引言 L) J- N; }9 F; P
1 E; r% E& @" B. ?3 J0 l导航是指规划、记录和控制物体从一个地方到另一个地方移动的过程。从古代使用地标的技术到现代惯性导航系统,融合了传统原理和前沿科技[1]。" `; ]' c+ b9 S6 I3 k6 l
1p5rycfyssv64079980057.png
" a) P% \6 ?4 s/ F
3gmfob2yd2p64079980158.png
2 Z: z1 o6 {1 _. Q, Y2 K图1.1:万向节系统示意图,展示了陀螺仪、加速度计、万向节、扭矩电机和角度传感器安装在稳定平台上的复杂机械布局。; B6 N! X% U1 e
( C4 L! t1 T8 v$ B6 p, ^- v传统导航方法6 j. A5 ]; i0 o
! {( P3 u. m) z; J* X2 {% X* Q
最直接的导航方法依赖地标——在参考坐标系中具有已知坐标的可识别物体或特征。地标可以是山丘和河流等自然特征,也可以是街道和建筑等人工结构。在海上导航中,灯塔和天体是可靠的参考点。现代地标包括雷达站、卫星和移动通信基站。
' q; \) Q9 v* P( u+ [& E
# \: k# ^9 E3 u' o定位是主要的导航技术之一,通过观测已知位置的地标来直接确定位置。这种方法虽然直观,但存在局限性——地标观测并非总是可用,且容易受到干扰和干扰。例如,在有雾或多云天气下,天文导航无法进行,而无线电信号会受到衍射、折射和非视距传输的影响。) `. X# o7 ^ _4 X/ o9 q) o
leyet4f1byz64079980258.png
- V- w5 _+ W5 j图2:展示了(a)万向节惯性导航算法和(b)捷联式惯性导航算法的比较图,说明了惯性导航系统架构的演变。/ e/ d2 K$ \7 V. v
惯性导航系统
) ]4 i- b5 T+ ]3 M4 u6 `( |" v) ~7 x) ~$ D
惯性导航代表了导航技术的重大进步。基于惯性传感器(加速度计和陀螺仪)的测量,在惯性坐标系中追踪运动。惯性导航的主要优势在于基于牛顿运动定律,使其适用于几乎所有导航场景,且不受外部干扰。) c3 b5 h" {1 m; M, ?( P) h
0 M. z+ U) H' B! `典型的惯性测量单元(IMU)包含三个正交安装的加速度计和陀螺仪,用于测量三个垂直方向的加速度和角速率分量。系统通过陀螺仪测量角速率来追踪方向,然后通过积分得到系统方向。4 y$ @% w. c& X0 J; {
coslo00xvmx64079980358.png
4 \+ b* f$ s( {( f `/ n- z2 j% I图3:IMU发展的对比,展示了(a)20世纪60年代阿波罗任务开发的IMU与(b)当前商用MEMS基IMU的对比,展示了五十年来显著的微型化成就。 f9 L$ S) F: \+ _# S$ V
惯性导航技术的演进
* [- J9 b! z8 }+ j* o
+ X: e& ~$ F/ p9 y. m惯性导航技术的发展跨越近两个世纪,始于19世纪初Bohnenberger提出的惯性传感器概念。1856年著名的傅科摆实验展示了首个角速率积分陀螺仪。但实际应用直到20世纪30年代才在V2火箭上实现,并在60年代末开始广泛应用。5 E( w. T) l' U8 S( U/ z* |
4 ~( M! |& i6 d- r" {4 c9 \
早期系统使用基于万向节的平台,惯性传感器安装在允许三维旋转的稳定平台上。这些系统虽然精度高,但由于复杂的机械和电气基础设施而体积大且昂贵。20世纪70年代末,捷联式系统出现,传感器直接固定在系统上。这种设计大大降低了机械复杂性,但需要更复杂的计算能力。9 a$ z7 h! v$ u. G5 _ W& \7 Y
4 J9 F, G; ~! z7 b/ n/ X
过去20年中,微机电系统(MEMS)技术的发展彻底改变了惯性导航。现代MEMS基IMU尺寸仅为毫米级,可以集成到手机和智能手表等便携设备中。这种变化十分显著——阿波罗任务的IMU体积为1.8×10^7立方毫米,重42.5磅,而今天的MEMS基IMU仅占8.55立方毫米,重量只有几毫克。
% [) q5 u$ G1 p0 q/ N现代应用与挑战, w0 e' e O2 S& P$ e% M
& {! P# n4 ]! Y当今惯性导航系统面临多种挑战,特别是在步行导航方面。测量误差随时间累积仍是主要问题——消费级IMU在导航几秒内就可能产生超过一米的误差。这促使了各种误差修正技术的发展,如用于脚踝安装系统的零速度更新(ZUPTs)。
, I! }- ~6 A* Y( v# _! ~( Q1 n2 J+ t& k) _5 l5 o! z
该领域继续在个人安全、健康监测和紧急救援系统等新应用中发展。惯性导航与GPS、磁力计和计算机视觉系统等其他技术的集成,代表了导航技术的未来发展方向,将惯性系统的可靠性与外部参考点的精确性相结合。$ S; x4 y# I4 F
$ i* E; @% Z+ B l
从古代基于地标的导航到复杂的惯性系统,展现了人类不断追求更精确、更可靠导航方法的历程。随着技术持续进步,更多创新解决方案将不断涌现,进一步提高各种应用中导航系统的精确度和可用性。
# h4 ~7 y7 _7 B- i" V 参考文献7 F: r/ y, v" l
) `% U6 @$ U5 V/ y# k
[1] Y. Wang and A. M. Shkel, "Pedestrian Inertial Navigation with Self-Contained Aiding," in IEEE Press Series on Sensors, 1st ed. John Wiley & Sons, Inc., 2021
; r; W( p1 P( W+ M) XEND' I: N' r- d5 D1 y
6 T1 \, [7 C! f% x+ C/ ~; Z! r
软件申请我们欢迎化合物/硅基光电子芯片的研究人员和工程师申请体验免费版PIC Studio软件。无论是研究还是商业应用,PIC Studio都可提升您的工作效能。
& k. }1 F+ b9 }6 A3 e; c$ l* M% R# D点击左下角"阅读原文"马上申请/ Q5 ?4 [, a! _+ L6 Y
4 |8 _* U8 s- n) s/ f欢迎转载
" C( s& [0 ~& ?$ T( x- \1 R/ w
# `- E9 l% P, S4 p; x转载请注明出处,请勿修改内容和删除作者信息!/ R7 Z5 c5 _- b; R; e
# X! }) Y. e; w. G( W6 L# B
7 ~6 @$ m2 z7 U! }6 k- M
* U0 e* I8 j# g5 j [ g" E
u5qxheuxnh264079980458.gif
6 }# d8 A. c6 {: V2 d/ ~" \& Y0 W
/ O% d! a9 Y4 f" o- g关注我们5 c* B9 @. v; ]0 K! h! H5 I0 i5 y
# I/ I$ V5 \' n& C1 K9 B9 ~
?, `9 i2 [( f( y$ Q( }' c; s: D
h0lr4hgxelt64079980558.png
( `: J7 u4 V9 `& j! P- e, W | , d( `0 j' [8 K1 g$ @5 ?
15tlvkexxcr64079980658.png
4 i! _2 Q# t/ Y+ i0 J2 g- l8 j
|
7 F7 O6 Z+ j# S# Y; j0 U
2fixxakl0p164079980759.png
* P2 V8 h5 R' [0 a) c" p7 m |
) v ^/ I: k8 Q9 w2 {$ A( u9 R' y9 m8 `! U7 }: q4 w0 l
% ^) W' z9 z" `4 H i7 z
% W. w1 a( Z7 y& a关于我们:# O6 X; M$ T8 R1 Z" L! K4 g) Q6 Z: @
深圳逍遥科技有限公司(Latitude Design Automation Inc.)是一家专注于半导体芯片设计自动化(EDA)的高科技软件公司。我们自主开发特色工艺芯片设计和仿真软件,提供成熟的设计解决方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio,分别针对光电芯片、微机电系统、超透镜的设计与仿真。我们提供特色工艺的半导体芯片集成电路版图、IP和PDK工程服务,广泛服务于光通讯、光计算、光量子通信和微纳光子器件领域的头部客户。逍遥科技与国内外晶圆代工厂及硅光/MEMS中试线合作,推动特色工艺半导体产业链发展,致力于为客户提供前沿技术与服务。
1 H( H( z3 C; I! e t2 ^) F$ r& Z: w4 G& Y
http://www.latitudeda.com/1 ~% N# t5 k& {7 Y; k' G2 O3 i
(点击上方名片关注我们,发现更多精彩内容) |