MEMS陀螺在飛機吊艙穩定系統中的應用2011-03-1209:19:04來源:互聯網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，在硬件表現形式上稱之為“吊艙”，廣泛應用于運動飛機火力控制系統、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年來在國外發展很快，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、環保監測等民用方面也有廣泛的應用。為了實現在機載環境下迅速捕獲、跟蹤、瞄準運動的目標，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（俯仰環）用于安裝光電載荷，外環（方位環）垂直安裝在基座上。兩環的轉動軸正交，外環可作360°連續轉動。兩環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，用以測量兩環軸的轉動角速度。光電載荷安裝在穩定平臺上，通過陀螺穩定平臺隔離載機的振動，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下，實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-mechanicalsystem)技術是近年來發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。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定平臺的使用。作為伺服穩定跟蹤系統的速度環敏感器件，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，使系統隔離載體在慣性空間的擾動。同時，速度環反饋控制能夠提高系統位置環響應的頻帶，增加位置環響應的快速性，從而實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，通過采用對陀螺進行溫度補償、噪聲抑制、信號濾波等系統控制技術，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，精度可滿足戰術級武器系統使用，目前廣泛應用于慣性測量裝置、高可靠性的汽車電子、導彈制導和控制、飛行器穩定控制、天線穩定、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測系統，該吊艙陀螺穩定系統指標如下：穩定精度：50mrad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°/s2CS-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＜16mA測量范圍±100°/s零偏5±0.2V標度因數35±3mV/°/s非線性度＜0.05%(FS)(典型)分辨率＜0.009°/s帶寬＞50Hz啟動時間V2s零偏穩定性＜0.015°/s零偏溫漂1.5°/s溫度傳感器輸出(at0°C)0.424V(典型)溫度傳感器刻度因子6.25mV/C使用溫度-40C?+85C儲存溫度-55C?+100C耐沖擊500g(2ms)隨機振動5g(rms,20Hz-2kHz)重量45克.爵-脈ST?角速拳命，搏儀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＜20mA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±0.5mV/°/s（單端輸出）100mV/°/s（差分輸出）標度因數溫漂＜0.5%（全溫區最大偏差）非線性度＜0.1%（FS）分辨率＜0.01°/s輸出噪聲V0.02°/s/JHzg靈敏度V0.05°/s/g帶寬60Hz啟動時間V0.5s使用溫度-40°C?+70°C儲存溫度-55C?+100C耐沖擊500g(2ms)隨機振動5g