惯性传感器等级分类与性能比较

惯性传感器等级分类与性能比较

惯性传感器是测量物体运动状态的关键设备，广泛应用于航空航天、自动驾驶、无人机等领域。从高端的导航级到普及的消费级，不同等级的惯性传感器在精度、成本和应用场景上各有特点。本文将为您详细介绍惯性传感器的等级分类、性能指标以及相关术语，帮助您更好地理解这一重要技术。

一个多世纪以来，惯性传感器一直用于测量物体相对于惯性参考系的运动。最初创建时，惯性传感器由大型机械陀螺仪和加速度计组成。然而，自 20 世纪 30 年代初以来，众多科学家、工程师和机构一直在完善这项技术，创造出各种具有各种性能的惯性传感器，使其能够比以往有更多的应用。

惯性传感器的等级

惯性传感器市场在产品价格和性能方面涵盖了最高端惯性系统和最低惯性系统之间的巨大范围。如此广泛的多样性可能会给许多客户在确定组件选择和定价时带来极大的困惑。此外，惯性传感器的高、中、低档性能没有统一的定义或标准，因此一位专家认为的高端可能在另一位专家看来是低端。然而，一般来说，惯性传感器可以分为以下四个性能类别之一：

• 航海级
• 战术级
• 工业级
• 汽车/消费级

这些性能类别通常是根据传感器的运行中偏置稳定性来定义的，因为运行中偏置稳定性在确定惯性导航性能方面起着如此重要的作用。

图：1.1 加速度计性能等级

如图 1.1 所示，加速度计主要有两种类型，它们构成了不同的加速度计性能类别：机械加速度计和石英/MEMS 加速度计。石英和 MEMS 加速度计的运行中偏置稳定性通常为 1000 µg 至 1 µg，涵盖所有四个性能类别，而机械加速度计可以达到低于 1 µg 的运行偏置稳定性，但通常仅用于导航级应用由于尺寸大且成本高。

图：1.2 陀螺仪性能等级

市场上有许多不同类型的陀螺仪，其性能水平各异，包括机械陀螺仪、光纤陀螺仪（FOG）、环形激光陀螺仪（RLG）和石英/MEMS陀螺仪，如图1.2所示。石英和 MEMS 陀螺仪通常用于消费级、工业级和战术级市场，而光纤陀螺仪涵盖所有四个性能类别。环形激光陀螺仪通常具有运行中偏置稳定性，范围从 1°/小时到小于 0.001°/小时，涵盖战术和导航级别。机械陀螺仪是市场上性能最高的陀螺仪，并且可以达到小于 0.0001°/小时的运行中偏置稳定性。

加速度计和陀螺仪可以用作单独的惯性传感器，但大多数应用将这些传感器组合在一起形成惯性系统。当陀螺仪与加速度计结合使用时，陀螺仪的性能通常对惯性导航性能具有更大的影响。因此，陀螺仪运行中偏置稳定性通常被用作惯性系统质量的速记指标。表 1.1 提供了与每个不同惯性传感器性能等级相关的典型陀螺仪运行中偏置稳定性。

在确定哪种级别的惯性传感器最适合特定应用时，了解所需的精度类型以及项目的预算限制非常重要。随着惯性传感器性能等级的提高，其相关成本也随之提高，如表 1.1 所示。消费级惯性传感器的低成本使其成为智能手机和平板电脑的理想选择。另一方面，导航级惯性传感器具有更高的精度，但成本也更高，因此仅在最关键的任务应用中实用。

惯性传感术语

随着惯性传感器市场的增长，惯性传感器的使用以及用于描述惯性传感器的不同术语也随之扩大。公司文献和互联网上提供的信息中使用了大量的技术术语和首字母缩略词，因此很难确定哪种惯性传感器组合最适合特定应用。此外，其中许多术语可以互换使用，因此了解构成每个系统的组件以及每个系统提供的计算导航输出非常重要。表 1.2 中描述了一些更常见的惯性传感术语，请注意，括号中列出的传感器可能包含也可能不包含在惯性系统中。

当提及表 1.2 中列出的惯性系统时，通常根据系统测量的总轴数来描述它们。单个惯性传感器只能感测沿或绕单个轴的测量。为了提供三维解决方案，必须将三个单独的惯性传感器安装在一起形成一个称为三元组的正交簇。这组安装在三元组中的惯性传感器通常称为三轴惯性传感器，因为该传感器能够沿三个轴中的每一个提供一次测量。类似地，由 3 轴加速度计和 3 轴陀螺仪组成的惯性系统被称为 6 轴系统，因为它沿三个轴中的每一个提供两个不同的测量，总共六个测量。表 1.3 定义了一些更常见的传感器组合。