旋转式MEMS惯性导航系统的发展及应用*

2021-06-26王思远罗世彬

传感器与微系统 2021年6期

王思远,罗世彬

(中南大学航空航天学院,湖南长沙 410086)

0 引言

惯性导航技术由于其具有自主性、全天候、抗干扰等特点,而成为众多导航技术中可实现自主导航的一种最重要的技术手段[1,2]。由于微机电系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)惯性传感器具有成本低,体积重量小,强抗冲击及功耗低等优点,在惯性导航领域中发挥着重要作用。为提高MEMS惯性导航系统精度使其满足精度需求,旋转调制技术是一种有效手段。

1 MEMS惯性导航系统发展现状

MEMS惯性导航系统主要由MEMS陀螺仪与MEMS加速度计组成。根据精度高低,陀螺仪可分为消费级、战术级、导航级、战略级,如表1所示。近些年MEMS惯性传感器快速发展,精度已超过0.001°/h[2]。

表1 陀螺仪分类

随着硅材料的出现,加工工艺的提升,MEMS惯性导航技术快速发展,体积、重量降低,精度提高,而且采用组合导航技术使MEMS惯性导航系统精度进一步提升,在智能无人系统领域内不可或缺。

MEMS惯性导航系统的精度主要受MEMS陀螺仪精度的影响,MEMS陀螺主要包含振动臂式MEMS(音叉式)陀螺、振动盘式MEMS陀螺、环形谐振MEMS陀螺。MEMS加速度计主要分为位移式MEMS加速度计、谐振式MEMS加速度计、静电悬浮MEMS加速度计[3～6]。

MEMS陀螺仪发展历程：上世纪压阻现象的发现为MEMS惯性传感器的实现提供了理论基础。1967年提出的表面牺牲层技术,为高谐振频率的悬梁技术的实现提供了支持。20世纪90年代末期,Draper实验室研制出首台振动式MEMS陀螺仪；1993年，Draper实验室研制出的音叉线振动式MEMS陀螺仪推动了MEMS陀螺仪的发展。1997年,University of California,Berkeley研制出首款表面微机械Z轴陀螺仪；1998年，清华大学研制出国内首个音叉式MEMS陀螺；2002年,ADI公司生产出首款商用陀螺仪ADXRS；2004年，HSG公司研制出首款表面微机械的X轴陀螺仪；2006年,日本兵库大学报道了一种由锆钛酸铅棱柱体构成的新型压电振动固态MEMS陀螺；2013年,法国Electronics and Information Technology实验室设计出一种横向悬挂的电容式音叉陀螺[1]。

MEMS加速度计发展历程：美国DRAPER实验室、Stanford大学以及University of California,Berkeley 20世纪60年代末开始MEMS加速度计的研制工作。20世纪70年代，由于压阻效应的出现,压阻式加速度计研制成功[7],首次实现MEMS加速度计商业化。20世纪80年代末期,随着微机械加工工艺的进步,并且与传感技术结合,电容式MEMS加速度计在汽车行业开始了应用。1989年,美国ADI公司推出一种有50gn量程加速度计ADXL50[8]。21世纪之后,随着计算机及机械工业的迅速发展,MEMS加速度计被广泛地应用在无人车、无人机、无人船及机器人等无人领域并发挥着重要作用。

2 旋转调制技术发展现状

旋转调制技术是在惯性导航系统外面加上转动机构,进行周期性旋转,以此来有效地补偿惯性传感器的确定性误差。MEMS惯性导航技术在激光惯导系统[9～12]及光纤惯导系统[13～20]上的研究较成熟,在MEMS惯性导航系统[21～26]上研究相对不完善。

在20世纪50年代,国外学者提出可以通过旋转的方式补偿惯性器件漂移误差。1963年,Rockwell公司首次将旋转调制技术用在KM2Mod3惯性导航系统中[27]。20世纪80年代,Sperry公司采取了单轴四位置正反转停方案,研制出单轴旋转式惯性导航系统。20世纪90年代，Sperry公司与Honeywell公司合作研制出MK39单轴旋转调制惯性导航系统和MK49双轴旋转调制式惯性导航系统,在MK39的基础上又发展了 AN/WSN—7B惯性导航系统、在MK49的基础之上发展了AN/WSN—7A惯性导航系统[28]。1994年,美国启动高精度光纤陀螺惯性导航计划,采用三轴连续旋转方案,该系统于2005年研制出,目前开始试验工作。俄罗斯圣彼得堡电子仪器仪表所研制成功一系列光纤陀螺单轴旋转调制系统,其中具有代表性的为用于船舶的“奥米茄”单轴旋转组合惯性导航系统[29]。

国内国防科技大学首先开始旋转调制技术在光学陀螺上的应用,2007年龙兴武教授团队采用单轴四位置正反转停方案研制出实验室精度优于1 nm/5天的惯性导航。中国船舶707所研制的光纤旋转惯性导航完成了静态及车载试验,哈尔滨工程大学进行了室内静态单轴旋转惯性导航试验。北京航空航天大学的王学运等人[30,31]根据MEMS器件的误差特性,选择了一种MEMS器件捷联惯性导航系统的旋转调制方案并研发了原理样机。北京航空航天大学的徐烨烽等人[32]研究了陀螺的标度因数误差以及标度因数漂移在旋转调制下的特性,并提供误差补偿方法及结果。中北大学的车晓蕊等人[33]用旋转调制技术和卡尔曼滤波方法分别减小陀螺的常值漂移和随机漂移。火箭军工程大学的常振军等人[34]针对复杂情况下车载捷联惯性导航初始对准抗干扰能力差,初始对准精度低的问题,提出一种基于惯性系的单轴旋转调制的初始对准方法。加拿大卡尔加里大学的学者将采用MTI-G及NAV440两种惯性传感器的MEMS惯性导航系统进行旋转调制,在GPS信号失锁时,姿态精度提高约2倍,位置精度提高了2～3倍[35]。浙江大学[36]、南京航空航天大学、哈尔滨工程大学[37～39]、国防科技大学[40]等国内高校均进行了旋转惯性导航研究,部分实物系统如图1所示。

图1 旋转式惯性导航系统样机

3 MEMS旋转调制技术原理

旋转调制能够补偿MEMS惯导系统的确定性误差,提高系统精度。坐标系定义如下：n系：导航坐标系；b系：载体坐标系；i系：惯性坐标系；e系：地球坐标系。惯性导航系统的误差传播方程如下[41]

(1)

4 MEMS惯性导航旋转调制方案分析

目前旋转调制方案主要考虑转轴数、转停位置、旋转速度以及旋转连续性等要素[42,43]。

4.1 元件级/系统级补偿方案选择

补偿方案主要分为系统级与元件级。旋转方案选取元件级的转动补偿方式则需要对每一个陀螺单独加上一个转轴,而且需要元器件与转轴方向严格垂直才能补偿掉常值漂移误差,不然会带来新的误差,故此方式容易引入新的误差。现今大多数旋转调制方案均采取系统级补偿方案。

4.2 转轴数

旋转轴数主要分为单轴、双轴及多轴,由旋转调制补偿机理可以得知,绕转轴的转动可以补偿垂直转轴方向的常值误差,但无法补偿旋转轴方向的误差,故单轴旋转式惯性导航系统误差相对补偿不完全,对精度要求较低时可采用单轴方案。双轴方案若采取合适的转停位置可以补偿3个轴向的常值误差,但是会造成电机负荷较大。因此在进行旋转轴数选择时应综合考虑误差补偿及电机损耗。

4.3 旋转速度

由误差方程可知,数学平台的误差角度可以近似为[44]

=nT·t/(2π)

(2)

式中 Δθ为误差角度,n为旋转次数,t为时间。由上式可知,导航系统误差角度积累与常值漂移误差无关,转动周期T越短,即旋转速度越快,对常值漂移引起误差补偿效果越好。然而旋转速度也不应特别快,这将会增加转台等机械结构和加速度计的负担。目前，大多数旋转式惯性导航系统均采用转停结合的方式,旋转速度多数都选择在5°～20°之间。

4.4 旋转连续性

在高精度光学惯性导航系统中,经常使用不连续转动方案。由于高精度惯性导航系统零偏误差相对于MEMS惯性导航系统很小,不连续旋转方案较合适,停止时间内不会造成较大误差,而且旋转率通常较低,电机控制更准确,但对于具有较大零偏误差的MEMS惯性导航系统,不连续旋转方案可能不适用,在停止时间内,有可能会积累较大的导航错误。故低精度MEMS惯性导航系统采取连续转动方案较为合适,高精度MEMS惯性导航系统可以选用不连续转动方案。