前言

无人飞机、无人驾驶汽车、无人船、智能机器人等象征性没有人系统软件的智能化独立操纵是当今自动控制系统方面的科研网络热点，也是提高没有人系统软件主体性和自动化程度的关键技术。独立导航栏技术性运用相应的独立网站导航获得没有人系统软件本身的部位、速率及姿势信息内容，是完成没有人系统软件智能化独立操纵不可或缺的技术性确保。在无线通信导航栏、地形匹配导航栏、惯性导航、卫星导航系统、磁导航栏及视觉导航等诸多导航栏技术性中，不用依靠外部信息内容的惯性导航技术性是当前完成没有人系统软件独立导航栏的一种最强大方式方法。根据微机电系统（micro-electro-mechanical system， MEMS）惯性力感应器的MEMS惯性导航技术性是惯性导航技术性的一个关键支系，其系统软件具备低成本、体型小、功能损耗低及其耐冲击强等优势。因而，对于MEMS惯性力感应器以及导航栏技术应用的科学研究对没有人系统软件独立导航栏技术应用的迅速进步和达到其日益提高的使用要求有至关重要的支撑点实际意义。

1. MEMS惯性力感应器

1.1 MEMS惯性力感应器的归类

MEMS惯性力感应器包含MEMS手机陀螺仪及MEMS加速度传感器，其分类有很多种方法，依据精密度由低于高其可分成消費级（零偏》100°/h）和战略级（零偏0.1°/h ~ 10°/h）。

依据认知角速度的方法，MEMS手机陀螺仪能够分成震动臂式、震动盘式和环状串联谐振式。震动臂式MEMS手机陀螺仪根据精确测量扭曲震动力度及其扭曲震动相位差来获得角速度，典型性意味着为ENV-05A系列产品音叉实验式陀螺图片。震动盘式MEMS陀螺图片根据精确测量元器件与底边中间电容器量的转变来获得角速度，典型性意味着为霍尼韦尔企业的HG1940惯性力精确测量模块。环状串联谐振MEMS手机陀螺仪根据精确测量电磁场转变来获得角速度，典型性象征是SiIMU02手机陀螺仪。

依据认知瞬时速度的方法，MEMS加速度传感器可分成偏移式、串联谐振式和静电感应升降式。偏移式MEMS加速度传感器根据检验电容器转变来精确测量瞬时速度尺寸，典型性意味着为Northrop Grumman企业的SiACTM。串联谐振式MEMS加速度传感器根据精确测量串联谐振的转变来精确测量瞬时速度尺寸，精密度很高，典型性象征是霍尼韦尔企业的SiMMA。静电感应升降式MEMS加速度传感器根据精确测量电容器来获得飘浮状况下的圆轮或球体部位进而精确测量瞬时速度尺寸，基础理论高精度，典型性象征是荷兰ONERA企业的SuperSTAR加速度传感器。

依据感测器基本原理，MEMS加速度传感器可分成压阻式、压阻式和电容传感器3类。压阻式加速度传感器根据将相对应固支梁上的电阻器转换成工作电压輸出，就可以将瞬时速度信息内容转换为信号輸出，具备体型小、制作工艺简易、高精度、响应时间快、抗干扰信号强等优势。压阻式MEMS加速度传感器根据精确测量內部压敏电阻值转变与被测瞬时速度的关联，进而计算出来外部瞬时速度，具备检测范围大、净重小、体型小、抗干扰性强、构造简易和测量精度高的优势。电容传感器MEMS加速度传感器根据检验电容器值的变化量，进而计算出来外部瞬时速度，具备测量精度高、敏感度高、可靠性好、功能损耗劣等优势。

1.2 MEMS惯性力感应器的發展概述

从MEMS手机陀螺仪与加速度传感器研制迄今，随着着MEMS技术性的发展趋势，MEMS手机陀螺仪与加速度传感器元器件特性获得显著的提升 。

1.2.1 海外MEMS手机陀螺仪发展史

1954年，C.S阿诗丹顿发觉了压阻效用，为小型液位传感器的研发给予理论基础。1967年，表层放弃层生产工艺被明确提出，并在这个基础上具备高串联谐振的悬梁技术性被研发出。1989年，英国Draper试验室研发出第一台震动归园田居其一机电工程手机陀螺仪，这也是惯性力技术领域的一大转型；1993年，该试验室研发出一种音叉实验线震动归园田居其一机电工程手机陀螺仪，将手机陀螺仪的发展趋势往前迈开一大步。1997年，在美国加州大学伯克利分校，第一个表层微机械设备的Z轴手机陀螺仪被设计方案出，其像素为1°/s。1999年，横滨研究中心明确提出一种选用解耦设计方案的MEMS手机陀螺仪，其屏幕分辨率可以达到1°/h。2001年，英国Draper实验室规划出一种光伏电池音叉实验式MEMS手机陀螺仪，溫度飘移为1°/（h/℃）。2002年，英国ADI企业研发出全世界第一款片式集成化的商业手机陀螺仪ADXRS。2004年，法国的HSG公司设计出一款表层微机械设备的X轴手机陀螺仪，敏感度为8mV/（°/s）。2006年，日本兵库高校的K. Maenska报导了一种仅由一个带电级的锆钛酸铅棱柱体组成的最新型的压电式震动固体微机械设备陀螺图片。2013年，荷兰电子器件与信息科技实验室规划出一种选用了横着悬架设计方案的3D电容器音叉实验陀螺图片。

1.2.2 海外MEMS加速度传感器发展史

二十世纪六十年代末，对MEMS加速度传感器的分析和研发工作中逐渐运行，关键产品研发企业为英国的Draper试验室、斯坦福学校及其美国加州大学伯克利大学。二十世纪70年代，综合性MEMS加工工艺与压阻效用，发生了压阻式加速度传感器，初次完成了MEMS加速度传感器的商业化的。二十世纪八十年代后期，伴随着表层MEMS加工工艺与传感器技术的融合，电容传感器MEMS加速度传感器获得快速发展趋势，并在汽车制造业获得初次运用。1989年，英国的ADI企业研发出一款ADXL50加速度传感器，该加速度传感器有50g测量范围。自二十一世纪至今，伴随着集成电路芯片及电子计算机领域的快速发展趋势，MEMS加速度传感器大量运用于车辆汽车安全气囊，并且在手机、电子计算机等电子器件消費产业链中起到更加关键的功效。将来MEMS加速度传感器将朝着轻量、高精密、经济发展化的角度发展趋势。

1.2.3 中国MEMS惯性力元器件发展史

在我国的MEMS惯性力元器件的探究开始于二十世纪90年代中后期，自1995年起获得国家科技部、国家教育部、国家自然科学基金委员会等全力支持，中国的MEMS手机陀螺仪研发得到了明显成效。1998年清华研发出全国各地第一个音叉实验式MEMS手机陀螺仪，其像素为3°/s。2006年，电子器件集团公司49所与乌克兰运用物理研究所协作研发出屏幕分辨率为70°/h的陀螺图片。2010年，中科院传感技术我国重点实验室报导了一种选用高对称性构造的微振动分析环形陀螺图片。2012年，台湾大学的Chun-Wei Tsai等制做了具备宽推动頻率的双解耦微机械设备陀螺图片。历经20很多年的发展趋势，在我国原有的工艺早已建立从制定到生产制造、检测的一系列管理体系，中国诸多知名MEMS惯性力元器件企业的元器件精密度也得到明显提升。

2. MEMS惯性导航的核心技术

MEMS惯性导航系统设计方案层面主要是导航栏优化算法，包含原始指向、惯性力校正及偏差赔偿等优化算法；其硬件开发层面具体包含电源电路及构造的设计方案、惯性导航感应器（手机陀螺仪、加速度传感器）及导航栏电子计算机的挑选等。系统软件精密度不但与硬件配置有关，并且与系统有挺大关联。在当前硬件配置生产加工技术性进步比较慢的条件下，系统软件相对误差赔偿优化算法至关重要。针对导航栏精密度标准较高的运用，因为系统软件具备长航时的特性，MEMS惯性导航偏差易散发，多选用组成导航栏的方法来抑止惯性导航系统软件的偏差散发。这节主要是详细介绍MEMS惯性力感应器的误差分析与赔偿及其MEMS组成导航栏计算机算法。

2.1 MEMS惯性力感应器的误差分析与赔偿

惯性力感应器是惯性导航系统软件的关键构成，其精密度影响了惯性导航系统软件的精密度，因此 惯性导航系统软件的一项关键工作中便是将惯性力感应器偏差开展赔偿。提升惯性导航系统软件精密度的方式大概有下列二种，第一种是以加工工艺上提升惯性力感应器的精密度，可是此方式 技术水平大，且针对生产加工标准、原材料等规定高；第二种便是选用偏差赔偿方法来针对操作系统的偏差开展赔偿。

MEMS惯性力感应器的误差分析与赔偿方式 大体分成3种：第一种是选用偏差赔偿优化算法的形式开展赔偿，将要偏差根据优化算法线性拟合方法开展赔偿；第二种是选用转动调配技术性，将IMU（惯性力精确测量模块）再加上旋转组织开展转动，根据转动来清除常值偏差（称之为转动调配）；第三种是选用Allan方差分析法，以赔偿体系的随机偏差。

2.1.1 惯性力感应器的气温偏差弥补技术性

溫度所产生的惯性力元器件精密度偏差关键来源于惯性力元器件自身针对环境温度的敏锐水平及其温度场或是溫度与温度场的交叉式相乘项的危害。伴随着气温的转变，惯性力元器件的构造原材料因为热涨冷缩会产生影响扭矩，因而必须针对惯性力元器件的气温特点实现科学研究，以获得溫度针对惯性力元器件輸出特性干扰的规律性，创建加速度传感器静态数据溫度实体模型而且对因环境温度改变导致的偏差开展赔偿，是提升其精密度的一种合理方式。

对手机陀螺仪及加速度传感器的静态数据溫度实体模型开展线性拟合的方式 一般采用最小二乘法，为此获得手机陀螺仪和加速度传感器的数学分析模型指数与溫度的影响并创建静态数据溫度偏差赔偿实体模型，进而提升元器件精密度。中国好几家手机陀螺仪及加速度传感器生产制造企业均对溫度偏差赔偿开展科学研究，使之较赔偿前的商品静态数据偏差减少了一个量级。

2.1.2 惯性力感应器常值飘移偏差的转动调配技术性

转动调配技术性最初使用于静电感应陀螺图片系统软件，根据外壳转动来全自动赔偿飘移偏差扭矩。自激光器陀螺图片问世至今，英国迅速发展了转盘式惯性导航系统软件的科学研究，1968年，有专家学者初次明确提出根据转动IMU的方法来对惯性力感应器的飘移偏差开展赔偿。二十世纪70年代，罗克韦尔企业研发了静电感应陀螺图片探测器，外壳选用了转动技术性，促使与其说搭配的船舰系统软件具有长期的精密度特性。二十世纪八十年代，Sperry企业研发了双轴转动惯性导航系统软件，选用了传统的双轴四部位正反转停计划方案，直到如今该计划方案仍被广泛运用。1989年，北约成员国船舶规范惯性导航系统软件即MK49型两轴转盘式激光陀螺惯性导航系统软件，在潜水艇及其海军舰艇上开展武器装备。在中国国防科大最先逐渐转动调配技术性在电子光学陀螺图片上的运用。现如今转动调配技术性在MEMS上主要是选用双轴转动计划方案，两轴转动计划方案因为转动组织繁杂等缘故相对性使用较少。

因为转动的必须 ，网站导航采用捷联优化算法，从工作原理上而言，MEMS惯性导航系统软件转动调配能够有效的相抵系统软件常值偏差，系统软件的偏差散播方程式以下：

在式（1）中，因为手机陀螺仪及其加速度传感器本身数据误差所产生的系统偏差为σωbib和σfb，因而式中的Cnbσωbib及其Cnbσfb二项偏差是因为数据误差引进的，故偏差赔偿关键赔偿这两项偏差。因为之上两种均包括Cnb，周期性地更改Cnb值就可以清除这两项偏差，故在惯性导航系统软件上增加转动设备，将规律性偏差根据转动相抵，这就是转动调配技术性提升惯性导航系统软件精密度的基本原理。

转动调配计划方案必须明确转动轴数量（双轴、两轴或多轴）、转动速度、转动角加速度、转停時间及终止部位等数主要参数。静底座及动底座下转停计划方案的差异会对转动调配实际效果造成危害。

2.1.3 惯性力感应器随机偏差的Allan方差分析

现阶段较常用的随机偏差建模有时间序列分析分析方法、Allan标准差法及功率谱密度分析方法。

因为惯性导航的偏差方程式推论全是创建在偏差为随机噪声的根基上，而在实际中，MEMS惯性力元器件的导出数据信息包括的各种各样噪音都是会系统对造成影响，造成数值中发生随机偏差。陀螺图片輸出值的偏差中的随机噪声必须模型来赔偿，而Allan方差分析法则是现阶段随机噪声剖析中运用最广泛、最普遍的方式 之一。MEMS元器件中随机偏差关键分成视角马尔可夫链、瞬时速度马尔可夫链、量化分析噪音及零偏可靠性等。

Allan法是在1966年DavidAllan明确提出的，其主要是用以剖析震荡器相位差及其评定頻率可靠性。Allan标准差能够体现出2个持续取样区段内均值頻率差的变化情况，基于相位差数据信息和頻率数据信息的斯托克顿标准差可能式为

2.2 MEMS组成导航栏优化算法

MEMS惯性导航系统软件具备成本低、体型小、功能损耗劣等优点。可是因为MEMS惯性力元器件精密度较低，长期应用会造成偏差散发较快，不可以出任长期的导航栏每日任务，因此 现阶段一般选用多控制器结合的方法来开展导航栏，将要MEMS惯性导航与别的导航栏方法开展结合，根据别的网站导航的导航栏信息内容輔助来调整惯性导航系统软件的偏差，从而来提升全部网站导航的精密度。若要做好好几个网站导航的数据预处理，则要应用过滤等方式 。

2.2.1 卡尔曼滤波优化算法

卡尔曼（Kalman）过滤是一种根据在被提炼的观察数据信号中获取信息内容来对情况量开展估算的数字滤波。Kalman过滤是一种即时递推优化算法，解决的对象是任意目标，依据系统软件噪音与观察噪音，将系统软件的观测值的輸出做为过滤器键入，将必须估算的情况量做为輸出，即根据上一时时刻刻的观测值可能出下一时时刻刻的系统状态量，故其本质上是一种最佳可能方式 。

基本的Kalman过滤适用线形高斯模型，而大部分惯性导航系统软件均为非线性系统，故基本的Kalman过滤不可以符合要求，务必创建适用非线性系统的数字滤波。因而发展趋势出拓展Kalman过滤方式 ，其将非线性系统的非线性函数根据泰勒级数等方式 归一化处理，并省掉高级项，获得现代控制理论实体模型。

因为拓展Kalman过滤是将非线性函数开展归一化处理，因而难以避免的产生归一化处理偏差，从而发展趋势出无迹Kalman过滤。该过滤法对于非线性函数，对其概率密度开展类似，应用早已明确的样版来可能情况的后验概率相对密度，不用对非线性函数开展类似。对比于拓展卡尔曼滤波来讲，无迹Kalman过滤的统计量不但具备更好的精密度，并且具备更好的可靠性。

2.2.2 相辅相成数字滤波

传统式的拓展Kalman过滤具备雅可比矩阵，存有测算量大、而且随机噪声标准不可以确保时时刻刻创立等缺陷；可是选用相辅相成数字滤波能够减少测算量，提升系统软件测量精度，而且不用在随机噪声标准下也可创立。运用手机陀螺仪与加速度传感器在时域上的相辅相成特点能够将手机陀螺仪与加速度传感器的数据预处理精密度提升，完成精度高的结合。

2.2.3 神经元网络

设备神经元网络是以微生物神经元网络为原形。神经元网络是深度学习的一种，根据信息系统来练习实体模型主要参数，神经元网络关键由键入层、輸出层及暗含层组成。从20新世纪40时代的M-P神经细胞和Hebb学习培训标准，到50时代的Hodykin-Huxley方程式、感知器实体模型与自适应滤波器，再到60时代的生态系统理论投射互联网、神经系统认知能力机、响应式共震互联网，诸多神经元网络测算实体模型已發展变成 机器视觉、信号分析等行业的传统方式 ，产生了长远的危害。

神经元网络有正方向神经元网络及反方向神经元网络二种。神经元网络具备并行计算、分布式系统储存、高信息冗余、能够开展离散系统计算及其较好的容错性等特性。伴随着神经元网络技术性的发展趋势，其应用范围也在不断地扩宽，现如今在惯性导航、图象处理等方面激发着非常重要的功效。神经元网络优化算法具备普遍的理论基础，在其中包含神经元网络结构模型、通信网络实体模型、记忆力实体模型。学习培训优化算法说明，根据神经元网络优化算法的互联网大数据剖析具备优良的性能指标和应用前景，在感应器的数据预处理中给予了重要依据，为没有人系统软件的独立导航栏做出关键的奉献。模糊不清神经元网络在数据预处理、大数据挖掘中使用性能，能够不错运用语言表达，且专业知识表达方式便于了解，但存有自自学能力弱、难运用标值信息内容等缺陷，故可将神经网络算法与模糊不清系统软件做好融合。

3. MEMS惯性导航的运用

MEMS惯性导航技术性以其体型小、功能损耗低、重量较轻及成本低等优点在多种多样没有人系统软件，如无人飞机、无人驾驶汽车、无人船及智能机器人等操作系统中获得广泛运用。

3.1 无人飞机行业

在近年来，微小型无人机在军工用及其民用型行业内起到着愈来愈关键的功效，而为了更好地完成无人飞机本身的市场定位及其精准定位，航姿自动控制系统充分发挥着非常重要的功效。航姿自动控制系统关键由GPS无线天线、GPS接受板、捷联式磁感应器、惯性力精确测量模块、高宽比空速感应器及其调养模块组成。感应器的精密度立即决策无人飞机位姿的精密度，感应器收集到的数据信息根据导航栏优化算法测算出无人飞机的部位姿势信息内容。现阶段无人飞机的导航栏关键采用将MEMS惯性导航系统软件与GPS组成的方式，那样既能够提升系统软件精密度，又可以减少原始指向的時间。现如今无人飞机上边配用的网站导航精密度为消費级，如Invensense MP6500的精密度为2°/s，而伴随着MEMS元器件精密度的提升及其费用的减少，将来无人飞机的导航栏精密度将提升。

3.2 无人驾驶汽车行业

无人驾驶汽车是根据车截感应器来感受外部自然环境，而且获得汽车部位、姿势信息内容及其阻碍物信息内容，进而操纵车子行车速率、转为及其启停等。现阶段Google、百度搜索等企业均在进行无人驾驶汽车的研发工作中，并早已进行路面试验。当无人驾驶汽车走动到又高又大房屋建筑下，且GPS被挡住而不能正常的运行时，没有人车里配备的惯性导航系统软件短期内内的精密度能够考虑车子独立向前的要求。没有人车里的MEMS惯性导航系统软件，一般精密度需求较高。

3.3 无人船行业

因为边境线巡查、水体勘查等每日任务所采用平常的船舰机器设备比较风险而且费用较高，导致无人船技术性进步快速。获得无人船部位姿势信息内容是无人船可以独立开展工作的关键前提条件。现如今没有人船里配置的控制器具体有GPS，MEMS惯性导航系统软件及躲避障碍物雷达探测等。伴随着MEMS惯性导航系统软件精密度的提升 ，惯性导航系统软件在无人船的部位姿势信息内容获得中激发着非常重要的功效。没有人船里配用的MEMS惯性导航系统软件，一般消費级的低中精密度就可以满足需求。

3.4 智能机器人行业

工业机械手是一种能够独立在稳定或时变自然环境中实现作业的自动化机械。近些年在服务行业、家居家具、工业生产等各个领域运用普遍。轮式机器人在使用领域与无人驾驶汽车类似，均根据视觉效果照相机、MEMS惯性力感应器、毫米波雷达及里程计等感应器采集数据开展导航栏。中国高等院校如国防科大、清华、上海交大、哈工大等高等院校均对轮式机器人较早開始科学研究工作中。在采用惯性力感应器与里程计的轮式机器人的导航栏全过程中，MEMS惯性力感应器给予精准的姿势角，而因为车轮子跑偏等对惯性导航及其里程计造成危害，现大多数根据视觉效果里程计与MEMS惯性导航组成导航栏，根据拓展Kalman数字滤波来开展数据预处理，进而增强系统软件精密度。

3.4 别的行业

除开以上行业外，MEMS惯性力感应器仍在电子产品，如手机上、平板、街机游戏机、照相机、VR近视眼镜及其用以室内定位技术的单兵导航栏。现阶段消防队员在高楼大厦救火时及其活动不便的老年人在家里的生命安全难题是社会发展广泛关心的难题，假如将MEMS惯性导航系统软件置放在检测工作人员的身上开展导航栏，则能够得到即时部位姿势信息内容，那样就可以提升被监控工作人员的安全性能。应用MEMS惯性导航系统软件开展房间内人员定位系统方法大概有下列几类：一种是运用MEMS加速度传感器对工作人员脚步情况开展监测鉴别，再根据磁力计检验工作人员健身运动方位，从而来实现房间内工作人员的定项精准定位。此外一种方式 是使用2个或好几个MEMS惯性导航系统软件，安裝在工作人员足部及其腹部部位，根据好几个MEMS惯性导航系统软件调整方式 来开展精准定位。

4. MEMS惯性导航的发展趋势未来展望

4.1 MEMS惯性导航元器件

近年来，MEMS惯性力感应器发展趋势快速，精密度持续提升 。尽管对比光纤线陀螺图片、激光陀螺仍有非常大差别，可是其价格便宜、体型小、重量较轻，使MEMS惯性导航系统软件在惯性导航系统软件中起到主要功效。将来伴随着MEMS原材料加工工艺与生产制造加工工艺持续发展趋势，MEMS惯性导航系统软件精密度终将持续提升 ，其费用也将持续减少，因而选用发展战略级高精密MEMS手机陀螺仪替代光纤线手机陀螺仪是一个关键发展趋向。伴随着微制作工艺的不断发展，MEMS惯性力感应器将朝着质轻、微型化角度发展趋势。

4.2 MEMS组成导航栏优化算法

虽然MEMS惯性力感应器精密度在不断发展，可是战略级MEMS惯性导航系统偏差随時间累积依然散发很大，在许多场所还无法达到高精密的规定，故MEMS惯性导航与GPS组成导航栏依然是关键导航栏方法。因而，科学研究精密度及其高效率高些、可扩展性更强的优化算法，在系统层面给与组成网站导航适用也是至关重要的发展前景。

4.3 MEMS惯性导航的运用

在MEMS技术性进步的数十年内，MEMS惯性导航技术性在电子器件行业、汽车制造业及其家政服务领域取得了广泛运用。伴随着MEMS惯性导航精密度和可靠性持续提升 ，将来MEMS惯性导航技术性终将在没有人系统软件行业，如航天飞机、通讯卫星、智能机器人等没有人系统软件中，饰演至关重要的人物角色。

5. 总结

MEMS惯性导航技术性具备微型化、成本低等优点，过去数十年内取得了快速发展趋势，在没有人系统软件行业内取得了愈来愈多的运用，其做为将来惯性导航的具体发展前景，已经展示出强劲的发展潜力及其较好的应用前景。文中回望了MEMS惯性导航系统软件发展史，汇总其核心技术，并对MEMS惯性导航技术性的运用及发展趋势开展未来展望，为MEMS惯性导航系统软件的分析给予参照。
来源于；MEMS

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