某型机载惯性/卫星/大气多信息融合MEMS航姿系统的设计与实现

针对机载MEMS航姿系统中器件精度低且易受干扰导致其姿态性能降低的问题,提出了一种基于大气/卫星信息辅助的航姿系统融合方案。构建了多源传感信息辅助下的综合航姿系统方案,所设计系统具有多种工作运行模式,可根据传感器可用状态实现滤波器的无缝切换,建立了组合导航系统状态和量测模型,采用Kalman滤波方法实现多源信息的融合与估计,并开展了原理样机的跑车试验。试验结果表明,所设计的融合方案能有效保障航姿系统的可靠性与精度,具有较高的工程应用价值。     

MEMS传感器在航空综合电子备份仪表中的应用

概述微机电传感器的技术现状和在IESI中的应用.通过国外典型IESI产品,着重分析了IESI的组成原理、性能特点和微机电传感器的作用.研究表明:包括高精度微机电惯性敏感器、微硅压力计在内的微型传感器开发是IESI的技术关键,国产化IESI设备在军/民用飞机中有广泛的应用前景.     

MEMs for Aerospace Navigation

The MEMS aerospace market has its own specificities in terms of market size, standards, and performance characteristics (very long term stability, reliability, and safety levels). Improvements are needed for future applications. THALES Avionics has a twenty-year experience in quartz and silicon MEMS design and manufacturing and is recognized as a leader by the French MOD in this field. MEMS pressure sensors and accelerometers are manufactured in large volume and used for safety-critical applications. THALES technology policy focused on planar architecture, die vacuum packaging, and deep reactive ion etching (DRIE) allowing good characteristics for sensors in development. A Silicon Vibrating Beam Accelerometer single chip is now under development. Its operating principle is described with two resonators in push-pull configuration. A tuning fork planar rate gyro is also developed with exactly the same technology for industrial efficiency. Performance results will be addressed. The development and industrialization road-map of theses inertial products is described for the following five years. Gyro-compassing grade inertial sensors would be available during the next decade allowing low-cost, high-grade navigators using simultaneously GNSS receivers and inertial MEMS navigators.     

MEMS技术在智能航空发动机中的应用研究现状及前景

利用MEMS(micro-electro-mechanical system)体积小、质量轻、集成度高等特点,将该技术用于航空发动机,可以更好地实现对发动机的流动、燃烧过程进行主动控制、对关键结构部件的损伤以及滑油系统健康状态进行监测等方面的功能,进而实现航空发动机的智能化.为了实现MEMS在航空发动机上的应用,一方面是提高MEMS自身适应航空发动机环境的能力;另外一方面则需要开展其和航空发动机的兼容性设计及研究.随着MEMS技术的不断发展,它必将是推动航空发动机发展的一个重要新技术.      

用于微机械捷联式航姿系统的四元素算法卡尔曼滤波器

介绍了一种卡尔曼滤波器 ,它适用于由微机械惯性传感器构成的捷联式航姿系统。文中阐述了系统构成和原理 ,基于四元素算法公式推导了姿态算法和系统误差模型 ,并设计了实时卡尔曼滤波器。仿真结果表明 ,当没有横向加速度干扰时系统精度优于 0 .0 4度 ,当出现 0 .1g/1Hz的横向交变加速度干扰时 ,精度降为 0 .4 4度。初步测试结果表明系统的静态精度为 :俯仰和横滚 /-0 .2度 ,航向 /- 0 .3度。     

姿态测量中MEMS陀螺输出信号处理方法研究

为实现基于MEMS器件的舰船测姿,对MEMS陀螺的输出信号进行研究与处理。在分析MEME陀螺的输出误差模型基础上,通过经典卡尔曼滤波与鲁棒滤波的理论对比,设计滤波器对其输出信号进行滤波降噪。实验表明：鲁棒卡尔曼滤波方法对于MEMS陀螺输出信号的平滑降噪效果显著。     

Using natural features for vision based navigation of an indoor-VTOL MAV

The use of natural features for vision based navigation of an indoor Vertical-Take-Off-and-Landing (VTOL) Micro Aerial Vehicle (MAV) named Air-Quad is presented. Air-Quad is a small four-rotor helicopter developed at the ITE.Such a helicopter needs reliable attitude information. The measurements of the used MEMS gyroscopes and accelerometers are corrupted by strong noise. To be useful, the MEMS sensors have to be part of an integrated navigation system with aiding through complementary sensors like GPS or the computer vision module presented here.In the computer vision module, feature points are detected and tracked through the image sequence. The relative rotation and translation of the camera are estimated using the two-dimensional motion of the feature points.The three-dimensional points in the scene are modeled with the image coordinates of their first sighting and their inverse depths. Only these inverse depths are estimated for the feature points. An efficient sparse bundle adjustment algorithm is used to improve the estimation of the scene structure and the navigation solution.It is shown that the use of the computer vision module greatly improves the navigation solution compared to a solution based only on MEMS sensors.     

An integrated GPS/MEMS-IMU navigation system for an autonomous helicopter

During the last years, there is an increasing demand for cheap and easy to operate platforms for surveillance and reconnaissance purposes. Therefore, the development of micro aerial vehicles is receiving an increasing attention. However, VTOL-MAVs often show an inherent instability that makes at least an automatic stabilization necessary, because otherwise the operator would not be able to keep these vehicles airborne. This requires the availability of navigation information, especially the vehicle's attitude has to be known.This paper addresses the development of an integrated navigation system based on MEMS inertial sensors and GPS for a VTOL-MAV. Special attention is paid to the handling of GPS outages. While usually periods without GPS aiding can be bridged using the unaided strapdown solution, the poor quality of the MEMS inertial sensors prohibits this approach here. Therefore, during GPS outages the accelerometer data is interpreted as approximate measurements of the local gravity vector. Additionally, the usage of a magnetometer providing measurements of the Earth's magnetic field is motivated and discussed. Finally, flight test results illustrate the performance of the resulting system, proving that the achieved attitude accuracy is sufficient for the automatic control of the MAV. This holds in situations with permanent GPS loss and dynamic maneuvering, too.     

MEMS惯性器件低应力封装过渡层研究

封装应力是影响MEMS惯性器件输出性能的主要因素之一，封装应力是由于封装过程中封装对象间材料热特性不匹配所引起的。封装应力除了受封装对象本身的材料性能影响外，还与芯片及基底间的过渡层形式有关。不同的过渡层形式不仅会影响封装应力的峰值，还会对应力的分布情况产生影响。为了研究不同形式的过渡层对三层结构MEMS惯性器件芯片封装应力的影响，首先利用COMSOL有限元仿真分析软件简要地分析了不同材料参数对封装应力的影响，并进一步研究了常见封装形式以及不同封装结构的应力分布规律。结果表明，不同的粘接材料、封装形式和封装结构都会引起封装应力的变化。     

台速度估计(英文)

针对惯性稳定平台中高精度和高带宽的速度信号需求,提出了基于低成本MEMS传感器的最优速度估计算法。采用一种新颖的传感器组合形式,包括一个低带宽的MEMS陀螺和两个低性能的MEMS加速度计。陀螺由于自身动态特性的影响,主要提供速度的低频信息,加速度计组合则由于自身偏置的影响,主要提供速度的高频信息,而估计器将两者信号进行融合。实验表明:最优状态估计器能够在时频域上,提供无偏的、高性能的速度信号。同时,在单自由度微型惯性稳定平台的应用过程中,其控制性能得到了相应的提高。该算法也适用于机器人控制、姿态估计和摩擦补偿等领域。     

2022年国外惯性技术发展与回顾

惯性技术广泛应用于海、陆、空、天各种载体的导航、定位与控制。通过对2022年的IEEE惯性传感器与系统会议、DGON惯性传感器系统会议、MEMS国际会议和圣彼得堡组合导航会议等惯性技术相关会议文献以及惯性技术领域相关机构披露的动态信息进行的详细梳理,总结了光学陀螺、微机电(MEMS)陀螺、半球谐振陀螺(HRG)、加速度计以及新兴的量子惯性传感器等惯性仪表及惯性导航系统(INS)的发展现状,并对惯性技术领域的发展趋势进行了分析与展望。当前,惯性技术领域相关研究主要侧重于小型化、提高精度和降低成本等方面。其中,光学陀螺较为成熟,更为侧重于小型化相关研究;微机电陀螺正在致力于向导航级性能突破和发展;半球谐振陀螺主要着力于探索降低高端产品的制造成本。     

无人地效飞行器控制系统研究

针对无人地效飞行器的特点,基于MEMS陀螺、加速度计和电子罗盘等传感器设计了飞行控制系统.详细介绍飞行器数学建模、数据融合算法以及飞行控制系统软件设计.仿真结果和实物飞行表明;该系统稳定性好、精度高,能够满足实时控制的要求.     

单兵自主导航技术研究

针对美国MicroPNT计划中的单兵导航技术开展了理论分析、样机研制及试验工作,设计了单兵导航技术的基本原理、系统组成和基本算法,分析了室内作业的定位和指挥需求,分析了影响系统实现和定位精度的关键因素,研制了原理样机并开展了导航试验,结果表明：采用微机电惯导系统+零速修正的方案来实现单兵导航的方案是可行的;以目前微机电惯性仪表的性能水平,有望实现100米/小时的定位精度;随着微型惯性仪表性能的提高,有望在5-10年内实现定位精度10米/天的单兵自主导航系统。     

基于双ARM系统的MIMU航姿测量系统的 研究及实现

针对小型无人机武器平台对航姿系统小型化、低成本、集成化的设计要求,提出了一种基于双ARM系统的MIMU航姿测量系统,实现了单板集成所有惯性测量、初始对准、惯性导航、组合导航,以及航姿测量等功能.通过车载导航试验及飞行试验考核,该系统可以满足用户应用需求.     

微机电惯性测量元件在导航系统的应用研究

介绍了微机电(MEMS)惯性测量元件(IMU)的基本情况，总结了误差主要来源，根据公开文献介绍的性能测试参数，建立了动态误差模型，并与GPS测量的速度和位置组合，进行了导航系统的数学仿真。仿真结果表明，MEMS—IMU尚不能独立构成导航系统，但与GPS组合，则可满足低精度的导航要求。     

微小型飞行器的MIMU系统结构设计方法

针对微小型飞行器安装空间小、承载能力弱的特点,提出一种“T”型结构的微惯性测量单元（MIMU）系统设计方法,采用基于微机电系统（MEMS）技术的新一代微型惯性器件,在深入分析MIMU结构设计基本原则和方法的基础上,设计加工了“T”型支撑结构并组成了实际系统。该MIMU系统充分利用了空间,大大地减小了体积和重量。有限元分析表明：该MIMU力学性能较高,所研制的实际系统实现了微小型飞行器的自主飞行,各性能参数满足要求,是一款适用于微小型飞行器的MIMU。     

基于零速修正的行人导航关键技术及研究进展

在室内等卫星导航受限场景下，可采用MEMS惯性传感器对行人进行自主导航定位。采用MEMS惯性传感器的行人自主导航技术主要包括基于步长估计的行人航位推算和基于零速修正的行人导航算法两种方式。首先介绍了两种方式的基本原理，然后重点分析了零速修正的行人导航算法，阐述了相关的关键技术和研究进展。最后，对行人自主导航未来的发展趋势进行了展望，并指出了需要重点关注的技术难点。     

Current Capabilities of MEMS Capacitive Accelerometers in a Harsh Environment

One of the general trends of the MEMS sensors business is the utilization of the technology to satisfy harsh environment requirements (temperature, shock, vibration, environment security). The conjunction of material (standard silicon, SiC or SOI), with complex micromachining techniques and advanced assembly techniques are the key to provide robust sensors with a minimum concession on specification. The goal of this paper is to present progress on gun hard (>20,000 g) and wide temperature range MEMS accelerometers (-120degC to +180degC). Concrete solutions and results (out of more than 500 tested products) will be presented and discussed in detail     

行人导航系统中的MEMS误差在线修正技术

在基于微惯性器件的行人导航系统中,陀螺仪和加速度计的偏移是降低系统定位精度的重要因素。传统的标定方法大多在实验室中进行,后续导航解算都是基于标定后的固定模型,然而MEMS器件长时间工作后,标定模型参数发生变化会导致系统导航性能下降。通过分析行人导航系统及MEMS器件的特点,提出了一种基于误差模型的MEMS器件参数在线修正方法。根据行人行走的特点,检测并区分行走过程中的可修正区间与不修正区间。在可修正区间基于逆向解算算法实现了对陀螺仪和加速度计零偏的在线修正,并提出了主航向反馈修正算法,提高了行人导航系统长时间导航性能。实验结果表明,40m行走实验中,系统定位精度提升了9.07%;300m行走实验中,系统定位精度提升了13.14%。     

旋转调制微机电惯性系统方案研究

微机电惯性系统具备小体积优势，但现阶段系统精度仍在消费级与战术级之间。研究了旋转调制技术在微机电惯性系统中的应用，探讨了基于PCB小型化电机的微旋转方案，并开展了单轴旋转调制验证试验，以探索旋转调制技术对微机电惯性系统性能的提升作用。结果表明，在微机电陀螺精度约为2(°)/h的条件下，该方案能够实现约0.2n mile/10min的导航精度，相较于同等惯性器件条件下的捷联式系统，精度提高了不止1个数量级，证明了该方案能够有效提高微机电惯性系统的精度。