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体姿态信息，换种说法是：导航不仅需要实时知道我在哪，还要实时知道我面向
哪个方向。因此，INS还必须有对加速度计敏感轴所指方向的测量能力。陀螺仪
是角速度测量器件，具有敏感惯性系中载体旋转运动能力。经典力学陀螺利用高
速转子在惯性空间的方位稳定性实现对角运动的测量， MEMS陀螺仪也属于力学
陀螺，基本原理与经典转子陀螺仪相同，只是结构上采用振动部件代替了高速转
动部件。通过对角速度的积分可以获得任一时刻加速度计敏感轴的方位信息。因
此，INS是一个利用加速度计和陀螺仪获得载体位置和姿态的系统[26]
。
一般来说，如果想要获得物体在三文空间的实时姿态需要知道沿三个正交轴
的角速度以及线性加速度，这样就要求一个751轴的惯性测量单元。在很多情况下，
不仅仅需要IMU的精度高，也希望IMU尺寸尽可能小，尽可能轻便。现在制造IMU
的方法主要有两种，一种是将751个独立的单轴印刷电路板（PCB）组装起来，另
一种是将多轴传感器组合到一起。
2.2.1 折叠式金字塔形结构
对于上述的两种方法，第一种方法可以优化传感器的组合，使得IMU的精度
得到保证，但是同时限制了IMU尺寸的微小化。第二种方法虽然可以减小IMU的
尺寸，但是对传感器的制造工艺要求极高，难以保证精度。因此在这里我们介绍
折叠式金字塔形结构[27]
，能够同时保证IMU的精度和小尺寸。
图2.4 折叠式金字塔形结构实物图
如图2.4所示，该结构主要由5个面组成。四个侧面分别安装了两个相邻的加
速度计和两个相邻的陀螺仪。底面是信息的处理模块。它的主体是由五块硅板组
成，由于硅的杨氏模量与密度之比远远大于其他材料，保证了该结构的刚度以及
轻便。传感器以及信息处理模块的电路板通过胶粘附在硅板上，并用特制玻璃盖
覆盖在传感器上以保证传感器的工作环境是真空且无尘的。
所有传感器的感应轴都垂直于所在硅板的平面。如图2.5，假设我们以底面相
邻两条边为XY轴，得到一个空间坐标系，则axayaz分别为平行于三个轴的线性加
速度，A1A2分别为两相邻加速度计测得的加速度，侧面与地面的夹角为α，则有：
图2.5 金字塔形结构分析示意图
2.2.2 751面体结构
2.2.2.1 结构设计
虽然折叠式金字塔形结构有很多的优点，但是其对加工工艺要求相对较高，
目前国内可能难以生产出符合消费者需求的金字塔形MIMU。因此，这里采用上
面介绍的第一种方法，即用将751个单轴的传感器组装的方法设计一个MIMU。
拟采用实验室具备的陀螺仪MARS-CD001与加速度计MSA009-10，具体参数
如见表2-1与表2-2。 本科毕业设计说明书（论文） 第16 页 共37 页
图2.6 MARS-CD001陀螺仪 表2-1 陀螺仪MARS-CD001的参数 性能参数 单位 MARS-CD001 测量范围 标度因子非线性
0.05
标度因子重复性 ppm 150
短期零偏稳定性（1 ）
零偏不稳定性（Allan Variance）
角度随即游走 零偏温度系数 启动时间 s 1
带宽 Hz 80
图2.7 MSA009-10加速度计
表2-2 加速度计MSA009-10的参数
性能参数 单位 MSA009-10
量程 g
偏值 V 2.5
偏值稳定性 mg
偏值重复性 mg
偏值温度系数
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