一 慣性器件綜述

2021-10-11 00:16:22 字數 2155 閱讀 4369

在自動駕駛或機械人領域,我們目前接觸最多的慣性器件就是mems了,偶爾會接觸到採集車裡的光纖慣導。

這是我們處在這個行業所看到的情況,但其實它只是慣性領域的區域性,把區域性放在全域性裡去看,會對它有更深的理解。

為了做到這一點,我們需要在橫向上了解還有哪些其它的慣性器件,在縱向上了解每種器件的發展歷史。

慣性技術的發展史,本質上就是慣性器件的發展史。慣導系統的每一次突破,都是從慣性器件的突破開始的。

慣性器件包括陀螺儀和加速度計,其中陀螺儀的發展佔主要地位,慣性技術發展的時期劃分也主要是按照陀螺儀的發展歷史劃分的。先看張歷史脈絡圖吧。

60年代以前的陀螺儀都是基於牛頓力學的,具體來講就是陀螺的定軸性,這一代的慣導系統也被稱為「平台式慣導系統」。

所謂「平台式」,是指陀螺處在乙個三軸隨動平台上,載體運動過程中,陀螺由於定軸性,保持方向不變,那麼平台就要

往載體運動的反方向旋轉,此時便可根據平台敏感到的資訊,計算姿態角。早期是機械陀螺,陀螺由機械機構支撐,後期

發展的液浮式陀螺和靜電式陀螺使精度進一步提高,同時也增加了系統複雜性。

這是光學陀螺的時代,包括雷射陀螺和光纖陀螺。光學陀螺的出現使慣性領域發生了根本性的變化,因為它改變了慣導系統的工作方式。

由於光學陀螺自身可以敏感角度變化,所以它不需要隨動平台,慣導系統可以直接固聯在載體上,利用陀螺輸出的角度變化量直接計算姿態。

這種和載體固聯的慣性導航系統被叫做「捷聯式慣導」

從這一代開始,後面的幾十年,「捷聯式慣導」越來越成為慣導系統的主流方式,「平台式慣導」就逐漸被限制在極高精度領域,

只有一些戰略性的軍用裝置上還在使用。而且後面幾代的慣性器件,也都是在捷聯式慣導系統中工作的。

如果說光學陀螺使慣性技術發生蛻變,那麼mems技術則使其爆發。由於mems精度範圍寬,選擇多,所以擴充套件了慣性技術的使用領域,

遍布我們生活的方方面面,真正實現讓所有動的東西都可測。從這一代開始,慣導系統的演算法也發生了分化。由於mems的存在極大拉

寬了陀螺儀精度範圍,高精度光學陀螺和低精度mems陀螺的精度甚至可以差7至8個數量級,這使導航演算法發生了從量變到質變的轉化。

這是未來的一代,以量子陀螺這些新生事物為主,還處在基礎研究階段。

另外,最近半球諧振陀螺在專業領域是熱議的話題,它將是下一代慣性器件的主流,這一點已經在業內形成共識。

陀螺儀這幾個階段的發展是代替式的發展,新一代的出現會使舊的一代逐漸退出這個領域,只是中間會有過渡期,而且很長。

各類陀螺儀當前所處的階段可以用一張圖描述。

加速度計雖然也是慣導系統的核心部件,但是在慣導系統領域的重視程度上一直處在次要地位。它的劃分沒那麼複雜,

而且用來做陀螺的新技術有些也可以用來做加速度計,比如mems加速度計、量子加速度計等。所以我們就直接給出一張加速度計的發展階段圖啦。

我們從事這個領域,一般都是通過做融合演算法才接觸慣性器件的。演算法會隨著器件精度的變化而變化,而且這種變化是巨大的,

我們以後會通過理論來分析導致這種變化的原因。由於現在各種型別的慣性器件在市場上共存,但是每個應用領域接觸的器件卻基本都是同一等級的,

比如常見的手機導航、機械人、自動駕駛、測繪、軍用,等級分明。如果只接觸過其中乙個領域,容易理所當然地認為其他領域也應該是這樣。

當兩個做導航的坐在一起,但是話卻永遠說不到一塊去,很多時候就是這個原因導致的。面對這種情況,我們一方面要盡可能多接觸不同領域的方法,

這也能為自己的工作提供借鑑,另一方面,要進入到演算法背後,了解其本質,如果明白造成這種差異的理論原因,那麼就能把對經驗的依賴盡可能降低。

最後,給一張圖,直觀感受下不同領域在精度這個座標軸上的差距。

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