慣性傳感器

      一個多世紀以來，慣性傳感器一直用于測量物體相對于慣性參考系的運動。最初創(chuàng)建時，慣性傳感器由大型機械陀螺儀和加速度計組成。然而，自 20 世紀 30 年代初以來，眾多科學家、工程師和機構一直在完善這項技術，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用。

      慣性傳感器的等級

      慣性傳感器市場在產(chǎn)品價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給許多客戶在確定組件選擇和定價時帶來極大的困惑。此外，慣性傳感器的高、中、低檔性能沒有統(tǒng)一的定義或標準，因此一位專家認為的高端可能在另一位專家看來是低端。然而，一般來說，慣性傳感器可以分為以下四個性能類別之一：

        ? 航海級

        ? 戰(zhàn)術級

        ? 工業(yè)級

        ? 汽車/消費級

      這些性能類別通常是根據(jù)傳感器的運行中偏置穩(wěn)定性來定義的，因為運行中偏置穩(wěn)定性在確定慣性導航性能方面起著如此重要的作用。

圖：1.1 加速度計性能等級

      如圖 1.1 所示，加速度計主要有兩種類型，它們構成了不同的加速度計性能類別：機械加速度計和石英/MEMS 加速度計。石英和 MEMS 加速度計的運行中偏置穩(wěn)定性通常為 1000 μg 至 1 μg，涵蓋所有四個性能類別，而機械加速度計可以達到低于 1 μg 的運行偏置穩(wěn)定性，但通常僅用于導航級應用由于尺寸大且成本高。

圖：1.2 陀螺儀性能等級

      市場上有許多不同類型的陀螺儀，其性能水平各異，包括機械陀螺儀、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級、工業(yè)級和戰(zhàn)術級市場，而光纖陀螺儀涵蓋所有四個性能類別。環(huán)形激光陀螺儀通常具有運行中偏置穩(wěn)定性，范圍從 1°/小時到小于 0.001°/小時，涵蓋戰(zhàn)術和導航級別。機械陀螺儀是市場上性能最高的陀螺儀，并且可以達到小于 0.0001°/小時的運行中偏置穩(wěn)定性。

      加速度計和陀螺儀可以用作單獨的慣性傳感器，但大多數(shù)應用將這些傳感器組合在一起形成慣性系統(tǒng)。當陀螺儀與加速度計結合使用時，陀螺儀的性能通常對慣性導航性能具有更大的影響。因此，陀螺儀運行中偏置穩(wěn)定性通常被用作慣性系統(tǒng)質量的速記指標。表 1.1 提供了與每個不同慣性傳感器性能等級相關的典型陀螺儀運行中偏置穩(wěn)定性。

      慣性傳感器的性能等級（表1.1）

      在確定哪種級別的慣性傳感器最適合特定應用時，了解所需的精度類型以及項目的預算限制非常重要。隨著慣性傳感器性能等級的提高，其相關成本也隨之提高，如表 1.1 所示。消費級慣性傳感器的低成本使其成為智能手機和平板電腦的理想選擇。另一方面，導航級慣性傳感器具有更高的精度，但成本也更高，因此僅在最關鍵的任務應用中實用。

      慣性傳感術語

      隨著慣性傳感器市場的增長，慣性傳感器的使用以及用于描述慣性傳感器的不同術語也隨之擴大。公司文獻和互聯(lián)網(wǎng)上提供的信息中使用了大量的技術術語和首字母縮略詞，因此很難確定哪種慣性傳感器組合最適合特定應用。此外，其中許多術語可以互換使用，因此了解構成每個系統(tǒng)的組件以及每個系統(tǒng)提供的計算導航輸出非常重要。表 1.2 中描述了一些更常見的慣性傳感術語，請注意，括號中列出的傳感器可能包含也可能不包含在慣性系統(tǒng)中。

      慣性傳感術語（表1.2）

      當提及表 1.2 中列出的慣性系統(tǒng)時，通常根據(jù)系統(tǒng)測量的總軸數(shù)來描述它們。單個慣性傳感器只能感測沿或繞單個軸的測量。為了提供三維解決方案，必須將三個單獨的慣性傳感器安裝在一起形成一個稱為三元組的正交簇。這組安裝在三元組中的慣性傳感器通常稱為三軸慣性傳感器，因為該傳感器能夠沿三個軸中的每一個提供一次測量。類似地，由 3 軸加速度計和 3 軸陀螺儀組成的慣性系統(tǒng)被稱為 6 軸系統(tǒng)，因為它沿三個軸中的每一個提供兩個不同的測量，總共六個測量。表 1.3 定義了一些更常見的傳感器組合。

      N 軸慣性傳感器（表 1.3）