MEMS陀螺在飛機(jī)吊艙穩(wěn)定系統(tǒng)中的應(yīng)用

飛機(jī)要在空中完成對(duì)目標(biāo)的探測(cè)和跟蹤任務(wù)，需要一個(gè)機(jī)載的平臺(tái)和搭載一個(gè)在該平臺(tái)上有探測(cè)設(shè)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(yīng)用于運(yùn)動(dòng)飛機(jī)火力控制系統(tǒng)、光電偵查系統(tǒng)中。根據(jù)內(nèi)置設(shè)備的功能，機(jī)載吊艙可以分為導(dǎo)航吊艙、瞄準(zhǔn)吊艙、紅外測(cè)量吊艙、電子干擾吊艙及電子情報(bào)吊艙等。

機(jī)載光電吊艙近10年來(lái)在國(guó)外發(fā)展很快，特別是在偵察告警、目標(biāo)指示、控制瞄準(zhǔn)和導(dǎo)航跟蹤等方面得到廣泛地重視。目前機(jī)載吊艙除用于武裝偵察直升機(jī)、無(wú)人偵察機(jī)外，還可用于目標(biāo)特性測(cè)量、光電制導(dǎo)武器模擬等方面，在電力巡線、海上緝私、環(huán)保監(jiān)測(cè)等民用方面也有廣泛的應(yīng)用。

為了實(shí)現(xiàn)在機(jī)載環(huán)境下迅速捕獲、跟蹤、瞄準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)，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(zhǔn)確地跟蹤目標(biāo)，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(tái)方案，結(jié)構(gòu)示意如圖2。其中主體儀器是兩軸支撐的常平架結(jié)構(gòu)，內(nèi)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(zhuǎn)動(dòng)軸正交，外環(huán)可作360°連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。兩環(huán)上分別安裝一只單自由度陀螺儀，通過(guò)鎖定回路構(gòu)成速率陀螺，用以測(cè)量?jī)森h(huán)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度。光電載荷安裝在穩(wěn)定平臺(tái)上，通過(guò)陀螺穩(wěn)定平臺(tái)隔離載機(jī)的振動(dòng)，獲得相對(duì)慣性空間穩(wěn)定的平臺(tái)空間，并且在控制指令的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)光電載荷對(duì)目標(biāo)的搜索、捕獲、跟蹤和定位。因此機(jī)載陀螺穩(wěn)定平臺(tái)實(shí)現(xiàn)兩大功能：一是空間穩(wěn)定，二是能夠跟蹤目標(biāo)。

圖2 雙軸陀螺穩(wěn)定平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

MEMS（mi-cro-electro-mechanical system）技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新興技術(shù)，它將微型機(jī)械技術(shù)和微電子技術(shù)相結(jié)合，產(chǎn)生了以微型化、集成化和電子化為主要特征的微機(jī)電系統(tǒng)。MEMS陀螺就是一種典型的微機(jī)電系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的機(jī)械，激光以及光纖陀螺相比，MEMS陀螺因其體積小、質(zhì)量輕、功耗小、成本低、瞬間啟動(dòng)及抗沖擊力強(qiáng)等特點(diǎn)，特別適合新型吊艙穩(wěn)定平臺(tái)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(dòng)量，并輸出與角速度成比例的電壓信號(hào)，通過(guò)控制器輸出驅(qū)動(dòng)電機(jī)對(duì)框架施加一個(gè)與擾動(dòng)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(dòng)。同時(shí)，速度環(huán)反饋控制能夠提高系統(tǒng)位置環(huán)響應(yīng)的頻帶，增加位置環(huán)響應(yīng)的快速性，從而實(shí)現(xiàn)光電探測(cè)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(yīng)用，通過(guò)采用對(duì)陀螺進(jìn)行溫度補(bǔ)償、噪聲抑制、信號(hào)濾波等系統(tǒng)控制技術(shù)，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(tái)獲得更高精度。

西安中星測(cè)控有限公司自行研制生產(chǎn)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(zhǎng)，精度可滿足戰(zhàn)術(shù)級(jí)武器系統(tǒng)使用，目前廣泛應(yīng)用于慣性測(cè)量裝置、高可靠性的汽車電子、導(dǎo)彈制導(dǎo)和控制、飛行器穩(wěn)定控制、天線穩(wěn)定、攝像、數(shù)碼攝影、機(jī)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(jī)吊艙陀螺穩(wěn)定觀測(cè)系統(tǒng)，該吊艙陀螺穩(wěn)定系統(tǒng)指標(biāo)如下：

穩(wěn)定精度：50μrad

工作范圍：俯仰-120°～+15°，方位360°

最大轉(zhuǎn)動(dòng)角速率： 60°/s

最大轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度： 200°/s2

CS-ARS-12角速率陀螺儀主要技術(shù)指標(biāo)如下：

輸入電壓 DC +10V±0.25V

輸入電流 ≤16 mA

測(cè)量范圍 ±100°/s

零偏 5±0.2 V

標(biāo)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(dòng)時(shí)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(chǔ)存溫度-55℃～+100℃

耐沖擊 500g（2ms）

隨機(jī)振動(dòng)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(yīng)用于某型機(jī)載光電吊艙設(shè)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(hào)可選用單端或差分輸出，通過(guò)增加溫度補(bǔ)償措施，使其具有輸出靈敏度高、溫度漂移小等特點(diǎn)，主要技術(shù)指標(biāo)如下：

輸入電壓 DC ±12V～±15V

輸入電流 ≤20 mA

測(cè)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(biāo)度因數(shù) 50 ±0.5 mV / °/s（單端輸出）

100 mV / °/s（差分輸出）

標(biāo)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(dòng)時(shí)間 ＜0.5 s

使用溫度 -40℃～+70℃

儲(chǔ)存溫度 -55℃～+100℃

耐沖擊 500g（2ms）

隨機(jī)振動(dòng) 5g（rms, 20Hz-2kHz）

重量 60克(