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(
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