慣性傳感器

(1)．科里奧利(Coriolis)原理：也稱科氏效應（科氏力正比于輸入角速率）。該原理適用于機械式干式﹑液浮﹑半液浮﹑氣浮角速率陀螺；撓性角速率陀螺；MEMS硅﹑石英角速率陀螺（含半球諧振角速率陀螺）等。Coriolis法國物理學家（1792年～1843年）。

(2)．薩格納（Sagnac）原理：也稱薩氏效應（相位差正比于輸入角速率）。該原理適用于光纖角速率陀螺；激光角速率陀螺等。Sagnac法國物理學家（1869年～1926年），居里夫婦的朋友。1913年發(fā)明薩氏效應。

低精度MEMS慣性傳感器作為消費電子類產品主要用在手機、GPS導航、游戲機、數碼相機、音樂播放器、無線鼠標、PD、硬盤保護器、智能玩具、計步器、防盜系統(tǒng)。由于具有加速度測量、傾斜測量、振動測量甚至轉動測量等基本測量功能，有待挖掘的消費電子應用會不斷出現。

中級MEMS慣性傳感器作為工業(yè)級及汽車級產品，則主要用于汽車電子穩(wěn)定系統(tǒng)（ESP或ESC）GPS輔助導航系統(tǒng)，汽車安全氣囊、車輛姿態(tài)測量、精密農業(yè)、工業(yè)自動化、大型醫(yī)療設備、機器人、儀器儀表、工程機械等。

高精度的MEMS慣性傳感器作為軍用級和宇航級產品，主要要求高精度、全溫區(qū)、抗沖擊等指數。主要用于通訊衛(wèi)星無線、導彈導引頭、光學瞄準系統(tǒng)等穩(wěn)定性應用；飛機/導彈飛行控制、姿態(tài)控制、偏航阻尼等控制應用、以及中程導彈制導、慣性GP戰(zhàn)場機器人等。

慣性傳感器包括加速度計（或加速度傳感計）和角速度傳感器（陀螺）以及它們的單、雙、三軸組合IMU（慣性測量單元），AHRS（包括磁傳感器的姿態(tài)參考系統(tǒng)）。

MEMS加速度計是利用傳感質量的慣性力測量的傳感器，通常由標準質量塊（傳感元件）和檢測電路組成。

IMU主要由三個MEMS加速度傳感器及三個陀螺和解算電路組成。

慣性傳感器分為兩大類：一類是角速率陀螺；另一類是線加速度計。

角速率陀螺又分為：機械式干式﹑液浮﹑半液浮﹑氣浮角速率陀螺；撓性角速率陀螺；MEMS硅﹑石英角速率陀螺（含半球諧振角速率陀螺等）；光纖角速率陀螺；激光角速率陀螺等。

線加速度計又分為：機械式線加速度計；撓性線加速度計；MEMS硅﹑石英線加速度計（含壓阻﹑壓電線加速度計）；石英撓性線加速度計等。

固態(tài)慣性傳感器有著潛在的成本、尺寸、重量等優(yōu)勢，其在系統(tǒng)中的應用也必然激增。隨著器件成本的降低、小尺寸傳感器的出現，軍事應用也出現了許多新的應用領域。

慣性導航系統(tǒng)是隨著慣性傳感器的發(fā)展而發(fā)展起來的一門導航技術,它完全自主、不受干擾、輸出信息量大、輸出信息實時性強等優(yōu)點使其在軍用航行載體和民用相關領域獲得了廣泛應用。慣導系統(tǒng)的精度、成本主要取決于陀螺儀和加速度傳感器的精度和成本,尤其是陀螺儀其漂移對慣導系統(tǒng)位置誤差增長的影響是時間的三次方函數,而高精度的陀螺儀制造困難,成本很高,因此慣性技術界一直在尋求各種有效方法來提高陀螺儀的精度,同時降低系統(tǒng)成本。

微型機械式慣導傳感器將統(tǒng)治戰(zhàn)術性能要求（或以下）的應用領域。軍用市場將推動這些傳感器的發(fā)展，如適用靈巧飛行器、自主導航導彈、短程戰(zhàn)術導彈導航、火力控制系統(tǒng)、雷達天線的運動補償、復合智能小型推進器和晶片大小的INS/GPS系統(tǒng)。洲際彈道導彈系統(tǒng)和潛射彈道導彈系統(tǒng)戰(zhàn)略制導系統(tǒng)的發(fā)展，將依賴于武器系統(tǒng)和戰(zhàn)略系統(tǒng)的總體性能要求。導航系統(tǒng)為提高導航精度，將繼續(xù)采用穩(wěn)定平臺式機械陀螺儀和加速度計（擺式陀螺加速度計）。

從20世紀50年代的液浮陀螺儀到70年代的動力調諧陀螺儀;從80年代的環(huán)形激光陀螺儀、光纖陀螺儀到90年代的振動陀螺儀以及研究報道較多的微機械電子系統(tǒng)陀螺儀相繼出現,從而推動了慣性傳感器不斷向前發(fā)展。因此對慣性傳感器的研究一直是各國慣性技術領域的重點,各種新材料、新技術在慣性傳感器研究中都有所體現,隨著低成本、高精度的慣性傳感器的出現,慣性導航系統(tǒng)將成為通用、低價的導航系統(tǒng)。

最近的傳感器技術發(fā)展使得機器人和其他工業(yè)系統(tǒng)設計實現了革命性的進步。除了機器人以外，慣性傳感器有可能改善其系統(tǒng)性能或功能的應用還包括：平臺穩(wěn)定、工業(yè)機械運動控制、安全/監(jiān)控設備和工業(yè)車輛導航等。這種傳感器提供的運動信息非常有用，不僅能改善性能，而且能提高可靠性、安全性并降低成本。

然而，要想獲得這些好處，必須克服一些障礙，尤其是許多工業(yè)應用處在惡劣的物理環(huán)境下，必須考慮溫度、震動、空間限制和其他因素的影響。對工程師而言，為了從傳感器獲取一致的數據，將其轉換成有用的信息，然后在系統(tǒng)的時序和功耗預算內做出反應，工程師必須擁有多種技術領域的知識和經驗，并且遵循良好的設計規(guī)范。

了解問題

來自慣性傳感器的信息經過處理和積分后，可以提供許多不同類型的運動、位置和方向輸出。每種類型的運動都涉及到一系列應用相關的復雜因素，對此必須加以了解。工業(yè)控制應用就是一個很好的例子，某種形式的指向或轉向設備對這些應用十分有用。傾斜或角度檢測常常是此類應用的核心任務，在最簡單的范例中，機械氣泡傳感器便可滿足需要。然而，在明確傳感器需求之前，需要分析最終系統(tǒng)的完整運動動力學特性、環(huán)境、壽命周期和可靠性預期。

如果系統(tǒng)的運動相對而言為靜態(tài)，簡單的角度傳感器可能就足夠了，但實際的技術決策取決于響應時間、沖擊和震動、尺寸、整個使用壽命期間的性能漂移。此外，許多系統(tǒng)涉及到多種類型的運動（如旋轉和加速度等），而且往往在多個軸上工作，這就需要考慮將多種類型的傳感器結合在一起。

一旦知道正確的傳感器類型和技術后，挑戰(zhàn)便轉移到了解和最終補償傳感器對環(huán)境（溫度、震動、沖擊、安裝位置、時間和其他變量）的反應。環(huán)境補償涉及到額外的電路、測試、校準和動態(tài)調整，而每種類型的傳感器，甚至每個傳感器都是獨特的，因此這又會帶來補償不足或過度的額外風險，除非工程師非常了解傳感器特性。最后這一點驅使許多設計工程師采用完全集成的傳感器解決方案，以便消除運用和實施過程中的障礙。

線性速率抑或角速率

慣性傳感器有多種類型。MEMS（微機電系統(tǒng)）傳感器是最完善的傳感器類型之一，已經使眾多應用受益。15年前，MEMS線性加速度傳感器（加速度計）徹底革新了汽車安全氣囊系統(tǒng)。自此以后，從筆記本電腦硬盤保護到游戲控制器中更為直觀的用戶運動捕捉，各種獨特的功能和應用得以實現。

根據諧振器陀螺儀的原理，MEMS結構也可提供角速率檢測。兩個多晶硅檢測結構各含一個“擾動框架”，通過靜電將擾動框架驅動到諧振狀態(tài)，以產生必要的運動，從而在旋轉期間產生科氏力。在各框架的兩個外部極限處（與擾動運動正交）是可動指，放在固定指之間，形成一個容性撿拾結構來檢測科氏運動。當MEMS陀螺儀旋轉時，可動指的位置變化通過電容變化進行檢測，由此得到的信號送入一系列增益和解調級，產生電速率信號輸出。某些情況下，該信號還會經轉換，送入一個專有數字校準電路。

傳感器內核周圍的集成度和校準由最終性能要求決定，但在許多情況下，可能需要進行運動校準，以便實現最高的性能水平和穩(wěn)定性。

調理和處理

在工業(yè)市場上，諸如震動分析、平臺校正、一般運動控制之類的應用都需要高集成度和高可靠度的解決方案，而且在許多情況下檢測元件是直接嵌入到現有設備中。此外，還必須提供足夠的控制、校準和編程功能，使器件真正獨立自足。一些應用范例包括：

● 機器自動化：通過提高位置檢測精度，并且更加嚴格地將此信息與遠程控制或編程設置的運動相關聯，可以使自治或遠程控制的精密儀器和機械臂更加精確、有效。

● 工業(yè)機械的狀態(tài)監(jiān)控：通過將傳感器更深地嵌入機械內部，并且借由傳感器性能和嵌入式處理而更早、更準確地掌握狀態(tài)變化的跡象，可以獲得更實用的價值。

● 移動通信和監(jiān)控：無論是陸地、航空還是海上交通工具，慣性傳感器都有助于其實現穩(wěn)定（天線和相機）和定向導航（利用GPS和其他傳感器進行航位推算）。

工業(yè)檢測市場異常紛繁多樣，必須通過集成嵌入式可調特性，如數字濾波、采樣速率控制、狀態(tài)監(jiān)控、電源管理選項和專用輔助I/O功能等，來支持各種不同的性能、集成度和接口要求。在其他更復雜的情況下，還需要采用多個傳感器和多種類型的傳感器。即使看起來很簡單的慣性運動，例如僅限于一個或兩個軸的運動，也可能需要同時采用加速度計和陀螺儀檢測來補償重力、震動及其他不符常規(guī)的行為和影響。

傳感器還可能具有交叉靈敏度，很多時候需要對此進行補償，即使無須補償，至少也需要加以了解。此外，慣性傳感器的性能指標存在許多不同的標準，這使得上述問題的解決更加困難。當指定角速率傳感器要求時，多數工業(yè)系統(tǒng)設計工程師主要關心的是陀螺儀穩(wěn)定性（隨時間發(fā)生的偏置估算），消費級陀螺儀通常不會規(guī)定這一特性。如果傳感器的線性加速度性能較差，那么即使0.003°/s的良好陀螺儀偏置穩(wěn)定性也可能毫無意義。例如，假設線性加速度特性為0.1°/s/G，在旋轉±90° (1 G)的簡單情況下，這將給0.003°/s的偏置穩(wěn)定性增加0.1°的誤差。加速度計通常與陀螺儀一起使用，以便檢測重力影響，并且提供必要的信息來驅動補償過程。

為了優(yōu)化傳感器性能并盡可能縮短開發(fā)時間，需要深入了解傳感器靈敏度和應用環(huán)境。校準計劃可以針對影響最大的因素進行定制，從而減少測試時間和補償算法開銷。面向具體應用的解決方案將適當的傳感器與必要的信號處理結合在一起，如果具備高性價比并且提供現成可用的標準系統(tǒng)接口，這些解決方案將能消除許多工業(yè)客戶過去所面臨的實施和生產障礙。

加速度、震動分析

在一些應用案例中，相對簡單的傳感器輸出可能就足夠了，但在另一些應用中（例如，通過震動分析進行狀態(tài)監(jiān)控），則需要增加相當多的處理過程才能實現所需的輸出。

圍繞慣性傳感器而構建的一個高集成度器件示例是ADIS16227，它是一款完全自治的頻域震動監(jiān)控器。此類器件可能不提供相對簡單的g/mV輸出，而是提供特定應用分析。在本例中，其嵌入式頻域處理、512點實值FFT和片上存儲器能夠識別各震動源并進行歸類，監(jiān)控其隨時間的變化情況，并根據可編程的閾值做出反應。

能夠檢測和了解運動可能對幾乎所有設想到的領域都具有應用價值。大多數情況下，人們希望掌控一個系統(tǒng)發(fā)生的運動，并利用該信息提高性能（響應時間、精度、工作速度等），增強安全性或可靠性（系統(tǒng)在危險情況下關機），或者獲得其他增值特性。但在某些情況下，不運動才是至關重要的，因此傳感器可用來檢測不需要的運動。

這些特性或性能升級往往在現有系統(tǒng)上實施，考慮到最終系統(tǒng)的功耗和尺寸已確定，或者必須最小化，MEMS慣性傳感器的小尺寸和低功耗特性無疑極具吸引力。某些情況下，這些系統(tǒng)的設計人員不是運動動力學方面的專家，因此，在決定是否進行系統(tǒng)升級時，完全集成和校準的傳感器存在與否可能是最關鍵的因素。

基于慣性傳感器(Inertial Measurement Unit，IMU)的物體與肢體活動識別技術是人機交互和普適計算領域的一個新興的研究方向，已在智能人機交互、醫(yī)療保健、教育和運動分析等領域得到了廣泛的研究。然而基于慣性傳感器的物體與肢體活動識別技術應用在建筑領域還處在一個緩慢發(fā)展及探索可行性的階段，早期的研究未能考慮到慣性傳感器位置對施工活動識別的影響，且由于施工活動的復雜性使得基于慣性傳感器的施工活動識別還有待研究。因此，本書重點研究了慣性傳感器對建筑工人的施工應用和在裝配式建筑施工吊裝中的應用嘗試。

本書的第一部分主要介紹基于慣性傳感器協(xié)同的施工活動識別。

本書的第二部分介紹了裝配式建筑施工中慣性傳感器的一些應用嘗試。

本書的第三部分介紹了將慣性傳感器應用于提前感知裝配式建筑構件吊裝碰撞的一些實驗嘗試。

本書根據既定路線、信號分割、窗口尺寸、碰撞行為、避障行為進行系統(tǒng)的研究以及探討，為慣性傳感器在建筑施工中的應用提供了翔實的實驗依據，為工程施工的進一步自動化開拓了思路。

第一部分 慣性傳感器對建筑工人的施工應用

1 緒論

1.1 背景與意義

1.2 問題的提出及解決方案

1.3 本部分的相關研究工作

1.3.1 具體目標

1.3.2 采用的方法與技術路線

1.3.3 具體的研究內容

2 肢體活動識別概述

2.1 建筑業(yè)中應用計算機視覺方法的肢體活動識別

2.2 基于慣性傳感器的肢體活動識別的發(fā)展概述

2.3 基于慣性傳感器的肢體活動識別性能研究概述

2.3.1 數據采集

2.3.2 數據處理

2.3.3 分類技術

2.4 建筑業(yè)中初步應用慣性傳感器的肢體活動識別

本章小結

3 研究方法與實驗步驟

3.1 慣性傳感器數據采集

3.1.1 施工任務活動選擇

3.1.2 慣性傳感器位置

3.1.3 實驗數據采集

3.2 數據處理

3.2.1 數據過濾

3.2.2 信號分割

3.2.3 特征提取

3.3 施工活動識別模型建立與評價

3.3.1 分類算法

3.3.2 模型評價

3.4 基于多類型慣性傳感器協(xié)同的工人工效監(jiān)控系統(tǒng)

本章小結

4 多類型慣性傳感器協(xié)同下的施工活動識別

4.1 數據過濾

4.2 信號分割窗口尺寸研究

4.2.1 窗口尺寸對加速度數據模型的影響

4.2.2 窗口尺寸對角速度數據模型的影響

4.2.3 最佳窗口尺寸

4.3 慣性傳感器類別與位置優(yōu)化研究分析

4.4 慣性傳感器類別及位置組合優(yōu)化實驗研究

4.4.1 單一位置的慣性傳感器類別配置優(yōu)化

4.4.2 兩個位置組合的慣性傳感器類別配置優(yōu)化

4.4.3 三個位置組合的慣性傳感器類別配置優(yōu)化

4.4.4 四個位置的慣性傳感器類別配置優(yōu)化

本章小結

5 多類型慣性傳感器協(xié)同下的工人工效監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)

5.1 工人工效識別依據

5.2 多類型慣性傳感器協(xié)同下的工人工效識別

5.2.1 數據分析及處理

5.2.2 實驗結果與討論

5.3 多類型慣性傳感器協(xié)同下的工人工效監(jiān)控系統(tǒng)

本章小結

第二部分 慣性傳感器應用于裝配式建筑施工

6 研究步驟及實驗方法

6.1 數據采集

6。1.1 吊裝活動的分類

6.1.2 研究對象的選擇與傳感器放置的位置

6.1.3 實驗步驟

6.1.4 實驗數據采集

6.2 數據處理

6.2.1 信號分割

6.2.2 特征提取

6.3 吊裝活動識別模型的建立與評價

6.3.1 分類算法

6.3.2 模型評價

7 吊裝活動識別模型的結果分析及優(yōu)化

7.1 慣性傳感器數據分析

7.2 單一位置的慣性傳感器結果分析

7.3 兩個位置組合的慣性傳感器結果分析

7.4 三個位置融合的慣性傳感器結果分析

第三部分 慣性傳感器應用于裝配式吊裝碰撞提前感知探索

8 實驗設計及步驟

8.1 設置實驗的目的

8.2 具體的實驗步驟

8.3 實驗內容

9 實驗數據的處理與分析評價

9.1 慣性傳感器的數據采集

9.2 數據處理

9.3 是否碰撞結果預測及說明

9.3.1 神經網絡算法

9.3.2 K-NN算法

9.4 人為干涉情況分析

本章小結

10 圖像分析

10.1 碰撞分類的圖像分析

10.1.1 直接碰撞的圖像分析

10.1.2 急停時的圖像分析

10.1.3 繞行時的圖像分析

10.2 人為干涉與無人干涉分類的圖像分析

10.2.1 構件的圖像對比分析

lO.2.2 人為干涉時人體活動圖像分析

10.2.3 采用慣性傳感器檢測碰撞的標準化操作流程

本章小結

11 利用慣性傳感器進行防碰撞與其他防碰撞手段的技術對比

11.1 其他防碰撞技術手段

11.2 慣性傳感器防碰撞技術的優(yōu)缺點

11.2.1 優(yōu)點

11.2.2 缺點

12 結論與展望

參考文獻2100433B

為避免導線舞動扭轉導致計算出的相對位移與實際運動偏差，設計了基于慣性傳感器的導線舞動監(jiān)測系統(tǒng)，對系統(tǒng)中的導線舞動無線監(jiān)測傳感器、導線舞動狀態(tài)監(jiān)測裝置(CMD)、狀態(tài)監(jiān)測代理(CMA)等部分進行了硬件設計和舞動定位算法設計。利用慣性傳感器設計，既考慮了導線自激振蕩引起的舞動，也考慮了導線扭轉運動引起的舞動。搭建了模擬導線舞動的測試“，對系統(tǒng)可行性進行了測試，并對采用加速度傳感器和慣性傳感器2種方法進行比較，通過模擬實驗結果表明:系統(tǒng)可有效對舞動進行監(jiān)測，僅采用加速度傳感器測量和計算的位移偏大，而利用慣性傳感器測量和計算的位移更精確。此系統(tǒng)已在貴州電網山麻I回220 kV線路女裝，目前運行良好。

隨著我國超高壓輸電線路建設發(fā)展，導線舞動引起的事故經常出現。近些年來，我國受大范圍低溫、雨雪、冰凍等惡劣天氣的影響，多省份輸電線路出現了大面積的覆冰、舞動現象，其中舞動使得多條線路發(fā)生閃絡跳閘、塔材螺栓松動、絕緣了碰撞破損、跳線斷裂、問隔棒等金具損壞斷裂、掉串掉線、桿塔結構受損、倒塔等不同等級的事故，給電網造成了嚴重的災害 。

自20世紀30年代起，國外學者開始對導線舞動進行了大量實驗和理論研究，我國有關舞動的記載始于20世紀50年代。相關研究人員先后提出了多種導線舞動監(jiān)測方法，包括計算機3維仿真、圖像視頻法、加速度傳感器監(jiān)測法等。其中計算機3維仿真法可對導線的起舞過程和重要參量進行計算和仿真，但難以建立通用的數學模型;圖像視頻法是CAG工作人員通過安裝在桿塔上的攝像機拍攝圖片來獲取導線運動狀態(tài)，判斷是否發(fā)生舞動，此方法較為直觀，但只能定性地描述舞動運動狀態(tài);為定量描述導線運動狀態(tài)，當今通常是用加速度傳感器求得導線舞動軌跡。然而在實際應用中發(fā)現，隨著導線運動，加速度傳感器不可避免地發(fā)生扭轉，造成測得數據不在同一個參考系下，由此計算得出的位移和實際運動偏差很大。針對此現象， 設計了采用慣性傳感器的舞動監(jiān)測系統(tǒng)，它既考慮了導線白激振蕩引起的舞動，也考慮了導線扭轉運動引起的舞動。通過慣性傳感器采集導線舞動時的特征量，如加速度和角加速度，經數據分析解算得到物體的實時位置、姿態(tài)等信息，進而實現輸電導線運動軌跡的精確還原。