什么是惯性测量器件，它是如何工作的？

（来源：中国航空报）

　　无论是飞机倾斜转弯，还是无人机在阵风中调整位置，飞行器都必须先感知自身的运动状态，控制系统才能作出相应反应。

　　惯性测量器件正是用于提供此类测量数据的装置。它将多种运动传感器集成在一个紧凑的组件中，并将传感器读数传输给飞行器上的其他系统。

　　惯性测量器件广泛应用于飞机、航天器、导弹、无人驾驶载具以及许多其他需要监测自身运动状态的设备中。它们无需接收GPS卫星信号即可工作，尽管它们自身无法确定飞行器的精确位置。

　　要了解惯性测量器件的功能，不妨先从其中两种主要传感器入手。

惯性测量器件测量什么？

　　典型的惯性测量器件包含三个加速度计和三个陀螺仪。它们协同工作，测量沿三个相互垂直轴线的运动以及绕这些轴线的旋转。加速度计测量比力（specific force），其中包括载具加速度的影响以及抵消重力的支撑力。陀螺仪测量角速率，即载具旋转的快慢。

　　这三个轴使惯性测量器件能够捕捉不同方向上的运动。例如，飞行器可以进行机头俯仰（向上或向下）或偏航（向左或向右）运动。三轴陀螺仪可测量绕每个轴线的旋转速率。

　　加速度计提供另一组测量数据。当飞行器加速、减速或改变方向时，它们会作出响应。当载具静止于地面时，其加速度计也会记录下抵消重力的支撑力。

　　惯性测量器件将这些测量数据发送给飞行计算机、导航处理器或控制系统。接收系统利用这些数据来估算载具的运动状态，并根据可用信息确定其姿态（朝向）。

加速度计和陀螺仪如何工作？

　　加速度计包含一个对力作出响应的传感元件。在常见的微机电系统（MEMS）设计中，内部的一个微小质量块会相对于传感器外壳发生位移。电子电路会检测这种位移并将其转换为测量值。

　　陀螺仪测量的是旋转而非线性运动。MEMS陀螺仪通常采用振动结构，当设备旋转时，该结构会作出响应。其他类型的陀螺仪则利用光线而非振动机械元件来工作。

　　例如，光纤陀螺仪将光线沿相反方向射入光纤线圈中，旋转会使两束光之间产生可测量的差异，从而使仪器能够计算出角速率。

　　根据尺寸、成本、功耗和精度要求的不同，各种惯性测量器件采用的传感器设计也各不相同。小型商用无人机可能使用紧凑型MEMS单元，而大型航空航天平台则可能使用精度更高的陀螺仪。

惯性测量器件如何帮助载具保持姿态？

　　想象一下，一阵阵风导致无人机发生倾斜，其内部的陀螺仪会测量由此产生的旋转。飞控系统利用这些读数以及其他传感器信息，来监测无人机姿态的变化，进而调整电机以抵消这种不必要的运动。

　　同样的原理也适用于大型飞行器，尽管后者的飞控系统更为复杂。运动测量数据有助于这些系统监测飞行器对控制指令及外部扰动的响应。

　　惯性测量器件并不直接输出完整且无误差的姿态数据；处理器必须综合其传感器读数来估算姿态。陀螺仪读数反映了姿态随时间的变化情况，而加速度计读数则可在适宜条件下提供重力参考。

　　这种区别在进行机动动作时尤为重要。由于加速度计响应的是重力与载具自身运动的综合效应，处理器不能简单地将其读数视为“向下”方向的指示。根据具体应用场景，系统还可能利用磁力计、大气数据传感器、摄像头或其他测量手段来优化估算结果。

惯性测量器件与惯性导航系统是一回事吗？

　　很肯定的答案，不是。惯性测量器件仅提供传感器测量数据，而惯性导航系统（INS）则会对这些数据进行处理，从而估算载具的姿态、速度和位置。惯性导航系统首先获取载具的初始状态信息，随后利用陀螺仪读数追踪姿态变化，并利用加速度计读数计算速度与位置的变化。随着飞行器的移动，计算过程持续进行，使系统无需持续接收外部位置信号即可维持导航估算。

　　这种能力在GPS信号不可用、受干扰或遭受欺骗攻击时极具价值。然而，惯性导航系统无法无限期保持绝对精确。随着导航处理器不断计算运动状态，传感器测量中的微小误差会逐渐累积。此外，姿态误差会影响系统对加速度的解读，进而加剧速度和位置估算中的误差。

　　导航系统通常会利用可靠的外部测量数据（如GPS更新信息）来校正这种漂移误差。当无法获取这些更新时，惯性传感器的质量以及信号中断持续时间的长短，会影响估算位置与飞行器实际位置之间的偏差程度。

航空工程师为何使用惯性测量器件？

　　工程师在选择惯性测量器件时，会考虑飞行器需要测量什么以及所需的测量精度。传感器误差、振动、温度变化、功耗、尺寸和重量等因素都会影响这一选择。

　　小型无人机和航天器虽然都可能搭载惯性测量器件，但它们未必需要相同的传感器或处理设备。不过，其基本功能是一致的：惯性测量器件负责测量加速度和旋转数据，而与之相连的系统则利用这些数据来实现飞行器的导航、稳定或控制。（航柯）