基于mems技术的飞行导航原理

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1、基于MEMS技术的飞行导航原理摘要：本文主要介绍MEMS传感器，及利用MEMS传感器获取飞行器姿态及位置信息的过程关键词：MEMS陀螺仪捷联惯导1MEMS技术简介MEMS是英文MicroElectroMechanicalsystems的缩写，即微电子机械系统。MEMS是微机械(微米/纳米级)与集成电路（IC）集成的微系统，即具有智能的微系统，MEMS基于硅微加工技术但不仅限于它。简单来说，MEMS就是对系统级芯片的进一步集成。我们几乎可以在单个芯片上集成任何东西，像运动装置、光学系统、发音系统、化学分析、无线系统及计算系统等，因此MEMS技术是一门多

2、学科交叉的技术。MEMS器件价格低廉、性能优异、适用于多种应用，将成为影响未来生活的重要技术之一。[1]2微机械加速度计和陀螺仪微机械加速度计通常由符合标准的质量块构成，它借助弹性元件(如悬臂等)悬挂在基准框架上。标准质量块因加速度的作用而发生位移，位移的大小与加速度的大小成正比。质量块的移动是可测量的，方法有多种，例如测量质量块与辅助电极间的容抗变化，或通过集成在弹性元件上的应变计测量压敏电阻的变化等。这两测量方法的基本原理如图2-1所示图2-1陀螺仪用于测量机械物体的方向变化，是惯性传感器中的一个重要类别。硅微细加工工艺制作的陀螺仪的结构基础是同

3、时具有两种振动模式的、相互耦合的谐振器。其中第一种振动模式用于结构的驱动，而第二种振动模式则是在哥氏力(Coriolis效应)作用下，由结构角速度引发的，并与第一种振动模式同频的振动。这个次级振动的幅度与角速度成正比。但因力感应产生的第二种振动模式振幅比第一种振动模式的小得多，所以关键是如何使感应振荡频率相互匹配，从而增大感应振幅。还有利用可调节弹性元件常数的电子调节器，或通过设计高对称的结构等其他方法。[2]3微惯性测量组合导航技术原理[4]3.1微惯性测量组合导航制导基本原理描述物体的三维运动状态需要六个参数，如图3.1所示，分别为三轴上的加速度

4、和角速度。加速度的测量采用MEMS的加速度计，角度速的测量采用MEMS的陀螺仪。根据牛顿定律，得知了物体的加速度，其位移可以用公式(3.1)求出:同样，物体的偏转角度也可以通过公式(3.2)对角速度积分求出:这两个物理量通过加速度计和陀螺仪采集后，物体的三维姿态就可以确定了[3]。3.2捷联式惯性导航系统捷联式惯性导航是将陀螺仪和加速度计直接固连安装于载体，通过导航计算机实现数学平台构建，从而计算出载体导航参数的系统。捷联式导航系统与平台式导航系统相比，其主要特点是：图3.21去掉了复杂的平台机械系统，结构简单，减小了系统体积和质量，降低了成本，简化

5、了维护，提高了可靠性。但是陀螺仪和加速度计直接承受载体的振动、冲击和角运动，因而产生附加动态误差，对惯性测量元件有较高的要求。2需要高性能计算机实现数学平台，对测量的载体加速度信号坐标变换，再进行导航解算，从而得到航向、姿态角、速度、位置等导航参数。捷联式惯性导航系统的原理框图如图3.2所示捷联式惯性导航系统将惯性测量单元直接安装于载体，惯性传感器不跟踪导航坐标系，因此在进行导航解算时，需要考虑到载体坐标系到导航坐标系间的坐标变换关系。两个坐标系间关系通过陀螺仪所测量的角速率ωbib来建立，载体坐标系在导航过程中随载体的运动而产生角运动和线运动，通过

6、转换矩阵的实时更新来确保加速度计测量值fb正确转换到导航坐标系下解算。3.3导航解算捷联惯导系统中，导航计算机获取来自惯性仪表的数据，通过导航计算机进行系列解算，最终输出用户需要的导航参数。解算是通过求解系列微分方程、三角函数运算及矩阵运算得到。捷联矩阵的即时修正可采用欧拉角法、方向余弦法和四元素法。考虑到解算复杂程度、归一化工作量和精度问题，本论文选用四元数法进行导航计算。导航算法机械编排如公式（2-3）至（2-20）所示。3.3.1四元数的Q的即时修正设载体坐标系相对于平台坐标系的转动四元数为：采用四阶龙格-库塔法，求解微分方程来修正四元数：3.

7、3.2捷联矩阵T的计算3.3.3四元素归一化计算。3.3.4比力坐标变换3.3.5速度即时修正通过解下式所示微分方程实现。3.3.6位置矩阵cep即时修正通过求解下式微分方程实现3.3.7位置速率计算3.3.9姿态速率计算。3.3.10姿态角计算3.3.11位置计算3.3.12计算航向角4导航控制通过MEMS传感获取的信息，经过导航解算得到姿态角、位置等信息，再将这些信息反馈给控制计算机，依据控制理论和飞行任务，产生控制指令控制相应执行组件，便达到了导航控制的目标。参考文献：[1]MEMS技术简介及其发展前景该文从网上搜到，未注明出处[2]微机械（M

8、EMS）陀螺仪.中国电子学会敏感技术分会，北京电子学会，北京电子商会传感器分会编著.2007/2008传感器