微慣性系統(tǒng)理論與應(yīng)用

微慣性系統(tǒng)理論與應(yīng)用第1頁/共74頁一、慣性技術(shù)概述第2頁/共74頁1、慣性技術(shù)的概念

利用力學(xué)慣性原理和其它有效原理，測量和控制物體運(yùn)動姿態(tài)、速度和位置的工程技術(shù)。

姿態(tài)角：橫滾角航向角俯仰角第3頁/共74頁

加速度、速度與航程之間的關(guān)系

加速度計(jì)可用于測量運(yùn)動體的加速度。

已知初始條件的情況下，測量的運(yùn)動體加速度經(jīng)過一次積分可以得到運(yùn)動速度。經(jīng)過二次積分得到運(yùn)動距離，從而給出運(yùn)動體的瞬時速度和位置數(shù)據(jù)。式中，a為運(yùn)動體加速度；V為運(yùn)動體速度；S為運(yùn)動體移動距離。第4頁/共74頁

由上述公式可知，一個沿直線運(yùn)動的載體，只要借助于加速度計(jì)測出它的加速度，那么載體在任何時刻的速度和相對出發(fā)點(diǎn)的距離就可以實(shí)時地計(jì)算出來。不需要外界信息，只是通過對載體本身的慣性測量就可獲得載體的速度以及位置信息。問題：加速度計(jì)的位置相對于運(yùn)動載體是固定的，而運(yùn)動載體本身相對于參考坐標(biāo)系不同時刻具有不同的姿態(tài)，此時如何獲取速度與位置信息？第5頁/共74頁

姿態(tài)角

將加速度計(jì)的輸出變換到導(dǎo)航坐標(biāo)系，計(jì)算出運(yùn)動載體的速度、位置等導(dǎo)航參數(shù)。

通過陀螺儀獲取運(yùn)動載體的姿態(tài)信息，建立運(yùn)動載體和參考坐標(biāo)系之間的關(guān)系。以飛機(jī)為例，確定航向角、俯仰角和橫滾角相對地理坐標(biāo)系的變化。第6頁/共74頁第7頁/共74頁

慣性導(dǎo)航

導(dǎo)航：正確地引導(dǎo)載體沿預(yù)定的航線在規(guī)定的時間內(nèi)到達(dá)目的地的過程。比如使船舶或飛機(jī)按預(yù)定航線到達(dá)預(yù)定目的地。慣性技術(shù)—包括慣性導(dǎo)航技術(shù)、慣性制導(dǎo)技術(shù)、慣性測量技術(shù)、慣性元件、慣性系統(tǒng)與元件測試技術(shù)的總稱。

制導(dǎo)：是指自動控制和導(dǎo)引飛行器按預(yù)定軌道或飛行路線準(zhǔn)確到達(dá)目標(biāo)的過程。

慣性制導(dǎo)第8頁/共74頁司南，漢（公元前206－公元220年）。盤17.8×17.4厘米,勺長11.5，口徑4.2厘米。司南由青銅地盤與磁勺組成。地盤內(nèi)圓外方；中心圓面下凹；圓外盤面分層次鑄有10天干，十二地支、四卦，標(biāo)示二十四個方位。磁勺是用天然磁體磨成，置于地盤中心圓內(nèi)，勺頭為N，勺尾為S，靜止時，因地磁作用，勺尾指向南方。

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指南魚，大約在北宋初期，我國古人創(chuàng)制的一種新指南工具。指南魚用一塊薄鋼片做成，形狀像魚，魚的肚皮部分凹下去一些，像小船一樣浮在水面上。宋代還有用木頭做的指南魚和指南龜。木指南魚是用木塊刻成的，魚腹里放入一塊磁性強(qiáng)的天然磁石，用蠟封好，在魚口插入一根針，此魚就能指南了。

指南龜?shù)闹品ê驮砼c木指南魚基本相同。第10頁/共74頁

“過洋牽星”

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鄭和下西洋獨(dú)創(chuàng)的天文導(dǎo)航系統(tǒng)

所謂過洋牽星，是指用牽星板測量所在地的星辰高度，然后計(jì)算出該處的地理緯度，以此測定船只的具體航向。鄭和下西洋時代，人們不僅可以觀測天體以辨航向，而且還能夠用儀器來測量天體的高低來定船位和行向精確程度，形成了觀測“星斗高低，度量遠(yuǎn)近”的過洋牽星術(shù)。

第11頁/共74頁2、慣性技術(shù)發(fā)展歷史

1687年，牛頓提出的力學(xué)三大定律。

理論基礎(chǔ)1765年，俄國科學(xué)院院士歐拉出版了著作《剛體繞定點(diǎn)轉(zhuǎn)動理論》，首次利用解析分析的方法對定點(diǎn)轉(zhuǎn)動剛體做了本質(zhì)的解釋，創(chuàng)立了轉(zhuǎn)子陀螺儀的力學(xué)基本理論。1778年，法國科學(xué)家拉格讓日在《分析力學(xué)》一書中建立了在重力矩作用下定點(diǎn)轉(zhuǎn)動剛體的運(yùn)動微分方程組。1852年法國科學(xué)家傅科根據(jù)歐拉和拉格朗日的剛體定點(diǎn)轉(zhuǎn)動理論制造出了用于驗(yàn)證地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動的測量裝置，并在巴黎科學(xué)院作了實(shí)驗(yàn)演示，傅科稱之為陀螺(gyroscope)。第12頁/共74頁

慣性技術(shù)發(fā)展歷史

第13頁/共74頁第一代慣性技術(shù)：1930年以前1687年牛頓三大定律建立，成為慣性導(dǎo)航的理論基礎(chǔ)；1852年，傅科提出陀螺的定義、原理及應(yīng)用設(shè)想；1908年由安修茨研制出世界上第一臺擺式陀螺羅經(jīng)，依靠重力力矩自動找北。1910年的舒勒（MaxSchuler）調(diào)諧原理，即指北精度不受外界加速度沖擊的影響。第一代慣性技術(shù)奠定了整個慣性導(dǎo)航發(fā)展的基礎(chǔ)。第14頁/共74頁第二代慣性技術(shù)：上世紀(jì)30年代至-60年代研究內(nèi)容從慣性儀表技術(shù)發(fā)展擴(kuò)大到慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用。首先是慣性技術(shù)在德國V-II火箭上的第一次成功應(yīng)用；到50年代中后期，0.5mile/h的單自由度液浮陀螺平臺慣導(dǎo)系統(tǒng)研制并應(yīng)用成功；1968年，漂移約為0.005o/h的G6B4型動壓陀螺研制成功。出現(xiàn)了另一種慣性傳感器－加速度計(jì)。在技術(shù)理論研究方面，為減少陀螺儀表支承的摩擦與干擾，撓性、液浮、氣浮、磁懸浮和靜電等支承懸浮技術(shù)被逐步采用；1960年激光技術(shù)的出現(xiàn)為今后激光陀螺（RLG）的發(fā)展提供了理論支持；捷聯(lián)慣性導(dǎo)航（SINS）理論研究趨于完善。第15頁/共74頁第三代慣性技術(shù)：上世紀(jì)70年代初-80年代中期出現(xiàn)了一些新型陀螺、加速度計(jì)和相應(yīng)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS），其研究目標(biāo)是進(jìn)一步提高INS的性能，并通過多種技術(shù)途徑來推廣和應(yīng)用慣性技術(shù)。這一階段的主要陀螺包括：靜電陀螺（ESG）、動力調(diào)諧陀螺（DTG）、環(huán)形激光陀螺（RLG）、干涉式光纖陀螺IFOG等；基于Sagnac干涉效應(yīng)的RLG和捷聯(lián)式激光陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)（SINS）在民航方面得到應(yīng)用；出現(xiàn)基于不同物體原理的陀螺儀：超導(dǎo)體陀螺、粒子陀螺、音叉振動陀螺、流體轉(zhuǎn)子陀螺及固態(tài)陀螺等；80年代，伴隨著半導(dǎo)體工藝的成熟和完善，采用微機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制電路工藝制造的微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）開始出現(xiàn)。第16頁/共74頁第四代慣性技術(shù)

目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)高精度、高可靠性、低成本、小型化、數(shù)字化、應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛的導(dǎo)航系統(tǒng)。陀螺的精度不斷提高，漂移量可達(dá)10-6o/h；隨著RLG、FOG、MEMS等新型固態(tài)陀螺儀的逐漸成熟，以及高速大容量的數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，SINS在低成本、短期中精度慣性導(dǎo)航中呈現(xiàn)出取代平臺式系統(tǒng)的趨勢。

原子陀螺第17頁/共74頁3、慣性技術(shù)的應(yīng)用歷史

飛越英吉利海峽

闖入冰下迷宮

挑戰(zhàn)廣袤無垠的太空

“沙漠風(fēng)暴”之戰(zhàn)第18頁/共74頁

飛越英吉利海峽

第二次世界大戰(zhàn)期間，火箭技術(shù)和飛機(jī)一樣因軍事用途而取得了長足的進(jìn)步，以德國的馮·布勞恩為首的研究小組研制出了V-2火箭，并于1944年9月8日傍晚，在倫敦市區(qū)暴炸了世界上投入戰(zhàn)爭的第一枚彈道式導(dǎo)彈V-2

。它從德國本土飛過英吉利海峽直奔英國首都，被希特勒稱為“第三帝國的秘密武器”。由于V-2導(dǎo)彈上裝有一套簡單的慣性制導(dǎo)裝置，從而實(shí)現(xiàn)了從歐洲大陸飛越大海，襲擊預(yù)定目標(biāo)。出現(xiàn)在德國的V-2火箭上的第一套實(shí)用的慣性制導(dǎo)系統(tǒng)，也是世界上第一個慣性制導(dǎo)系統(tǒng)，盡管精度還比較低，但不能不認(rèn)為是慣性技術(shù)發(fā)展史上的一個里程碑。第19頁/共74頁第20頁/共74頁

闖入冰下迷宮

1958年美國將第一臺艦用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（N6）安裝在攻擊性核潛艇“魟魚號”上，完成了穿越北冰洋冰層下的航行，并順利通過了地理上的北極點(diǎn)，歷時96小時，航行1830海里，艇位誤差僅為10海里左右。這一史無前例的創(chuàng)舉，震撼了全世界。（1海里=1.852公里）

1960年11月15日，美國“喬治·華盛頓”號核潛艇開始在北大西洋執(zhí)行它的第一次非戰(zhàn)時巡邏任務(wù)。這次巡邏歷時66天10小時，于1961年1月21日返回基地。艇上載有16枚射程為1200海里的美國第一代潛射核導(dǎo)彈“北極星”A1導(dǎo)彈。核潛艇和潛射導(dǎo)彈上都裝有慣性系統(tǒng)?！皢讨巍とA盛頓”號彈道導(dǎo)彈核潛艇的建成，標(biāo)志著潛射彈道導(dǎo)彈第一次構(gòu)成了真正的全球性威懾力量。

第21頁/共74頁1998年5月，俄羅斯利用潛艇從水下成功發(fā)射了一顆科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星，由于艇上裝有慣性系統(tǒng)，故能將該衛(wèi)星精確地送入預(yù)定軌道。第22頁/共74頁

挑戰(zhàn)廣袤無垠的太空

第二次世界大戰(zhàn)后的太空開發(fā)，慣性技術(shù)又有了新的發(fā)展，特別是美國和前蘇聯(lián)的激烈競爭又使其迅猛發(fā)展。1957年10月4日，前蘇聯(lián)第一顆人造衛(wèi)星上天;1961年4月前蘇聯(lián)宇航員——加加林首次進(jìn)入太空;1960年中期美國推出將人類送上月球的“阿波羅”計(jì)劃；其中開發(fā)強(qiáng)大火箭的重?fù)?dān)就落在前德國專家馮.布勞恩身上;1969年7月20日美國東部夏令時10時56分15秒美國宇航員——阿姆斯特朗首次踏上月亮。之后有五次共12名宇航員踏上月亮。從而完成了從牛頓定律到人們遨游太空的漫長歷程。第23頁/共74頁

“沙漠風(fēng)暴”之戰(zhàn)20世紀(jì)90年代初，被美國稱為“沙漠風(fēng)暴”的海灣戰(zhàn)爭，是第二次世界大戰(zhàn)以來規(guī)模較大、采用新式武器較多的一場現(xiàn)代化戰(zhàn)爭。這場戰(zhàn)爭是以航空武器為主體的現(xiàn)代化常規(guī)戰(zhàn)爭，42天戰(zhàn)爭中，空襲占了38天，地面戰(zhàn)爭進(jìn)展4天。戰(zhàn)爭中使用了多種精確制導(dǎo)武器，從多國部隊(duì)的武器裝備來看，各種飛機(jī)、導(dǎo)彈、艦船及先進(jìn)的坦克、裝甲車和自行火炮等都裝備了各式各樣的慣性系統(tǒng)，可以說慣性系統(tǒng)在海灣戰(zhàn)爭中是多種武器的心臟，是決定武器精度的關(guān)鍵。1999年以美國為首的北約對南聯(lián)盟的空襲也證明了這一點(diǎn)。第24頁/共74頁彈道導(dǎo)彈要發(fā)揮其威力，必須射程遠(yuǎn)、爆炸威力大、命中精度高。精確制導(dǎo)武器在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的使用比例從中可以看出精確制導(dǎo)武器在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的地位和作用。第25頁/共74頁二、MEMS技術(shù)概述第26頁/共74頁1、MEMS概念第27頁/共74頁

MEMS——微機(jī)電系統(tǒng)是指可以批量制作的、集微型機(jī)械、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號處理和控制電路直至接口、通訊和電源等于一體化的微型系統(tǒng)。典型MEMS功能組成第28頁/共74頁第29頁/共74頁

微靜電馬達(dá)

1988年，加州伯克利分校馬達(dá)的直徑為100μm，厚度僅為1μm，在350V的三相電壓作用下最大轉(zhuǎn)速可達(dá)500轉(zhuǎn)/分鐘。第30頁/共74頁第31頁/共74頁第32頁/共74頁數(shù)字光學(xué)控制器(DLP)

1987年美國德州儀器（TI）公司發(fā)明優(yōu)點(diǎn)：高分辨率、高對比度、響應(yīng)速度快、帶寬等。應(yīng)用：數(shù)字相機(jī)、高頻天線陣列、新一代外層空間望遠(yuǎn)鏡、全息照相、數(shù)字圖像處理等，目前，DMD廣泛應(yīng)用于數(shù)字光處理器件(DLP)，用于數(shù)字投影顯示（DPD）、高清晰度電視（HDTV）、微型顯示。目前,全球已經(jīng)有將近40家著名的TV和放映設(shè)備廠商開始采用DLP子系統(tǒng)。LG公司也在韓國電子展覽會上展示了一款采用DLP子系統(tǒng)的52英寸彩電(1英寸=2.54cm)

。第33頁/共74頁第34頁/共74頁RFMEMS第35頁/共74頁MEMS麥克風(fēng)是利用硅薄膜來檢測聲壓的，MEMS麥克風(fēng)能夠在芯片上集成一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器，形成具有數(shù)字輸出的麥克風(fēng)。MEMS麥克風(fēng)用途廣泛，目前主要應(yīng)用在手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、MP3播放器和PDA、耳機(jī)和助聽器等領(lǐng)域。樓氏聲學(xué)公司出品的SiSonic貼片式MEMS麥克風(fēng)MEMS麥克風(fēng)第36頁/共74頁

微型生物分析儀第37頁/共74頁第38頁/共74頁2.MEMS的基本特征

尺度微型化、系統(tǒng)集成化當(dāng)尺度縮小到微米乃至亞微米量級時，產(chǎn)生尺度效應(yīng)，使得物理現(xiàn)象與宏觀世界有很大差別。MEMS尺度第39頁/共74頁

尺度效應(yīng)特征：

力的尺度效應(yīng)。與特征尺寸高次方成比例的力的作用減?。☉T性力、體積力、電磁力），與特征尺寸低次方成比例的力的作用明顯增加（靜電力、摩擦力、黏性力），并成為影響MEMS性能的主要因素。

第40頁/共74頁力的尺度效應(yīng)第41頁/共74頁

表面效應(yīng)。表面積與體積之比相對增大，表面效應(yīng)突出。從而熱傳導(dǎo)、化學(xué)反應(yīng)均加速，表面摩擦阻力顯著增大。S/V10-4/mmS/V0.1/mm第42頁/共74頁abcS/V=l-1/mm*尺寸減小10倍，體積減小1000倍，而表面積僅僅減小100倍，同樣重量也減小1000倍。第43頁/共74頁

材料的尺度效應(yīng)。尺度越小，元器件內(nèi)部缺陷出現(xiàn)的概率越小，從而器件的強(qiáng)度會大幅度增加。MEMS器件的彈性模量、抗拉強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、殘余應(yīng)力等都不同于大器件。

微弱信號效應(yīng)。MEMS的前段裝置如微傳感器的輸出信號十分微弱，傳統(tǒng)的測量工具和儀器難以實(shí)現(xiàn)微弱信號的檢測，需研制新的測試設(shè)備。第44頁/共74頁Micro質(zhì)量:micrograms(mg)E lectro電容:femtofarads(fF)Mechanical位移:nanometers(nm)S ystems敏感電壓:nanovolts(nV)MEMS器件典型參數(shù)量級第45頁/共74頁MEMS,aremulti-domainelectronics,mechanics,magnetics,fluidicsMechanicalresponse:StructureDisplacementElectricalDetection:CapacitanceChangeMeasurableOutput:AmplifiedVoltageMacro-scaleinertialmotion:AccelerationForceMEMS器件特征Example:InertialMotionDetection第46頁/共74頁內(nèi)容MEMSIC結(jié)構(gòu)形式二維、三維，可動部件二維，靜態(tài)加工工藝表面微加工、體硅工藝、LIGA表面微加工功能光學(xué)MEMS、生物MEMS、射頻MEMS等微電子電路材料導(dǎo)電材料、半導(dǎo)體、絕緣材料等半導(dǎo)體3MEMS制造MEMS與IC區(qū)別微加工技術(shù)解決的問題高深寬比、可動結(jié)構(gòu)新材料美國——硅基微機(jī)械加工技術(shù)德國——LIGA技術(shù)微加工技術(shù)是MEMS的核心。第47頁/共74頁3.MEMS制造第48頁/共74頁MEMS加工工藝第49頁/共74頁第50頁/共74頁第51頁/共74頁第52頁/共74頁LIGA是德文縮寫LI=Lithographie(光刻)G=Galvanoformung(電鍍)A=Abformtechnik(鑄膜)第53頁/共74頁第54頁/共74頁MEMS加工工藝是微機(jī)械加工，但不是精密加工。第55頁/共74頁MEMS器件應(yīng)用領(lǐng)域與主要廠商產(chǎn)品主要應(yīng)用領(lǐng)域主要廠商加速度計(jì)安全氣囊、主動式懸吊系統(tǒng)、GPS、硬盤防震應(yīng)用STM、Bosch、Freescale陀螺儀數(shù)字相機(jī)防手震系統(tǒng)、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)行動導(dǎo)航推算法、游戲機(jī)運(yùn)動感測方案ADI、村田(Murada)、Invensense打印機(jī)噴頭打印機(jī)與多功能事務(wù)機(jī)用打印機(jī)噴頭HP、SeikoEpson、Lexmark壓力傳感器醫(yī)療電子、輪胎用氣壓傳感器CanonMEMS麥克風(fēng)手機(jī)麥克風(fēng)、車用免持聽筒裝置、網(wǎng)絡(luò)電話、助聽器、脈搏傳感器Knowles、Omron、ADI光學(xué)MEMS家用投影機(jī)、微投影機(jī)TI、MicrovisionRFMEMS手機(jī)與無線網(wǎng)通應(yīng)用RFDM、SeikoEpson4MEMS的產(chǎn)業(yè)狀況第56頁/共74頁4MEMS的產(chǎn)業(yè)狀況第57頁/共74頁4MEMS的產(chǎn)業(yè)狀況應(yīng)用領(lǐng)域第58頁/共74頁2006~2013年全球MEMS市場規(guī)模預(yù)測2009~2013年復(fù)合成長率10%4MEMS的產(chǎn)業(yè)狀況第59頁/共74頁微加速度計(jì)微陀螺儀微慣性組合5微慣性傳感器應(yīng)用第60頁/共74頁汽車車輛行駛安全系統(tǒng)車輛動態(tài)控制系統(tǒng)翻車檢測系統(tǒng)車輛防盜系統(tǒng)電子駐車制動系統(tǒng)車載導(dǎo)航系統(tǒng)第61頁/共74頁電子消費(fèi)品Wii游戲機(jī)（任天堂）采用三軸動作信號處理技術(shù)的游戲控制器控制器：MEMS加速度計(jì)和MEMS陀螺儀MEMS器件能夠感覺玩家在三個維度上的動作的能力：前/后，左/右和上/下。當(dāng)它被抓在手上的時候，系統(tǒng)就會根據(jù)控制器加速度感知動作、深度和位置情況。第62頁/共74頁鼠標(biāo)

Gyration公司：ProGoGyrotransport鼠標(biāo)一個簡單易用的基于自由空間移動和手勢的定位和控制系統(tǒng)。在假象的平面上揮動鼠標(biāo),屏幕上的光標(biāo)就會跟著移動,并可以繞著鏈接畫圈和點(diǎn)擊按鍵。當(dāng)你正在演講或離開桌子時,這些操作都能夠很方便地實(shí)現(xiàn)。

第63頁/共74頁相機(jī)防抖以佳能為主的光學(xué)防抖。把陀鏍儀裝在鏡頭里，它能檢測到鏡頭抖動，從而把信號傳遞到鏡片來修正因震動帶來的偏差。第64頁/共74頁相機(jī)防抖以索尼代表的以感光元件防抖方式。它是把陀鏍儀裝在感光元件下面（CCD或CMOS）。作原理是由機(jī)身檢測到震動的時候，陀鏍儀產(chǎn)生的電流就把感光元件以震動的反方向來擺動。從而把感光元件來固定下來以防止因手抖動帶來的照片模糊。