MEMS陀螺在飛機吊艙穩(wěn)定系統(tǒng)中的應用

飛機要在空中完成對目標的探測和跟蹤任務，需要一個機載的平臺和搭載一個在該平臺上有探測設備組成的集成系統(tǒng)，在硬件表現(xiàn)形式上稱之為“吊艙”， 廣泛應用于運動飛機火力控制系統(tǒng)、光電偵查系統(tǒng)中。根據(jù)內置設備的功能，機載吊艙可以分為導航吊艙、瞄準吊艙、紅外測量吊艙、電子干擾吊艙及電子情報吊艙等。

機載光電吊艙近10年來在國外發(fā)展很快，特別是在偵察告警、目標指示、控制瞄準和導航跟蹤等方面得到廣泛地重視。目前機載吊艙除用于武裝偵察直升機、無人偵察機外，還可用于目標特性測量、光電制導武器模擬等方面，在電力巡線、海上緝私、環(huán)保監(jiān)測等民用方面也有廣泛的應用。

為了實現(xiàn)在機載環(huán)境下迅速捕獲、跟蹤、瞄準運動的目標，這就必須建立陀螺穩(wěn)定系統(tǒng)。吊艙陀螺穩(wěn)定系統(tǒng)的作用就是快速而準確地跟蹤目標，隔離載體的搖擺。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 吊艙陀螺穩(wěn)定系統(tǒng)框圖

吊艙陀螺穩(wěn)定系統(tǒng)通常采用雙軸陀螺穩(wěn)定平臺方案，結構示意如圖2。其中主體儀器是兩軸支撐的常平架結構，內環(huán)（俯仰環(huán)）用于安裝光電載荷，外環(huán)（方位環(huán)）垂直安裝在基座上。兩環(huán)的轉動軸正交，外環(huán)可作360°連續(xù)轉動。兩環(huán)上分別安裝一只單自由度陀螺儀，通過鎖定回路構成速率陀螺，用以測量兩環(huán)軸的轉動角速度。光電載荷安裝在穩(wěn)定平臺上，通過陀螺穩(wěn)定平臺隔離載機的振動，獲得相對慣性空間穩(wěn)定的平臺空間，并且在控制指令的驅動下，實現(xiàn)光電載荷對目標的搜索、捕獲、跟蹤和定位。因此機載陀螺穩(wěn)定平臺實現(xiàn)兩大功能：一是空間穩(wěn)定，二是能夠跟蹤目標。

圖2 雙軸陀螺穩(wěn)定平臺結構示意圖

MEMS（mi-cro-electro-mechanical system）技術是近年來發(fā)展起來的一項新興技術，它將微型機械技術和微電子技術相結合，產生了以微型化、集成化和電子化為主要特征的微機電系統(tǒng)。MEMS陀螺就是一種典型的微機電系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的機械，激光以及光纖陀螺相比，MEMS陀螺因其體積小、質量輕、功耗小、成本低、瞬間啟動及抗沖擊力強等特點，特別適合新型吊艙穩(wěn)定平臺的使用。

作為伺服穩(wěn)定跟蹤系統(tǒng)的速度環(huán)敏感器件，MEMS陀螺感受載體在慣性空間的擾動量，并輸出與角速度成比例的電壓信號，通過控制器輸出驅動電機對框架施加一個與擾動力矩大小相等、方向相反的平衡力矩，使系統(tǒng)隔離載體在慣性空間的擾動。同時，速度環(huán)反饋控制能夠提高系統(tǒng)位置環(huán)響應的頻帶，增加位置環(huán)響應的快速性，從而實現(xiàn)光電探測器或成像系統(tǒng)的穩(wěn)定和快速跟蹤。為使MEMS陀螺獲得更好的應用，通過采用對陀螺進行溫度補償、噪聲抑制、信號濾波等系統(tǒng)控制技術，可以使采用MEMS陀螺作為速度反饋器件的光電穩(wěn)定跟蹤平臺獲得更高精度。

西安中星測控有限公司自行研制生產的CS-ARS-12、CS-ARS-14高精度系列MEMS角速率陀螺儀，采用壓電石英材料做成敏感元件，性能穩(wěn)定、使用壽命長，精度可滿足戰(zhàn)術級武器系統(tǒng)使用，目前廣泛應用于慣性測量裝置、高可靠性的汽車電子、導彈制導和控制、飛行器穩(wěn)定控制、天線穩(wěn)定、攝像、數(shù)碼攝影、機器人等系統(tǒng)。

其中，CS-ARS-12角速率陀螺儀已成功用于某型民用直升機吊艙陀螺穩(wěn)定觀測系統(tǒng)，該吊艙陀螺穩(wěn)定系統(tǒng)指標如下：

穩(wěn)定精度：50μrad

工作范圍：俯仰-120°～+15°，方位360°

最大轉動角速率： 60°/s

最大轉動角加速度： 200°/s2

CS-ARS-12角速率陀螺儀主要技術指標如下：

輸入電壓 DC +10V±0.25V

輸入電流 ≤16 mA

測量范圍 ±100°/s

零偏 5±0.2 V

標度因數(shù) 35±3 mV/ °/s

非線性度 ≤0.05%（FS）（典型）

分辨率 ≤0.009 °/s

帶寬 ＞50 Hz

啟動時間 ＜2 s

零偏穩(wěn)定性 ＜0.015°/s

零偏溫漂1.5°/s

溫度傳感器輸出（at 0℃）0.424 V（典型）

溫度傳感器刻度因子 6.25 mV/℃

使用溫度-40℃～+85℃

儲存溫度-55℃～+100℃

耐沖擊 500g（2ms）

隨機振動5g（rms, 20Hz-2kHz）

重量45克

外形尺寸如下圖

此外，公司為中航某研究所研制配套的CS-ARS-14角速率陀螺儀也已成功應用于某型機載光電吊艙設備中。

CS-ARS-14角速率陀螺儀采用雙電源供電，角速率輸出信號可選用單端或差分輸出，通過增加溫度補償措施，使其具有輸出靈敏度高、溫度漂移小等特點，主要技術指標如下：

輸入電壓 DC ±12V～±15V

輸入電流 ≤20 mA

測量范圍 ±100°/s

偏置 ±0.15°/s

偏置溫漂 ±0.15°/s（全溫區(qū)最大偏差）

偏置穩(wěn)定性 0.02°/s

標度因數(shù) 50 ±0.5 mV / °/s（單端輸出）

100 mV / °/s（差分輸出）

標度因數(shù)溫漂 ≤0.5%（全溫區(qū)最大偏差）

非線性度 ≤0.1%（FS）

分辨率 ≤0.01°/s

輸出噪聲 ＜0.02°/s/√Hz

g靈敏度＜0.05°/s/g

帶寬 60 Hz

啟動時間 ＜0.5 s

使用溫度 -40℃～+70℃

儲存溫度 -55℃～+100℃

耐沖擊 500g（2ms）

隨機振動 5g（rms, 20Hz-2kHz）

重量 60克(