在20世纪40年代,德国人裴纳蒙德创造性地研制出了积分线加速度计,并且成功地将其应用在了世界上第一枚V-2飞弹上,极大提高了飞弹的命中率。因此开辟了惯性导航、惯性制导以及惯性加速度计的发展历史,并且成为了惯性技术发展史上一个重大的里程碑。在此后的约半个世纪里,因为航天以及航空等众多行业急迫地需要惯性量测器件,各式新型的加速度计也因此诞生,它们的性能以及精度也有了一个极大的完善和提高。例如,气浮陀螺式加速度计在50年代被研发出来;挠性摆、液浮摆式伺服加速度计在60年代中期进行研发,紧跟着振梁式和静电加速度计也开始有了发展;在70年代,加速度计以新材料、新构造以及新技术进行研发,其种类日新月异;由于MEMS技术在80年代的巨大飞跃,为加速度计的研发注入了大量的新颖灵感,同时也促使了MEMS加速度计的产生,对于惯性技术的发展来说又是一个重大的里程碑【2】。
在弹箭制导过程中,各种数据的测量是必不可少的,而对于弹箭的平移运动加速度的测量,加速度计扮演着不可或缺的角色。自从问世以后,作为一种关键的测量仪器,加速度计总是在制导以及导航系统里得到大量运用。各种类型的加速度计虽然特点各不相同,但价格较昂贵,大多用于军事和航空领域上,而其他的领域对它甚少问津,直至MEMS加速度计的问世这种情况才发生改变。MEMS加速度计,以微机械加工工艺和集成电路工艺为制作基础,其质量小、能抗高的过载、制作费不高、容易集成而且能够大量生产。因为其众多优势,不但用作MIMU的主要元件,在其他的众多领域也得到大量运用。研发高精度的MEMS加速度计也被当作各方的关注重点【3】。
加速度计同时作为一种校准器件,其对于制导系统动态性能的校准有着不可缺少的作用。然而在实际的工程应用中,加速度计存在着安装误差、非正交误差、非线性误差和零点漂移等各种各样的影响因素,这些影响因素大大地降低了实际加速度计设备的性能。为了对飞行器等进行精确的导航,必须尽量降低加速度计的量测误差同时提高其精度等。以便尽可能减小包含MEMS加速度计的零点漂移误差、非正交误差以及安装误差等在内的量测误差,就必须对上述的各种误差进行校正和补偿,也即对加速度计进行校准,以提高导航、制导的精度。
本文比较分析MEMS加速度计众多校正方式的优势与不足,而后选择一种相对较好的校正方法,校正此类加速度计的误差。旨在对加速度计的初始校准有一个更深刻的理解,并且对加速度计校准方法的发展进行了展望。
1.2  加速度计飞行测试的国内外研究现状
自加速度计面世之后,其种类便日新月异。但随着MEMS技术的迅猛发展,一种新型的加速度计——MEMS加速度计也应运而生。MEMS加速度计因其众多优点而受到很大的重视并得到广泛的运用,尤其体现在军事、制导领域。因此,本文展示的校准方案是相对于三轴加速度计而言。
1.2.1  三轴MEMS加速度计的国内外研究现状
1959年,著名的物理学家R. Feynman在其演讲中提出了微机械的假想,对于MEMS技术的研究也便由此展开。在1977年,R. Feynman的设想得以实现,世界第一只MEMS加速度计诞生于美国斯坦福大学[4]。自此,MEMS加速度计在制导、导航方面的运用也成了重点的研究方向,其种类日新月异,性能有了很大的提高。
国外对MEMS加速度的研究起步比较早,但在早前的大部分时候都是研究单轴的加速度计。随着市场的需求等,对三轴MEMS加速度计的研究正在稳步的推进。以下是西方发达国家的一些公司研发的三轴MEMS加速度计产品。
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