1. 前言

在自动驾驶或机器人领域,我们目前接触最多的惯性器件就是MEMS了,偶尔会接触到采集车里的光纤惯导。这是我们处在这个行业所看到的情况,但其实它只是惯性领域的局部,把局部放在全局里去看,会对它有更深的理解。为了做到这一点,我们需要在横向上了解还有哪些其它的惯性器件,在纵向上了解每种器件的发展历史。

2. 发展历史

惯性技术的发展史,本质上就是惯性器件的发展史。惯导系统的每一次突破,都是从惯性器件的突破开始的。

惯性器件包括陀螺仪和加速度计,其中陀螺仪的发展占主要地位,惯性技术发展的时期划分也主要是按照陀螺仪的发展历史划分的。先看张历史脉络图吧。

2.1 陀螺仪

第1代

60年代以前的陀螺仪都是基于牛顿力学的,具体来讲就是陀螺的定轴性,这一代的惯导系统也被称为“平台式惯导系统”。所谓“平台式”,是指陀螺处在一个三轴随动平台上,载体运动过程中,陀螺由于定轴性,保持方向不变,那么平台就要往载体运动的反方向旋转,此时便可根据平台敏感到的信息,计算姿态角。早期是机械陀螺,陀螺由机械机构支撑,后期发展的液浮式陀螺和静电式陀螺使精度进一步提高,同时也增加了系统复杂性。

第2代

这是光学陀螺的时代,包括激光陀螺和光纤陀螺。光学陀螺的出现使惯性领域发生了根本性的变化,因为它改变了惯导系统的工作方式。由于光学陀螺自身可以敏感角度变化,所以它不需要随动平台,惯导系统可以直接固联在载体上,利用陀螺输出的角度变化量直接计算姿态。这种和载体固联的惯性导航系统被叫做“捷联式惯导”。

从这一代开始,后面的几十年,“捷联式惯导”越来越成为惯导系统的主流方式,“平台式惯导”就逐渐被限制在极高精度领域,只有一些战略性的军用设备上还在使用。而且后面几代的惯性器件,也都是在捷联式惯导系统中工作的。

第3代

如果说光学陀螺使惯性技术发生蜕变,那么MEMS技术则使其爆发。由于MEMS精度范围宽,选择多,所以扩展了惯性技术的使用领域,遍布我们生活的方方面面,真正实现让所有动的东西都可测。

从这一代开始,惯导系统的算法也发生了分化。由于MEMS的存在极大拉宽了陀螺仪精度范围,高精度光学陀螺和低精度MEMS陀螺的精度甚至可以差7至8个数量级,这使导航算法发生了从量变到质变的转化。

第4代

这是未来的一代,以量子陀螺这些新生事物为主,还处在基础研究阶段。

另外,最近半球谐振陀螺在专业领域是热议的话题,它将是下一代惯性器件的主流,这一点已经在业内形成共识。

陀螺仪这几个阶段的发展是代替式的发展,新一代的出现会使旧的一代逐渐退出这个领域,只是中间会有过渡期,而且很长。各类陀螺仪当前所处的阶段可以用一张图描述。

2.2 加速度计

加速度计虽然也是惯导系统的核心部件,但是在惯导系统领域的重视程度上一直处在次要地位。它的划分没那么复杂,而且用来做陀螺的新技术有些也可以用来做加速度计,比如MEMS加速度计、量子加速度计等。所以我们就直接给出一张加速度计的发展阶段图啦。

3. 一些思考

我们从事这个领域,一般都是通过做融合算法才接触惯性器件的。算法会随着器件精度的变化而变化,而且这种变化是巨大的,我们以后会通过理论来分析导致这种变化的原因。由于现在各种类型的惯性器件在市场上共存,但是每个应用领域接触的器件却基本都是同一等级的,比如常见的手机导航、机器人、自动驾驶、测绘、军用,等级分明。如果只接触过其中一个领域,容易理所当然地认为其他领域也应该是这样。有时候两个做导航的坐在一起,但是话却永远说不到一块去,很多时候就是这个原因导致的。

面对这种情况,我们一方面要尽可能多接触不同领域的方法,这也能为自己的工作提供借鉴,另一方面,要进入到算法背后,了解其本质,如果明白造成这种差异的理论原因,那么就能把对经验的依赖尽可能降低。

最后,给一张图,直观感受下不同领域在精度这个坐标轴上的差距。