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航空与航天设备 |
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MEMS陀螺在飞机吊舱稳定系统中的应用 |
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作者：中星测控 |
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飞机要在空中完成对目标的探测和跟踪任务，需要一个机载的平台和搭载一个在该平台上有探测设备组成的集成系统，在硬件表现形式上称之为“吊舱”， 广泛应用于运动飞机火力控制系统、光电侦查系统中。根据内置设备的功能，机载吊舱可以分为导航吊舱、瞄准吊舱、红外测量吊舱、电子干扰吊舱及电子情报吊舱等。
机载光电吊舱近10年来在国外发展很快，特别是在侦察告警、目标指示、控制瞄准和导航跟踪等方面得到广泛地重视。目前机载吊舱除用于武装侦察直升机、无人侦察机外，还可用于目标特性测量、光电制导武器模拟等方面，在电力巡线、海上缉私、环保监测等民用方面也有广泛的应用。
为了实现在机载环境下迅速捕获、跟踪、瞄准运动的目标，这就必须建立陀螺稳定系统。吊舱陀螺稳定系统的作用就是快速而准确地跟踪目标，隔离载体的摇摆。系统框图如图1所示。
图1 吊舱陀螺稳定系统框图
吊舱陀螺稳定系统通常采用双轴陀螺稳定平台方案，结构示意如图2。其中主体仪器是两轴支撑的常平架结构，内环（俯仰环）用于安装光电载荷，外环（方位环）垂直安装在基座上。两环的转动轴正交，外环可作360°连续转动。两环上分别安装一只单自由度陀螺仪，通过锁定回路构成速率陀螺，用以测量两环轴的转动角速度。光电载荷安装在稳定平台上，通过陀螺稳定平台隔离载机的振动，获得相对惯性空间稳定的平台空间，并且在控制指令的驱动下，实现光电载荷对目标的搜索、捕获、跟踪和定位。因此机载陀螺稳定平台实现两大功能：一是空间稳定，二是能够跟踪目标。
图2 双轴陀螺稳定平台结构示意图
MEMS（mi-cro-electro-mechanical system）技术是近年来发展起来的一项新兴技术，它将微型机械技术和微电子技术相结合，产生了以微型化、集成化和电子化为主要特征的微机电系统。MEMS陀螺就是一种典型的微机电系统，与传统的机械，激光以及光纤陀螺相比，MEMS陀螺因其体积小、质量轻、功耗小、成本低、瞬间启动及抗冲击力强等特点，特别适合新型吊舱稳定平台的使用。
作为伺服稳定跟踪系统的速度环敏感器件，MEMS陀螺感受载体在惯性空间的扰动量，并输出与角速度成比例的电压信号，通过控制器输出驱动电机对框架施加一个与扰动力矩大小相等、方向相反的平衡力矩，使系统隔离载体在惯性空间的扰动。同时，速度环反馈控制能够提高系统位置环响应的频带，增加位置环响应的快速性，从而实现光电探测器或成像系统的稳定和快速跟踪。为使MEMS陀螺获得更好的应用，通过采用对陀螺进行温度补偿、噪声抑制、信号滤波等系统控制技术，可以使采用MEMS陀螺作为速度反馈器件的光电稳定跟踪平台获得更高精度。
西安中星测控有限公司自行研制生产的CS-ARS-12、CS-ARS-14高精度系列MEMS角速率陀螺仪，采用压电石英材料做成敏感元件，性能稳定、使用寿命长，精度可满足战术级武器系统使用，目前广泛应用于惯性测量装置、高可靠性的汽车电子、导弹制导和控制、飞行器稳定控制、天线稳定、摄像、数码摄影、机器人等系统。
其中，CS-ARS-12角速率陀螺仪已成功用于某型民用直升机吊舱陀螺稳定观测系统，该吊舱陀螺稳定系统指标如下：
稳定精度：50μrad
工作范围：俯仰-120°～+15°，方位360°
最大转动角速率： 60°/s
最大转动角加速度： 200°/s2
CS-ARS-12角速率陀螺仪主要技术指标如下：
输入电压 DC +10V±0.25V
输入电流 ≤16 mA
测量范围 ±100°/s
零偏 5±0.2 V
标度因数 35±3 mV/ °/s
非线性度 ≤0.05%（FS）（典型）
分辨率 ≤0.009 °/s
带宽 ＞50 Hz
启动时间 ＜2 s
零偏稳定性 ＜0.015°/s
零偏温漂1.5°/s
温度传感器输出（at 0℃）0.424 V（典型）
温度传感器刻度因子 6.25 mV/℃
使用温度-40℃～+85℃
储存温度-55℃～+100℃
耐冲击 500g（2ms）
随机振动5g（rms, 20Hz-2kHz）
重量45克
外形尺寸如下图
此外，公司为中航某研究所研制配套的CS-ARS-14角速率陀螺仪也已成功应用于某型机载光电吊舱设备中。
CS-ARS-14角速率陀螺仪采用双电源供电，角速率输出信号可选用单端或差分输出，通过增加温度补偿措施，使其具有输出灵敏度高、温度漂移小等特点，主要技术指标如下：
输入电压 DC ±12V～±15V
输入电流 ≤20 mA
测量范围 ±100°/s
偏置 ±0.15°/s
偏置温漂 ±0.15°/s（全温区最大偏差）
偏置稳定性 0.02°/s
标度因数 50 ±0.5 mV / °/s（单端输出）
100 mV / °/s（差分输出）
标度因数温漂 ≤0.5%（全温区最大偏差）
非线性度 ≤0.1%（FS）
分辨率 ≤0.01°/s
输出噪声 ＜0.02°/s/√Hz
g灵敏度＜0.05°/s/g
带宽 60 Hz
启动时间 ＜0.5 s
使用温度 -40℃～+70℃
储存温度 -55℃～+100℃
耐冲击 500g（2ms）
随机振动 5g（rms, 20Hz-2kHz）
重量 60克(end)
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(1/25/2010) |
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