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干货|捷联惯导技术与惯性传感器技术详解

干货|捷联惯导技术与惯性传感器技术详解

  • 分类:行业聚焦
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  • 来源:
  • 发布时间:2020-06-15
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【概要描述】石英挠性加速度计,MEMS陀螺,MEMS惯性测量单元,MEMS惯性导航系统,图像制导产品,制导控制系统,保偏光纤环和光纤敏感环。

干货|捷联惯导技术与惯性传感器技术详解

【概要描述】石英挠性加速度计,MEMS陀螺,MEMS惯性测量单元,MEMS惯性导航系统,图像制导产品,制导控制系统,保偏光纤环和光纤敏感环。

  • 分类:行业聚焦
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前言:

惯性导航的基本工作原理是以顿力学定律为基础的利用惯性器件来测量运载体本身的加速度,经过一次积分得到运载体的速度再经过一次积分得到运载体地理位置。它能提供运载体姿态、速度和位置多维度导航信息由于不和外界不发生任何光电联系其隐蔽性好工作不受外界件限制这独特的优点成为国防军工、航空航天,航海等领域中的种广泛应用的主要导航方法。

 

捷联惯导技术

捷联式惯导系统(Strapdown Inertial Navigant System, SINS)是将加速度计和陀螺仪组装成捷联惯性测组件Inertial Measurement Unit, IMU)并直接固联在载体上,省去机电式的导航平台IMU测量的载体角速度实时计算姿态矩阵,从姿态矩阵的元素提取载体的姿态和航向信息并用姿态阵把加速度计的输出从载体坐标系变换到导航坐标系从而进行导航计算。

  捷联具有悠久的历史,所谓捷联捷联惯性系统也就是将惯性敏感元件(陀螺与加速度计)直接捆绑在飞行器上从而完成制导。捷联惯导技术最早可以追溯到18世纪50年代,德国著名科学家博耐伯格发明了带有稳定平台的陀螺仪模型。100年之后法国的光学物理实验学家傅科发明了现代意义上的陀螺并提出了陀螺罗经理论。此后一直到第二次世界大战,有一大批著名的科学家为惯性技术做出了杰出的贡献,如著名科学家安修茨、斯佩里、德雷珀、舒勒等。

  真正第一次出色完成导航任务的是二战末期德国著名火箭专家冯•布劳恩和他的研制小组发明的著名的V-2火箭。在V-2火箭上装载的导航系统就是最原始的捷联惯性导航系统,该火箭从当时纳粹德国飞越过英吉利海峡准确命中伦敦,震惊世界。

  1969年,在“阿波罗-13”宇宙飞船在飞向月球途中,服务舱发生爆炸使指令舱电源遭破坏。紧急情况下,正是由于德雷珀实验室低功耗备份捷联惯导系统LM/ASA的引导,将飞船引导到返回地球的轨道上,安全降落到太平洋上。

   V-2火箭发射距今已有近80年,由于SINS具有的可靠性高、能强、重量轻、成本低、精度高以及使用灵活等优点,已经成为当今世界惯性导航系统的主流。电子技术、计算机技、现代控制理论等关键技术的飞速发展为捷联惯性导航技术的发展创造了利条件。新一代低成本中等精度的惯性仪表如挠性陀螺、激光陀、光纤陀螺、石英加速度计,微机械陀螺的研制成功为捷联系统的发展打下物质基础。捷联技术的研究工作如算法编排、误差建模、误差定与补偿、测试技术等得到了迅速发展。新的捷联惯性系统产品遍用于各种战术武器和飞机航姿系统中随着固态仪表精度的不提高误差补偿技术的逐渐完善捷联系统现已逐步代平台系统成为一项比较成熟的技术

性传感器技术

  捷联惯性测量组件IMU是捷联惯性系统的核心部件由于它直安装在载体上因此IMU输出信息的精度在很大程度上决定了统的精度IMU的测量精度主要是由所采用的陀螺仪来决定的,所以陀螺仪是导航系统中最核心的部件一般系统也根据使用陀螺传感器类型进行分类。主流惯导系统主要分为挠性陀螺惯导统、静电陀螺惯导系统、光纤陀螺惯导系统、激光陀螺惯导系统微机械陀螺惯导系统几大类。

不同类型陀螺惯导系统的特点:

1.挠性陀螺:成本低精度也较低动态范围受限需要用的马达电源和力反馈回路。

2.静电陀螺精度高,工艺要求高,成本高,需要复杂的电子装置,如支承和测角系统等。静电陀螺仪研制工作始于1965年沿着Honeywell公司的空心球案展开1990年通过了0.001°/h的随机漂移率的鉴定90代中期开始转向实心球静电陀螺仪方案的研制但是工艺要求常高转子或电极的极微小几何形状误差都会形成干扰力拒陀螺漂移

3. 激光陀精度高具有很强的抗冲击能力和很宽的动态范围存在的最问题是其制造工艺比较复杂.因而造成成本偏高同时其体积和量也偏大。这一方面限制了其进一步的发展和应用另一方面也使激光陀螺仪向低成本、小型化以及三轴整体式方向发展

3.光学陀螺仪—干涉型光纤陀螺IFOG)。具有激光陀螺的许多优点而且还制造工艺简单、积小、成本低重量轻是目前国内外的研究热点但是光纤陀螺对瞬变温度有很强的敏感性早在80年代初期舒伯在表的文章中告诫说IFOG中的传感器线圈会表现出很强的不可热感应现象因此当温度迅速变化时会产生很大的偏置误差

4.微机械陀螺(MEMS陀螺):

体积小、重量轻。微机械陀螺主要采用类集成电路的硅加工艺器件尺寸均在毫米量级重量在克级。

批量生产、成本低性能稳定、抗干扰能力强。由于器件是一个整体无须装配合所以有良好的整体稳定性、抗干扰能力可靠性高。

易集成。采用MEMS工艺的陀螺很容易进行系统集成将电加速度计集成一体实现惯性组合。

   由于具有以上优点因此MEMS陀螺在各个领域都有广泛的应。尤其在对重量、尺寸要求很高的航空、航天、军事、工业应用、智能制造等领域MEMS陀螺具有绝对的优势。

  KT-EX3-2为开拓导控旗下三轴微陀螺组合。完全国产化产品,自主可控。该产品具有精度高,噪声小,重复性好,低功耗,低延迟,抗冲击,传感器全要素补偿,体积小,重量轻,便于安装等特点,完全兼容STIM202系列产品。可助力民营军工企业实现元器件国产化升级。

 

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