新型阵列式微惯性测量系统实现准确位置和姿态数据采集

惯性导航是目前国内紧缺的高新技术，市场需求多、发展潜力大。MEMS惯性传感器虽然具有微型化、成本低等优点，然而，单一的消费级MEMS惯性传感器存在测量误差大、稳定性差等缺陷，这会导致MEMS惯性导航系统获取的姿态、运动数据精度差，无法满足高新产业的发展需求。因此研究价格低、精度高、稳定性好的微惯性测量系统是十分有必要的。

据麦姆斯咨询报道，针对消费级MEMS惯性传感器测量误差不佳、稳定性不好，无法服务于高精度的应用，以及工业级MEMS惯性传感器价格昂贵等缺陷，苏州大学的研究团队通过研究阵列式MEMS微惯性测量单元（IMU）技术方案，设计了一款新型阵列式微惯性测量系统，精度相较于单个惯性传感器提升至少5.7倍，实现准确位置和姿态数据的采集，具有精度高、体积小、应用广泛的特点。相关研究成果已发表于《电子电路设计与方案》期刊。

该阵列式MEMS-IMU系统的硬件结构主要包括MEMS传感器阵列模块、微处理器模块、并行数据总线，传感器阵列模块由32个消费级微惯性传感器CM20948构成，负责感知环境，采集当前的加速度、角速度数据。软件系统中设计了数据采集、分析、标定算法，通过并行数据总线实现多个传感器的同步数据获取，并且对多个传感器进行多数据融合处理，使得该设计系统采集到的数据延迟很小。系统体积小巧，整个电路板的尺寸仅为40mm × 61mm × 9mm，具有很高的便携性和性价比。

图1 阵列传感器硬件实物

图2 系统硬件结构图

图3 程序运行示意图

Allan方差是量化噪声的一种常用方法，适用于鉴别测量数据中不同类型的噪声，可以用来评估传感器参数稳定性，Allan方差的值越小，传感器精度越好。测试结果表明，该阵列式MEMS-IMU系统的Allan方差显著好于单个消费级惯性传感器。相较于单个惯性传感器，测量精度提升了约5.7倍，能够实现准确位置和姿态数据的采集。

图4 阵列式MEMS-IMU系统与单个惯性传感器Allan方差性能对比

表1 阵列式微惯性测量系统性能参数

该新型阵列式MEMS-IMU系统能够稳定、准确地测量出载体的加速度、角速度，实现实时监测载体运动情况，具备高精度、小体积的特点，具有一定的实用价值。

审核编辑：郭婷