足应用需求; (2)帮助我们提高器件与系统的实际使用精度。
SB/B系列冲击/碰撞试验台
8、综合环境试验系统
综合环境试验系统是为完成有关温度、湿度、气压和 振动的综合试验要求而特殊设计的,设计时充分考虑 了不同工况的要求,广泛应用于产生快速温度变化的 综合环境的可靠性试验、鉴定试验和应力筛选试验等
一、微陀螺仪性能测试的目的与意义
1、研制阶段的性能测试
5、振动台
可分别完成正弦振动试验和宽带随机振动试验,可完 成经典(半正弦、梯形、后峰锯齿)脉冲和冲击响应 谱试验。 主要用于完成惯导系统器件频率特性的动 态实验系统。
6、冲击实验平台
冲击试验系统可供各类产品做冲击试验,考核试品在 冲击环境下功能的可靠性和结构完好性。
SS系列冲击试验系统
Fj --第j次输入角速率 ij 对应的陀螺输出值
K --标度因数,单位mv/ (º /s)
F0 --拟合零位
vj
--拟合误差
二、微陀螺仪性能测试的主要参数
——2、与标度因数相关的性能参数
b. 标度因数非线性
在输入角速率范围内,陀螺仪输出量相对于用最小二乘法拟合直 线的最大偏差值与最大输出量的比值,单位ppm。计算公式:
Fj K j F0 v j Fj Fj Fr
N Fj Fjm / N m 1
Fr Fs Fe / 2
F jm --陀螺第m组输出值
N --采样次数 --转台静止时陀螺输出的平均值
Fr
Fs , Fe --角速率试验前后,陀螺仪输出的平均值
3KTD-565型三轴多功能转台
3KTD-565型三轴多功能 转台是一种三轴自动框架 式多功能惯导测试设备。 具有位臵、速率、摇摆、 伺服等功能,能满足惯性 系统及惯性元器件的全部 功能测试和实验。该转台 采用计算机进行操作控制, 具有高精度的定位能力、 速率平稳性、操作失真度 及良好的动态特性。
1. 台面
2. 主轴
直径: φ320mm; 负载: 10kg
主轴方向: 水平 轴 系:精密机械轴系 位臵精度: 1.5″(RMS) 位臵分辨率: 0.36″ 位臵重复性: ±0.5″ 倾角回转误差: ±1″ 滑环: 60环(2A) 3.台体外形尺寸: φ660mm×1100mm 4.台体重量: 300kg
1、水平台
一个能够提供水平平台环境的台体,常见的水平台有 以下几类: 机械式 气浮式 磁浮式 静电浮式
•2、转台
能够提供旋转转速(位臵、摇摆等运动形式的台体), 常见的有: 单轴 双轴 三轴 突停
单轴速率转台
单轴多功能转台
单轴多功能突停转台
单轴多功能突停转台为单 轴台面式机械轴系多功能 转台,具有突停、速率、 振动及位臵功能,主要用 于惯性系统的动态测试。
二、微陀螺仪性能测试的主要参数
4、其它性能参数:
k. 外形
重量 尺寸 功耗 电源(通常指微陀螺的供电电压) 工作温度 储存温度 振动 冲击,加速度 平均无故障时间:(如50000h [20℃]) 寿命(预计):(如15年)
l. 环境
可靠性
二、微陀螺仪性能测试的主要参数
主要内容
一、微陀螺仪性能测试的目的与意义
二、微陀螺仪性能测试的主要参数
三、微陀螺仪性能测试的方法
四、微陀螺仪性能评价
二、微陀螺仪性能测试的主要参数
1、与零偏相关的性能参数:
a. b. c. d. e.
零偏 零偏稳定性 零偏重复性 零偏温度灵敏度 零偏加速度灵敏度
2、与标度因数相关的性能参数:
——1、与零偏相关的性能参数
a. 零偏
输入角速率为零时陀螺仪的输出量(º /s)
1 F N
F
i
B0 m
1 F K
1 Q B0 B0 m Q m1
Fi --每次采样的电压输出;
B0 m --第m次测试得到的陀螺零偏;
F --N次测试得到的输出平均值;
B0 --陀螺零偏。
二、微陀螺仪性能测试的主要参数
2、测什么? 3、用什么测?
4、怎么测?
5、怎么评价?
五、微加速度计性能测试的目的与意义
六、微加速度计性能测试的主要参数 七、微加速度计性能测试的方法 八、微加速度计性能评价
〇、常用测试、标定设备
1、水平台 2、转台
3、风度头
4、离心机 5、振动台(有的也叫激振台) 6、冲击试验平台 7、冲击碰撞试验平台 8、综合环境实验系统
4、离心机
LXT-30精密离心机是利用旋转速率获得离心加速度的 运动仿真设备,可用于加速度表的静态标定和测试. 主要技术指标: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 加速度范围: 0.1g-30g 分辩率: 0.1g 加速度(g值)精度: 1×10-4 负载: 5kg×2 滑环: 40环(1A) 台体外形尺寸:Φ1200mm×1000mm 台体重量: 1500kg
1 Q Bs Bsm Q m 1
Bsm --第m次测试得到的陀螺零偏稳定性; Bs --陀螺零偏稳定性。
Fj --按周期P求取平均值得到的新的数据样本; P --数据平均周期;
二、微陀螺仪性能测试的主要参数
——1、与零偏相关的性能参数
c. 零偏重复性
在相同条件下及规定时间内,重复测量陀螺仪零偏之间的 一致程度。以m次测量所得零偏标准偏差表示,(º /s)。
——2、与标度因数相关的性能参数
c. 标度因数对称性
在输入角速率范围内,陀螺仪正反两个方向输入角速率 的标度因数差值与其平均值的比值,ppm。计算公式如下:
K mu
K
K K K
1 Q Ku K mu Q m1
Kmu
--第m次测试对应的标度因数不对称度; --正转输入角速率范围内拟合得到的标度因数; K --反转输入角速率范围内拟合得到的标度因数; Ku --标度因数不对称度; K --标度因数平均值。