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MEMS惯性传感器的发展概况

  无人机、无人车、无人船、机器人等代表性无人系统的智能自主控制是当前自动控制领域的研究热点,更是提升无人系统自主性和智能化水平的核心技术。自主导航技术利用对应的自主导航系统获取无人系统自身的位置、速度及姿态信息,是实现无人系统智能自主控制必不可少的技术保障。在无线电导航、地形匹配导航、惯性导航、卫星导航、磁导航及视觉导航等众多导航技术中,不需要依赖外界信息的惯性导航技术是目前实现无人系统自主导航的一种最强有力技术手段。基于微机电系统(micro-electro-mechanical system, MEMS)惯性传感器的MEMS惯性导航技术是惯性导航技术的一个重要分支,其系统具有成本低、体积小、功耗低以及抗冲击强等优点。因此,针对MEMS惯性传感器及其导航技术的研究对无人系统自主导航技术的快速发展和满足其日益提升的应用需求有重要的支撑意义。

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  MEMS惯性传感器的分类

  MEMS惯性传感器包括MEMS陀螺仪及MEMS加速度计,其分类有多种方式,根据精度由低到高其可分为消费级(零偏>100°/h)和战术级(零偏0.1°/h ~ 10°/h)。

  根据感知角速度的方式,MEMS陀螺仪可以分为振动臂式、振动盘式和环形谐振式。振动臂式MEMS陀螺仪通过测量扭转振动幅度以及扭转振动相位来获取角速度,振动盘式MEMS陀螺通过测量元件与底部之间电容量的变化来获取角速度,环形谐振MEMS陀螺仪通过测量磁场变化来获取角速度

  根据感知加速度的方式,MEMS加速度计可分为位移式、谐振式和静电悬浮式。位移式MEMS加速度计通过检测电容变化来测量加速度大小谐振式MEMS加速度计通过测量谐振频率的变化来测量加速度大小,精度很高,静电悬浮式MEMS加速度计通过测量电容来获取悬浮状态下的圆盘或圆球位置从而测量加速度大小,理论精度高。

  根据传感原理,MEMS加速度计可分为压阻式、压电式和电容式3类。压阻式加速度计通过将相应悬臂梁上的电阻转化成电压输出,即可将加速度信息转变为电信号输出,具有体积小、加工工艺简单、精度高、响应速度快、抗电磁干扰强等优点。压电式MEMS加速度计通过测量内部压敏阻值变化与被测加速度的关系,从而推算出外界加速度,具有测量范围大、重量小、体积小、抗干扰能力强、结构简单和测量精度高的优点。电容式MEMS加速度计通过检测电容值的变化量,从而推算出外界加速度,具有测量精度高、灵敏度高、稳定性好、功耗低等优点。


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