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Part 1 本文探讨了用于阿波罗登月任务的经典，高度精炼，成熟的基于陀螺仪的IMU；这一部分着眼于已经完全取代它的非常不同的技术。

基于陀螺仪的IMU：过时了吗？

惯性导航依赖于一个稳定的平台，该平台的位置固定在空间中，即使加速和旋转也可以保持该方向。惯性平台的关键是陀螺仪，该陀螺仪可有效抵抗任何曲折，并与三重加速度计结合在一起构成整个仪器。

基于陀螺仪的惯性系统具有惊人的精度。由于在设计，生产和缺陷分析方面进行了多年的改进，已发现并克服了其许多细微的机械，热和电子缺陷以及错误源；增加的纠错校准软件进一步改善了它们的性能。基于陀螺仪的IMU可以在几千公里（或几英里）的距离内将飞机或导弹引导到几百米（远不到一英里）内的目标。

一个三轴，基于万向陀螺的陀螺仪惯导系统是在整个任务期间指导阿波罗指挥模块的单位。与所有三轴万向节陀螺仪一样，该装置存在一个主要的不可避免的弱点，称为“万向节锁定”。当陀螺仪的三个万向节对齐时，会发生这种情况，因此组件上没有外部旋转力，因此会“卡住”。 （粗略的类比是当自行车的踏板正好位于其旋转周期的顶部/底部时：直接向下推动不会移动踏板，因此您必须将其向前推动；相反，当踏板甚至处于从绝对的顶部/底部偏移一点点，向下推动将使它们开始。）对于Apollo，添加了独特的增强功能以​​最小化（但不能完全消除）万向节锁定的可能性。

基于旋转质量陀螺仪的IMO

尽管基于陀螺仪的IMU进行了改进并具有很高的精度，但是机械复杂性，尺寸（大约与篮球相同），重量（大约100磅）维护问题以及功率需求（100-200 W）仍然是诱因-Apollo IMU设计人员正在寻找替代方案，以满足商业，非军事/航空航天市场的需求。尤其着重于消除许多运动部件的方法：陀螺仪转子，电滑环，传感器，扭矩电动机，轴承，传感器，最重要的是三轴万向节组件。

在1960年和1970年代，一种根本不同的方法变得可行，首先是干涉式环形激光陀螺仪（RLG），然后是其堂兄，光纤陀螺仪（FOG）。 （图1） 。从广义上讲，RLG和FOG使用相同的相对论原理来确定加速度。在FOG设计中，激光束被光学分割，然后按顺时针和逆时针方向发送到长的盘绕光纤中。由于相对性原理和萨格纳克效应，围绕线圈轴的任何旋转运动在重新组合时会转换为两束光束之间的相移。通过使用三个正交光纤环路，可以解决任何方向的加速度。

RLG / FOG’与基于陀螺仪的IMU相比，它的优势非常明显：它没有活动部件，并且安装方式也不同。 RLG / FOG无需使用多轴万向架即可在车辆移动时在空间中保持稳定的方向，“strapped-down”安装到车辆中，大大简化了机械安装和初始校准。这种捷联式设计的结果是，它不会报告车辆相对于稳定的固定方向惯性平台的加速度或方向变化，而是告诉导航系统它的变化“personally”感应。然后，通过大量的数值计算将这些信息转换为有用的导航信息。

与基于陀螺仪的系统相比，捷联式RLG / FOG提供了机械简便性和较低的成本，同时具有更小的尺寸和更低的功耗需求，但在计算需求方面进行了权衡-由于处理器的进步，技术成本现在不再是负担最近几年1980年代中期，第一批RLG安装在商用飞机上。十年来，它们是所有商用飞机的标准配置；他们很快就被低成本，更坚固，更便宜的FOG所取代。

但是现在，即使是FOG，也要与基于MEMS的IMU组件和完整系统竞争激烈。这些集成单元的价格从基本功能（如中档加速度计或低性能IMU（如用于基本民用无人机和自动驾驶汽车中使用）的几美元到高端版本的几百美元）不等。 。尽管即使是基于高性能MEMS的IMU也不如高端陀螺仪或FOG单元那么精确和稳定，但其规格通常对于许多应用来说已经绰绰有余，并且正在以更快的速度变得越来越好。

因此，基于MEMS的IMU的超小尺寸，高可靠性，低成本和低功耗需求使其成为所有大众市场应用和许多商业应用的选择。现在，基于陀螺仪的IMU仅用于极端应用，例如潜艇，制导导弹或深空系统。由于MEMS方法可同时跨多个系统参数发挥显着优势，因此，经过精心调整和校准的基于MEMS的设计甚至被整合到那些要求最终性能的应用中。

现实情况是，旋转转子IMU的时代即将结束。 GPS结合用于地面导航（在有利的情况下可以精确到优于米），再加上基于MEMS的IMU，包括相当精确的加速度计和振动质量陀螺仪，以及低成本，小尺寸，低功耗，而且通过数字接口的易用性从根本上改变了GNC的决策。

例如， ADI公司ADIS16467 （图2） （直接从其数据表中引用）“一种精密的MEMS IMU，其中包括三轴陀螺仪和三轴加速度计。 ADIS16467 中的每个惯性传感器都与信号调理相结合，以优化动态性能。工厂校准针对每个传感器的灵敏度，偏置，对准，线性加速度（陀螺仪偏置）和敲击点（加速度计位置）进行了表征。因此，每个传感器都有动态补偿公式，可以在广泛的条件下提供准确的传感器测量结果。串行外设接口（SPI）和寄存器结构为数据收集和配置控制提供了一个简单的接口。 ADIS16467 采用铝模块封装，约为22.4 mm×24.3 mm×9 mm，具有14引脚连接器接口。”

诸如此类的IMU模块对于许多应用来说都足够准确，甚至有些模块包括可与IMU协同工作的集成GPS接收器子系统。鉴于这种现实，基于陀螺或光学的IMU（例如用于Apollo计划和其他关键任务的）显然已达到“过时”的分类标准，仅适用于少数高度专业化的应用。但是，它对Apollo计划和其他关键应用程序的效果很好，并且代表了其早期发明者会惊叹并赞赏的某种精炼和复杂程度。

EE世界参考

陀螺仪，第1部分：上下文和机械设计
陀螺仪，第2部分：光学和MEMS实现
GPS，第1部分：基本原理
GPS，第2部分：实施
泰雷兹宣布InterSense NavChip系列3精密6轴IMU
高性能MEMS惯性模块面向苛刻的AR，VR和跟踪应用
开源的9自由度惯性测量单元，带有用于12和24 V车辆系统的CAN，RS232接口
用于高级惯性测量的GUI简化了运动感应
MEMS惯性加速度计现在提供±10 g和±50 g范围
惯性测量单元（IMU）在高振动无人机和机器人应用中提供高精度
IMU单元具有9k字节FIFO和MIPI I3C串行接口

外部参考

1. 威廉·怀亚特·达文波特，“陀螺！：劳伦斯·斯佩里的生平与时代,” Charles Scribner’s Sons, 1978.
2. 唐纳德·麦肯齐，“发明准确性：核导弹制导的历史社会学,” MIT Press, 1990.
3. 安东尼·劳伦斯“现代惯性技术：导航，制导和控制,”施普林格出版社，1998年。
4. 奥利弗·伍德曼（Oliver J.“惯性导航简介,”剑桥大学计算机实验室。
5. 肯尼斯·加德（Kenneth Gade）“惯性导航概论,”Forsvarets Forskning研究所。
6. 巴伯，埃尔韦尔，塞特隆德，“惯性仪器：现在到哪里？,”德雷珀实验室/ AIAA指导，导航和控制会议，1992年8月。
7. “航天器的指导,” NASA.
8. ” 劳伦斯·斯佩里（Lawrence Sperry）：自动驾驶发明家和航空创新者“
9. Neubrex Co.，Ltd.，“光纤陀螺仪的发展”
10. ADI公司 ADIS16467 数据表
11. 查尔斯·史塔克·德雷珀实验室公司（David Charles Hoag），P-357，“阿波罗机载制导，导航和控制的历史 （1976）。
12. 理查德·H·巴丁（Richard H. Battin），“天体动力学的数学和方法概论”，美国航空航天学院。