第 II 页 本科毕业设计说明书

1 绪论

随着现代机械制造工艺的不断进步使传统的机械制造工艺与计算机、新材料还有微电子 等高新现代化的技术的交错融合的产物产生，其已经成为一门同时拥有机械、电子、信息、 材料等技术的新型交叉学科和一门综合技术，主要特点就是技术水平高、智能水平高、清洁 程度高，反过来高科技的发展又使得机械制造工艺更加向着集成程度更高、精细程度更高、 敏捷程度更高的方向飞速发展。其中一门飞速发展且使广大群众受益匪浅的就是一类三维姿 态测量产品，这种东西不光出现在航模、无人机等航空航天事物中，甚至机器人、人体运动 辅助训练、医学上的康复训练等等日常中都有根据这种原理的产品存在。 

这种使所谓的姿态传感器最早起源于飞行器的相关技术，现在应用最多的就是航姿参考 系统（AHRS），航姿参考系统的作用为使运动载体沿着规划的航行轨道到达所要求的地点而 且必须要在所要求的时刻到达，这就必须要求随时了解运动载体的导航参数，如运动载体的 航行速度、某一时刻运动载体所在的地理位置或者下一时刻应该出现的位置、运动载体的瞬 时姿态等等，基于以上要求，导航系统应运而生。导航系统的出现使自动实时提供各种导航 所需参数成为现实[1]。 

随着导航系统的发展，其中关于方向的精确测量不光在航空航天航海等军事方面，也在 机器人、行车导航、人体运动分析、机器交互等一系列生活领域都起着至关重要的作用，可 以说变得与我们生活息息相关。本篇文章就讲述一下导航系统中的姿态的测量是通过什么设 备以及实现的原理。 

随着科技的发展有大量的测量方法都可以测量方向，光学技术姿态跟踪系统精度较高， 是目前最常用的跟踪系统，但其受运动载体的运动限制作用较大且处理的信息量大、计算量 大，所以实时性低、隐私性低。在大量的测量方法中只有惯性测量可以使测量实体不受运动 与否和特定的环境或者是位置的限制。一般都是用 IMU 进行有关于惯性的测量。 

IMU 与上面我们说过的航姿参考系统有什么区别呢？其中最明显的分别就是 IMU 得到 的是传感器数据，而 AHRS 不仅于此它还包含嵌入式的姿态数据解算单元与航向信息，可以 简单的理解为 IMU 与计算机解算结合的功能就是 AHRS。航姿参考系统实际上就是个嵌入式 信息处理系统。 

IMU 包括两种成分，一种是陀螺仪，另一个就是就是加速度计。IMU 能够进行运动载体 的平动与旋转的跟踪测量。此外，为了在三维空间中测量，要求传感器为由 3 个相互垂直敏 感轴组成的三轴式传感器[2]。学过理论力学我们知道所有的运动都可以分为一个直线运动和

一个旋转运动，所以惯性测量单元实际上就是测量者两种运动，其中加速度计测量的是关于 直线运动的信息，而陀螺仪就是测量关于旋转运动的信息。航姿参考系统就是再加一个三轴 式的磁强计在 IMU 已经拥有的传感器的基础上。 

AHRS 的真正参考来自于地球的重力场和地球的磁场，AHRS 的静态测量精度就是取决 于对地球重力场以及地球磁场的测量精度，AHRS 的动态性能取决于陀螺仪。 

对于航姿参考系统不光只有精确性、实时性、稳定性等性能上的要求，对于此也有外形 上的要求，便携、小巧、可批量生产等等要求随之产生。因此就出现了 MEMS 一词。 

MEMS（Micro-Electro-Mechanic System 即微机电系统）是种先进的制造技术平台，以半 导体制造技术为基础发展起来的集微型传感器、执行器及信号处理和控制电路、接口电路、 通信和电源为一体的微型机电系统[3]。具有体积微笑、智能程度高、集成度高、功能全面而 且适合大批量生产的优点。基于 MEMS 的 AHRS 要包括传感器模块、数据处理模块、微处理 器、外围接口、传感通信模块和尚未 PC 机等。MEMS 是一项性的新技术，从开始出现 到现在飞速发展并广泛应用于各种高新技术产业，是一项关乎到国家科技发展、经济繁荣昌 盛、国防安全的关键性技术。MEMS 在经济、军事外交等领域都有普遍的远景，到现在为止 大多数应用在航空航天系统还有汽车、电子、医学、工业等方面。 论文网