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引言
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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]。( A. M9 n9 m! d/ w2 a
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' s& F6 F* F% d5 D4 P+ [8 A/ E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。
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传统导航方法
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$ }: d/ Q8 p# f& A4 F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。' ^- K- r+ e* P( ]) l
* P- o! W5 }7 M4 Z: u5 C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。
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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。5 }2 \0 w& [- K$ L
惯性导航系统0 P) @: F+ L, m( N4 R$ g
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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。
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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。
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* p) R, d4 Z' |, g/ _" s2 k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。* t! H1 g x& Z; B( ]
惯性导航技术的演进' r. x- v# h- r* v5 p6 |' R. e& Z
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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。8 \: L& ]# e1 A2 @6 d3 S8 h, s
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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。3 q: w* f+ [& l4 Y
' C6 r; Q: X5 p8 s- C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。
, { V4 R# F: y7 _& r现代应用与挑战9 p6 c q8 l. h* F8 o
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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)。+ Y2 M# ?+ w% s; \5 L
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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。0 ?& i- ]8 l3 N) v( a! Y- Z* y
: T# \6 j" j- ]/ n1 X1 l5 t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。
& j% S; s- u# k. H+ Q 参考文献' _" Z! E2 f' _/ Q
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[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
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& c) L/ ]1 g, v6 T9 y2 @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。5 f5 K5 ]7 x# \, g3 k) D5 D, F4 ]
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