1.1  研究背景

随着时代的进步与发展，民用无人直升机开始蓬勃发展，在航拍、农业、搜索救援等各种各样的领域展现出惊人的成效。民用无人直升机是指微小型无人直升机（Mini Unmanned Helicopter，MUH）。它有着体积小、成本低并且行动灵活损耗小等特点优势。MUH一般机翼翼展小于三米，可以垂直起降，对起飞着陆要求较低，并且机动性很强。MUH的这些特点为它的发展提供了优势，使其在市场上的推广有了一定基础条件。

从某种意义上说，MUH的优势也限制了它的发展，就民用MUH来说，它的低成本小体积特性决定了它不可能拥有成本较高的高精度传感器和较大型器材。这就是限制其发展的一个重要方面。飞机的姿态信息是MUH的重要信息，是飞机飞行增稳系统的必需量。所以如何从MUH上获取精确稳定的姿态信息是无人机行业需要面对的一个共同难题。但是由于MEMS（Micro-electromechanical Systems）技术的高速发展，小型飞行器开始大量采用捷联惯性测量单元（Inertial Measurement Unit，IMU）作为姿态测量单元。该单元由低成本的陀螺仪、加速度计和磁力计组成，但是这些传感器都存在较大误差，所以如何通过滤波算法融合出满足飞行需要的姿态信息就成了关键。

1.1.1 MEMS传感器的发展概况

微机电系统也称MEMS。它是指运用微制造技术在半导体基板上制造微机械电子装置的系统。MEMS技术是把低成本，功能完善且较为复杂的微机电系统放在一个硅片上，上面有传感器、控制器和一些微电子元器件。它涉猎到很多学科，比如，电子、通讯、机械、自动控制等。

MEMS惯性元器件与集成系统研究从20世纪末就是非常热门的研究领域，一直延续至今。从上世纪八十年代起，美国、日本、俄罗斯、德国就陆续开始这方面的研究，目前，美国在这方面处于领先地位。在这些不同国家研究者的研究推动下，MEMS惯性传感器得到了大幅发展，现在已经出现了一批精度高，性能稳定、成本又低的MEMS微惯性传感器。美国的Analog Device 公司和Rockwell公司2000年就生产了优秀稳定的ADXL系列产品微惯性传感器。如今，微惯性传感器的性能已经得到大幅提升，已经能够基本上满足民用要求。

目前，国内在这方面的研究虽然起步晚，但是有了很大进展，已经逐渐赶上国外的脚步。最近，主要是以清华大学、南京航空航天大学等高校的研究人员为代表在逐步研究发展并且紧跟国外最先进技术发展状况。

1.1.2 惯性导航系统的发展简述

惯性导航系统（Inertial Navigation System，INS） ，是一种自给式系统。1998年Crossbow公司推出了在微机械器件基础上的惯性测量单元，再加上MEMS传感器不断发展，惯性测量技术的发展极大地被推动。在小型无人机这一方面上，受平台和低成本等因素的限制，姿态测量系统一般采用MIMU(Micro Inertial Measurement Unit)/磁强计组合。因为MIMU/磁强计拥有体积小、低成本而且功耗低等特点，所以它是目前导航研究的一个热点。

荷兰有一家叫做Xsens的公司，它一直在MIMU/磁强计组合研究的国际技术领域上处于较为领先的地位，它生产的MTI系列航姿参考系统就是一种比较成熟的产品，还有美国的一家公司Crossbow，它生产的AHRS 500GA姿态方位参考系统是一种在航空领域广泛应用的器材，该系统通过运用重力和地磁场位，提高陀螺仪自身的漂移纠偏能力，在静态状况下，测得俯仰角、横滚角这两个角的精准度甚至在±0.5°范围以内，航向角的精度在±1.5°左右；在动态状况下横滚角、俯仰角和航向角三个角的精度都在±2.0°范围。此外还有美国的另一家公司Innalabs生产的 AHRS是一种性能极高的捷联式惯性导航系统，同样处在静态状况下，可以测得横滚和俯仰角的数值精度可以达到±0.04°，航向角的精度则是在±0.17°范围；在动态状况下，横滚和俯仰角的精度在±0.1°范围，航向角的精度则是在±0.5°范围，其重量只有0.15kg。

国外在MIMU/磁强计组合技术研究领域已经优先取得了一些成就，按照其精度而言能够满足大部分民用领域的要求，但是这些价格都比较高，限制了该技术的广泛使用。国内在该领域上的研究较为缓慢，主要的研究机构是一些高校如清华大学、南京航空航天大学、西北工业大学等。虽然有一定成果，但在实际应用上都达不到相应要求。综合其中原因，一方面是因为国内MEMS 器件的生产商无法生产高精度MEMS陀螺，另一方面是磁强计本身很容易受到环境因素影响。

1.1.3 航姿参考系统的研究情况

由微陀螺仪、微加速度计、微磁强计等MEMS惯性测量元件组成的微小型惯性导航系统称为航姿参考系统(AHRS)，它是惯性技术这一领域研究的重要分支，利用微陀螺仪和微加速度计测出载体的角速度和加速度信号，经过计算，输出飞行器的实时姿态状况和航向等有用信息，同时可以再给飞行器的姿态控制和动力控制系统输入指令，这样便实现了导航功能。与其它的导航方式相比而言，惯性导航系统具有以下这些优点:首先它可以较为充足地给出飞行器所需要的导航和制导参数，包括飞行器所在的具体位置、实时姿态角、实时速度以及准确的航向等重要信息;其次，它不受外界工作条件变化因素的限制，也不会受到信号干扰的影响，具有非常好的隐蔽性，能在极端恶劣环境下工作等优点;最后微惯性传感器市场之所以有如此大的前景还源于它的成本，能够批量化大规模生产，并且体积不大、重量较轻、方便运输，其经济效益十分明显。

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