MEMS陀螺在飛機吊艙穩定系統中的應用

飛機要在空中完成對目標的探測和跟蹤任務(wù)，需要一個(gè)機載的平臺和搭載一個(gè)在該平臺上有探測設備組成的集成系統，在硬件表現形式上稱(chēng)之為“吊艙”， 廣泛應用于運動(dòng)飛機火力控制系統、光電偵查系統中。根據內置設備的功能，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(lái)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(wú)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(xiàn)、海上緝私、環(huán)保監測等民用方面也有廣泛的應用。

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

圖1 吊艙陀螺穩定系統框圖

吊艙陀螺穩定系統通常采用雙軸陀螺穩定平臺方案，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(dòng)軸正交，外環(huán)可作360°連續轉動(dòng)。兩環(huán)上分別安裝一只單自由度陀螺儀，通過(guò)鎖定回路構成速率陀螺，用以測量?jì)森h(huán)軸的轉動(dòng)角速度。光電載荷安裝在穩定平臺上，通過(guò)陀螺穩定平臺隔離載機的振動(dòng)，獲得相對慣性空間穩定的平臺空間，并且在控制指令的驅動(dòng)下，實(shí)現光電載荷對目標的搜索、捕獲、跟蹤和定位。因此機載陀螺穩定平臺實(shí)現兩大功能：一是空間穩定，二是能夠跟蹤目標。

圖2 雙軸陀螺穩定平臺結構示意圖

MEMS（mi-cro-electro-mechanical system）技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一項新興技術(shù)，它將微型機械技術(shù)和微電子技術(shù)相結合，產(chǎn)生了以微型化、集成化和電子化為主要特征的微機電系統。MEMS陀螺就是一種典型的微機電系統，與傳統的機械，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)及抗沖擊力強等特點(diǎn)，特別適合新型吊艙穩定平臺的使用。

作為伺服穩定跟蹤系統的速度環(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，通過(guò)控制器輸出驅動(dòng)電機對框架施加一個(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位置環(huán)響應的頻帶，增加位置環(huán)響應的快速性，從而實(shí)現光電探測器或成像系統的穩定和快速跟蹤。為使MEMS陀螺獲得更好的應用，通過(guò)采用對陀螺進(jìn)行溫度補償、噪聲抑制、信號濾波等系統控制技術(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(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，性能穩定、使用壽命長(cháng)，精度可滿(mǎn)足戰術(shù)級武器系統使用，目前廣泛應用于慣性測量裝置、高可靠性的汽車(chē)電子、導彈制導和控制、飛行器穩定控制、天線(xiàn)穩定、攝像、數碼攝影、機器人等系統。

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定觀(guān)測系統，該吊艙陀螺穩定系統指標如下：

穩定精度：50μrad

工作范圍：俯仰-120°～+15°，方位360°

最大轉動(dòng)角速率： 60°/s

最大轉動(dòng)角加速度： 200°/s2

CS-ARS-12角速率陀螺儀主要技術(shù)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 35±3 mV/ °/s

非線(xiàn)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(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(guò)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(diǎn)，主要技術(shù)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（全溫區最大偏差）

偏置穩定性 0.02°/s

標度因數 50 ±0.5 mV / °/s（單端輸出）

100 mV / °/s（差分輸出）

標度因數溫漂 ≤0.5%（全溫區最大偏差）

非線(xiàn)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℃

儲存溫度 -55℃～+100℃

耐沖擊 500g（2ms）

隨機振動(dòng) 5g（rms, 20Hz-2kHz）

重量 60克(