北航本科生论文格式

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北航本科生论文格式范文篇一

MEMS航空微时代

摘 要：MEMS(MicroElectronMechanicSystems)技术是从专用集成电路(ASIC)技术发展过来的，已经在电子产品、汽车工业、机械、化工及医药等各领域得到广泛的应用。近年来，MEMS器件在航空领域的应用越来越受到各国重视。本文首先介绍了MEMS加速度计、MEMS陀螺仪、MEMS-IMU惯性导航组合系统等目前在航空领域有一定应用前景的MEMS传感器，对这些传感器在国外的应用研究进行了汇总，最后，介绍国内已有初步进展的MEMS传感器设计应用，并指出我国的航空微时代的研究方向。

关键词：MEMS传感器;MEMS加速度计;陀螺仪;MEMS-IMU

中图分类号：TJ761.1 文献标识码：A 文章编号：1673-5048(2013)05-0018-04

MEMSEraofAviation

HANYing

(ChinaAirborneMissileAcademy，Luoyang471009，China)

Abstract：Microelectronmechanicsystem(MEMS)technologydevelopsonASIC，andhaswidely usedinelectronics，automotive，machinery，chemicalandpharmaceuticalfields，andsoon.Inrecent years，morecountriespayattentiontoMEMSdevicesintheaviationfield.Thispaperintroducesthe promisingMEMSdevicesfirstly，suchasMEMSaccelerometer，MEMSgyroscope，MEMSIMU，theninvestigatesandsummarizestheforeignstudiesofthesesensors.Finally，itintroducestheinitialprogressof MEMSsensorinChina，andpointsoutthedirectionofMEMSaviation.

Keywords：MEMSsensor;MEMSaccelerometer;gyroscope;MEMSIMU

0 引 言

自1962年第一个硅微型压力传感器问世以来，MEMS作为一种将微电子与精密机械融合为一体的新兴微机械技术，得到了迅猛发展。MEMS技术已经在汽车电子稳定系统、GPS辅助导航系统、车辆姿态测量、数码相机稳像系统等方面有了成功应用。

MEMS传感器种类繁多，在航空领域有一定应用前景的有MEMS加速度计、MEMS陀螺仪、

收稿日期：2013-03-25

作者简介：韩颖(1988-)，女，浙江温州人，硕士研究生，主要从事红外导引信息处理技术。MEMS惯性测量组合等。根据其测量精度的不同，每一种MEMS传感器又可以分为低精度MEMS传感器、中精度MEMS传感器和高精度MEMS传感器。中高精度的MEMS传感器已经可以满足航空领域的使用要求。目前，在工程上MEMS加速度计的精度可以达到1×10-4g，MEMS陀螺可以达到10(°)/h的精度，满足了战术级导航的水平[1]。1 MEMS加速度计

1979年Roylance和Angell开始压阻式微加速度计的研制。1991年Cole开始电容式微加速度计的研制。至今，MEMS加速度计已成为MEMS传感器中技术最成熟，在商业化产品中应用最成功的传感器。MEMS加速度计在航空航天主要应用在姿态航向基准系统、飞机导航系统、飞行控制系统、制导系统等[2]。

1.1 主要特点

MEMS加速度计是一种基于HOOK定律的质量块单元，根据测量质量块偏移零点的距离x，弹簧的弹性系数k和已知质量块的质量m来获得加速度值a，由公式(1)，(2)可推出(3)。

MEMS加速度计根据测量形式可以分为电容式、压电式和压阻式。其区别在于，电容式加速度计利用惯性质量块在加速度作用下引起悬臂梁变形，通过电容值的变化来获得加速度的大小，具有灵敏度高、噪声低、漂移小的特点;压电式加速度计利用物体运动时内置的质量块会产生压力，使支撑的刚体发生应变产生压电效应，从而把加速度转变成电信号输出，具有尺寸小、重量轻、结构较简单、易于实现高精度测量的特点;压阻式加速度计通过压敏电阻阻值变化来获得加速度，其结构、制作工艺和检测电路都相对简单。

1.2 国外发展动态

美国ADI公司是最早实现加速度计结构和电路单片集成的公司。自1993年至今，以ADXL50为代表的微惯性器件全球销量已超过1亿件[3]。近年来，ADI推出体积更小，功耗更低的三轴加速度计系列。以ADXL330为代表，如图1，其采用小封装4mm×4mm×1.45mmLFCSP，在1.8V时消耗电流为180μA，加速度测量范围±3g，耐冲击强度10000g，并且具有出色的温度稳定性和良好的灵敏度，使得MEMS加速度计能够在导航控制领域得到更广泛、更可靠的应用。

LittonSiACTM硅加速度计是一种单质量块三轴加速度计，其量程超过100g，零偏优于20×10-6 g，标度因数稳定性优于5×10-5，是中高精度加速度计的典型代表[4]。LittonSiACTM硅加速度计与陀螺仪共同组成LN-200IMU等惯性测量装置，已成功应用在先进中距空空导弹等武器平台上。

Draper实验室研制的谐振式加速度计在世界上处于领先地位。其研制的差分式结构加速度计，基频为20kHz，标度因数为100Hz/g，标度因数稳定性为3×10-6，零偏稳定性为5μg，品质因数Q的典型值大于1×105，主要应用于对稳定性要求较高的领域。 瑞士Colibrys公司的RS9010.A，长期偏置重复性总体目标为1.5mg，显示出优异的振动整流特性，其量程为+/-10g。这些性能验证了RS9010. A是未来的高精度航姿参考系统(AHRS)应用的最佳选择之一，如无人机、大型民用飞机、直升机和陆路或海上航行，或任何中精度低过载导航系统(IMU)。

Sunder2Strand公司研制的振梁式加速度计，是一种战术级的MEMS传感器，可以应用于各种专门用途的制导系统，如RBA2500主要应用于战术导弹和智能炸弹的制导系统[5]。

2 MEMS陀螺仪

1852年法国科学家J.B.L.傅科制作了第一个陀螺仪，这是一套能显示地球转动的仪器。1914年，陀螺开始作为惯性基准构成飞机的电动陀螺稳定装置。1988年，美国CSDL设计研制了最早的双框架式MEMS陀螺。MEMS陀螺仪主要用于角速度的测量，是应用于现代飞机姿态航向参考系统、船舶导航和航天与空间定位[2]等方面的一种惯性导航仪。

2.1 主要特点

目前公开的MEMS陀螺仪基本上都采用振动物体传感角速度的概念。其原理是一个基于科里奥利(Coriolis)力原理的微机械单元，以物体本身作为参照物，震动质量块被悬挂在基座上(如图2)，运动时带动基座旋转产生正比于角速度的科里奥利力，从而检测出物体运动的角速度。这种陀螺仪没有旋转部件、不需要轴承、可批量生产，已研制成功的MEMS陀螺主要有音叉式、谐振梁式和双框架式等[6]。

2.2 国外发展动态

JPL研制的四叶式硅陀螺，采用体加工技术和超精密机械加工，最后进行微组装工艺装配，体积为73.8cm3，功耗1W，零偏稳定性<1(°)/s，可以应用于微小卫星的导航控制。

美国BEI公司的高性能单轴、固态石英音叉MEMS振动陀螺仪QRS11[7]，该陀螺的测量范围有±50(°)/s、±100(°)/s、±200(°)/s、±500(°)/s和±1000(°)/s，恒温100s内稳定值≤0.002(°)/s，分辨率为0.004(°)/s，质量≤60g。目前已应用于“捕食者”无人机和“幼畜”空对地导弹[8]、“阿帕奇”直升机和S-92直升机的稳定平台中。

美国霍尼韦尔公司(HoneyWell)研制的新型两轴MEMS陀螺GG5200专为导引头瞄准线稳定、天线指向稳定、炮塔稳定和飞行控制而设计。据悉，GG5200已替代机械陀螺应用到Stryker装甲车的炮塔稳定平台中。

英国BAE公司生产的硅振环式陀螺，能够耐过载20000，精度达到10～20(°)/h。该MEMS陀螺技术已经应用于Si-IMU系列惯性测量组合，南非A-Darter空空导弹的中段制导中。

3 MEMS-IMU

MEMS-IMU(InertialMeasurementUnit)是MEMS技术组合的微型惯性测量单元，具有体积小、成本低、抗振动和抗冲击能力强、可靠性高等特点，适用于各种战术武器的制导系统[9]。MEMS-IMU器件如图3所示。

3.1 主要特点

MEMS-IMU主要由三个MEMS加速度传感器及三个陀螺及解算电路组成。MEMS加速度计通过获得物体运动的加速度来进行测斜调平，MEMS陀螺仪利用惯性得到物体运动的角速率，从而控制物体运动姿态。加速度计多用在静态或者匀慢速运动中，陀螺仪多应用在动态中。因此，将这几种传感器搭配使用，可更精确地侦测出物体的运动方向和轨迹。

3.2 国外发展动态

自1994年至今，美国诺斯罗普・格鲁门公司已经向100多家客户交付LN-200IMU超过20000套。LN-200IMU是一种体型小、重量轻、可靠性高的光纤惯导组合。它由3个光纤陀螺和3个MEMS硅加速度计组成，主要用于仪器稳定、运动补偿和备用导航传感器。现已在“火星漫游者”、AGM-142空地导弹、BQM-74E亚声速靶机、“兰天”机载吊舱式光电系统、“全球鹰”无人机及先进中距空空导弹等武器平台上得到应用。

Draper实验室最新研制的MEMSIMU体积为133cm3，质量为272g，输入电压为5V(DC)，总功耗为3.1W，最大可承受加速度为20000g，零偏和标度因数的多次启动重复性分别为3(°)/h和7.0×10-5，随机游走在0.05～0.09(°)/h之间，在0～70℃温度变化范围内，一次启动的零偏和标度因数平均为8(°)/h和2.5×10-4，采用ALLAN方差评价该IMU内陀螺的零偏稳定性，对1000s时间内的数据进行平均，IMU内部陀螺的零偏稳定性指标达到0.1(°)/h[10]。

使用了英国BAE公司MEMSIMU产品的雷神公司的增程制导弹药(ERGM)和美军亚瑟王神剑(Excali2bur)XM2982制导炮弹都已出色地完成制导发射任务[11]。其中ERGMIMU在专用81mm迫击炮多发弹发射试验中抗震能力达16000g[12]，性能卓越，为新一代制导武器的发展奠定了基础。

3.3 MEMS-IMU的多轴发展趋势

目前，在航空领域应用范围最广泛的是三轴MEMS-IMU。但为了保持领先的市场地位，各大传感器公司都在研制新型多轴MEMS器件，这使得微航空时代更加具有创新性和挑战性。2012年意法半导体推出LSM330。这是一款可以自定义运动识别功能的六轴MEMS-IMU。所谓六轴MEMS-IMU，就是在一个模块中整合了一个三轴MEMS陀螺、一个三轴MEMS加速度计和两个嵌入式有限状态机(FiniteStateMachine)。同年，意法半导体又推出LSM333D。相对于LSM330，LSM333D在模块中增加了一个三轴磁力计，从而成为九轴MEMS-IMU。美国克尔斯博科技公司研制的NAV440型组合导航就是一款内置GPS的九轴MEMS-IMU，该系统装配了高稳定性的硅MEMS陀螺仪，采用复杂环境密封形式，定位误差<2.5 m，水平速度误差<0.4m/s，垂直速度误差<0.5 m/s，主要应用于无人飞机控制、陆地车辆导航、平台稳定控制等领域。ADI公司不甘落后，在增加一个压力传感器和ADI的ADSPBF512Blackfin处理器后，推出了十轴ADIS16480MEMSIMU。这种十轴MEMS-IMU强大的性能，在未来飞机导航、无人飞机、移动式平台定位等要求实时定位但却存在持续运动，并且具有复杂、动态特点的系统中是非常必要的。 4 国内研究动态

我国MEMS技术起步于20世纪90年代初，现已研制出一系列微电机、微泵与微调、微操作系统模型等。尤其是在“九五”期间，先后建立了两个加工基地(IC、LIGA)和一个项目研究中心[13]，使得我国某些MEMS产品的技术达到了国外同类产品水平。但是，我国目前的研究重点倾向于MEMS器件的设计制造，在航空领域MEMS传感器的应用相对较少。

据调查，国内已有将云台稳像系统框架设计与ADI公司ADXRS300型号MEMS陀螺相结合[14]的设计方案。这种结合了MEMS陀螺的框架结构价格低廉，布局简单紧凑，系统平稳性好，能够快速跟踪目标，最终成功隔离空气动力、温度扰动等对空中云台的影响，得到稳定的跟踪图像，从而使空中云台的测量精度得到很大的提升。该研究中的空中云台，类似于导引系统中用作跟踪控制的稳定平台，因此，在飞航导弹中使用MEMS传感器，也是未来国内航空微时代的一大发展趋势。

在微型惯性测量单元MEMS-IMU倍受青睐的同时，对其可靠性的研究也必不可少。国内有研究利用AD公司的MEMS陀螺和ADIS16355加速度计作为惯性传感器组成捷联惯性导航系统，以Fastrax公司的iTrax02卫星导航接收机和Honey Well公司的HMR3000为磁导航系统的组合导航系统硬件，软硬件融合。构成的组合导航系统在三轴多功能转台上的试验结果表明，组合导航系统MEMS-IMU的精度优于三个独立导航系统的任一子系统精度，可靠性得到提高[15]。这一研究为MEMS-IMU具有更高的精度可靠性，提供了理论依据。

在IMU惯性组合的实际应用中，MEMS陀螺和加速度计常会因为温度的影响产生误差，因此，对MEMS惯性器件的温度补偿研究也非常重要。有研究利用最小二乘建模、BP神经网络以及小波分析法分别建立零点温度模型和比例因子的温度模型[16]，并对仿真结果进行比较发现，误差最小的是小波分析法，误差最大的是最小二乘建模。但是，因为小波分析法实现起来比较复杂，因此推断出BP神经网络是解决温度误差的有效途径。这一结论为后续的MEMS-IMU惯性组合研究工作奠定了基础。

近几年，MEMS技术的应用设计研究逐渐受到重视。在创新基金项目中，由MEMS系统中发展起来的MOEMS(微光机电系统)技术崭露头角。

此外，国内还有其他关于MEMS器件在航空航天方面的应用研究，各种研究均说明，MEMS传感器在我国航空航天领域的实际应用指日可待。

5 结 束 语

从各国研制MEMS传感器的情况来看，低成本、小型化、高可靠性是未来武器系统的主要发展趋势。MEMS器件已经在国外的航空航天领域得到了快速的发展。虽然在国内航空领域有关MEMS传感器应用的公开报道还很少，但是，国家的支持和各研究机构前瞻性的探索使在航空机载设备中使用MEMS传感器已逐渐成为可能。可以预计，在这个国际航空微时代的大环境中，国内MEMS传感器的应用也将会成为举世瞩目的焦点，对未来战术导弹智能化、微型化起到不可估量的作用。

参考文献：

[1]蒋庆仙.关于MEMS惯性传感器的发展及在组合导航中的应用前景[J].测绘通报，2006(9).

[2]佟玲，邹文江，刘潇潇.航空航天MEMS传感器应用及其发展现状[J].电子世界，2011(1)：20-21.

[3]张英，戚红向，李德强，等.MEMS航天惯导产品及技术发展简介[J].航天标准化，2010(3).

[4]王勇.MEMS技术发展及应用优势[J].飞航导弹，2011(5).

[5]黎敏，李玉林.光纤陀螺与精确制导[J].中国计量学院学报，2004，15(3)：175-180.

[6]王淑华.MEMS传感器现状及应用[J].微纳电子技术，

[7]杨业飞，申文涛.惯性稳定平台中陀螺技术的发展现状和应用研究[J].飞航导弹，2011(2).

[8]谷庆红.微机械陀螺仪的研制现状[J].中国惯性技术学报，2003，11(5)：67-72.

[9]任子西.MEMS技术将会为战术导弹带来一场革命[J].战术导弹技术，2010(1).

[10]李荣冰，刘建业，曾庆化，等.基于MEMS技术的微型惯性导航系统的发展现状[J].中国惯性技术学报，2004，12(6)：88-94.

[11]张纯学，王培.更小、更轻、更廉价的微机电系统[J].

北航本科生论文格式范文篇二

航空摄影测量试析

摘要：我国的测量技术随着科技的进步和社会的发展已经有了大大的提高。航空摄影测量已成为测量工程的重要组成部分，我国的经济发展和一些突发事件的发生提供了帮助。笔者就航空摄影测量进行了较为系统的介绍。

关键词：航空;摄影;测量

1. 航空摄影测量的基本该概念及种类

航空摄影测量指的是“在飞机上用航摄仪器对地面连续摄取像片，结合地面控制点测量、调绘和立体测绘等步骤，绘制出地形图的作业”。航空摄影测量单张像片测图的基本原理是中心投影的透视变换，立体测图的基本原理是投影过程的几何反转。利用航空摄影测量技术可以快速获得道路阻断、河流阻塞、城镇的损坏和重要基础设施的破坏情况，为抗震救灾决策指挥提供依据。也可以在城镇规划中提供数据依据。航空摄影测量的作业分外业和内业。外业包括：像片控制点联测，像片控制点一般是航摄前在地面上布设的标志点，也可选用像片上明显地物点(如道路交叉点等)，用测角交会、等外水准、测距导线、高程导线等普通测量方法测定其高程和平面坐标。综合法测图。内业包括：加密测图控制点，以外业像片控制点为基础，一般用空中三角测量加密方法，推求测图需要的控制点、检查其平面坐标和高程。

2. 解析空中三角测量

在精密立体坐标量测仪或解析测图仪上，立体量测加密点及框标在左右像片上的坐标。当作业人员通过观测系统使左右眼分别观察左片和右片，则可看到重建的立体光学模型。其他建立立体视觉的方法，包括：互补色法，偏振光立体眼镜法;液晶立体眼镜法等。

2.1 内定向、相对定向和绝对定向

内定向是指“根据量测的像片四角框标坐标和相应的摄影机检定植，恢复像片与摄影机的相关位置，即确定像点在像框标坐标系中的坐标”。在立体测图仪上的内定向，是通过严格的装片来实现的，即使用对点器(―种精巧的放大镜)，分别地将涤纶像片上的框标精确对准承片盘上的相应框标。从而就实现了恢复像片内方位元素.对于解析测图仪，则只需将像片的基线大致平行于仪器的X 轴.像片的内定向，是通过精确量测像片的四角框标，利用严密的解析公式计算求解，同时进行像片的变形改正。

相对定向是指“恢复摄影瞬间立体像对内左右像片之间的相对空间方位”。确定两个像片的相对空间方位需要五 个参数.相对定向的数学关系通常用同名光线共面条件表示，即左右摄影中心至地面点的两条光线共面。相对定向至少需量测六个定向点，利用最小二乘法平差解算。对于模拟型立体测图仪，包括机助测图系统，立体像片对的相对定向，是通过左右像片车架的空间运动来实现的，以便消除立体模型内各点的上下视差，从而实现恢复立体像对左右片在摄影瞬间的相对空间方位。

绝对定向是指“确定立体模型或由多个立体模型构成的区域的绝对方位，也就是确定立体模型或区域相对地面的关系”。绝对定向参数为七个。传统的模拟立体测图仪绝对定向，通常分成高程置平和平面对点两个步骤来完成的.立体模型的绝对定向，通常需要六个已知平高定向点，至少应有四个平高点。解析测图仪和机助测图系统，立体模型的绝对定向，是按三维正形变换算法，利用最小二乘法进行平差解算的。

2.2 区域平差和联合平差

区域平差也称“区域空中三角测量”，俗称“电算加密”，是“对整个区域网进行绝对定向和误差配赋”。区域平差目前一般采用独立模型法或光线束法。独立模型法是以单个立体模型为单元，而光线束法则以单张像片为单元。联合平差是指“摄影测量数据与非摄影测量数据的整体联立解算”。联合平差指“带辅助数据的解析空中三角测量”。辅助数据系指大地测量观测数据，例如地面距离、水平角、方位角，像片外方位元素，湖面点等高等条件。目前，联合平差主要是指，摄影测量数据与机载GPS 精确定位数据的同时整体解算。这是解析空中三角测量的一项重要进展，可以实现少地控或无地控空中三角测量。

3. 数据采集―测图

3.1地物采集

作业人员在完成立体模型的绝对定向后，需经专职质量检查人员联机检查，确认精度符合要求后，方可进行地物采集。应参照外业调绘片，在立体模型上仔细辨认，分类进行测绘.对于数字化测图，应按统一的地物编码系统分类进行采集，并且分层进行存储。同时采集的数据还应加上地物属性，以方便于同GIS 建立接口。为了便于在采集和编辑中明显地区分不同的地物，各种现状地物通常赋予相应的颜色。

3.2 地貌采集

在传统的模拟测图中，包括机助测图中，地貌采集是由等高线描绘和注记高程点两个部分组成的。等高线的基本等高距，应按规范根据成图比例尺、地形类别及用图需要选定;计曲线则取基本等高距，即首曲线的5 的倍数。高程注记点，一般选在明显地物点和地形点上，依据地形类别及地物点和地形点的多少，其密度规范规定图上每10cm×10cm 为5・20 个点。在解析测图仪上，地貌测绘可以有多种选择方式，除按等高线和高程注记点外，还可采用按程序控制的矩形格网或断面方式采集地形点。

4. 原图编辑及原图清绘

地形原图编辑包括对原图中地物地貌表示不合理之处的处理，相邻图幅的接边处理，以及道路、河流、街道等名称的注记。在传统的模拟测图中，原图清绘的主要任务是在铅笔稿原图上进行清理着色，或者在聚脂薄膜上刻绘。对于数字化测图，在经过图形编辑和审校后，可直接利用高精度绘图机绘制线划地形图，还可用磁介质提供数字地形图产品。航空摄影测量是根据摄影过程的几何反转原理，置立体像对于立体测图仪内，建立起所摄地面缩小的几何模型，借以测绘地形图的方法的。航空摄影测量的主题，是将地面的中心投影变换为正射投影。这一问题可以采取许多途径来解决。如图解法、光学机械法和解析法等。在每一种方法中还可细分出许多具体方法，而每种具体方法又有其特有的理论。其中有些概念和理论是基础性的，带有某些共性，如像片的内方位元素和外方位元素，像点同地面点的坐标关系式，共线条件方程，像对的相对定向，模型的绝对定向和立体观测原理等。

参考文献

肖志婷，郝娜. 数字航空摄影测量数据处理关键技术探讨[J]. 测绘与空间地理信息，2014(07).

刘先林，段福洲，宫辉力. 航空摄影科技发展成就与未来展望[J].2007(03).