中國(guó)電子元件行業(yè)協(xié)會(huì)
China Electronic Components Association
傳統(tǒng)的陀螺羅盤(pán)雖然能夠提供自主的定向引導(dǎo)和路徑校正，但由于其尺寸較大，在廣泛的應(yīng)用中面臨局限性，使其難以適配緊湊型設(shè)備。微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）陀螺羅盤(pán)為微型化提供了一種有前景的替代方案。然而，目前的MEMS陀螺羅盤(pán)需要集成電機(jī)旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度尋北，而以往研究中的傳統(tǒng)電機(jī)體積較大且存在剩磁效應(yīng)，從而削弱了它們的尺寸優(yōu)勢(shì)。
近日，南京理工大學(xué)、中國(guó)工程物理研究院等機(jī)構(gòu)的研究人員組成的團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了一種基于MEMS行波微電機(jī)的微型MEMS陀螺羅盤(pán)，首次集成了芯片級(jí)旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器，并結(jié)合精確的多位置制動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了高精度且快速的尋北。所提出的MEMS陀螺羅盤(pán)取得了重大進(jìn)展，其體積縮小至50 mm × 42.5 mm × 24.5 mm，在2秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)了0.199°的定位精度，其體積僅為現(xiàn)有最小同類(lèi)陀螺羅盤(pán)的一半，且性能是其兩倍。這些改進(jìn)表明，本文所提出的MEMS陀螺羅盤(pán)適用于室內(nèi)工業(yè)機(jī)器人、自動(dòng)駕駛和其它需要精確定向引導(dǎo)的相關(guān)領(lǐng)域。上述研究成果以“A MEMS traveling-wave micromotor-based miniature gyrocompass”為題發(fā)表于Microsystems & Nanoengineering期刊。
MEMS陀螺羅盤(pán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
基于MEMS行波微電機(jī)（MTWMM）的陀螺羅盤(pán)的整體結(jié)構(gòu)如圖1a所示。該陀螺羅盤(pán)由MEMS行波微電機(jī)、旋轉(zhuǎn)調(diào)制平臺(tái)、MEMS電容式角位置傳感器、分段式電機(jī)芯片安裝基座、電磁制動(dòng)部件、無(wú)線供電單元和集成控制電路構(gòu)成，所有這些部件均封裝在外殼和蓋板內(nèi)。通過(guò)為集成控制電路供電并利用上位機(jī)軟件輸入控制指令，即可完成方位角檢測(cè)。如圖1b所示，為確保陀螺敏感軸平行于地面，MEMS單軸陀螺儀垂直安裝在圓形基礎(chǔ)電路上，形成慣性測(cè)量單元（IMU）。該裝置位于大型齒輪平臺(tái)上，并通過(guò)帶有角位置傳感器轉(zhuǎn)子的傳感器安裝座固定在平臺(tái)上，共同構(gòu)成旋轉(zhuǎn)調(diào)制平臺(tái)（RMP）。
圖1 MEMS陀螺羅盤(pán)的結(jié)構(gòu)模型和MEMS行波微電機(jī)
MEMS行波微電機(jī)采用MEMS技術(shù)進(jìn)行加工，得到的MEMS芯片晶圓如圖1c所示。晶圓切割后，可以提取任意單個(gè)MEMS芯片進(jìn)行封裝和測(cè)試，如圖1d所示。如圖1e所示，MEMS行波微電機(jī)被封裝在基座上，并通過(guò)金線連接到外部電路，以實(shí)現(xiàn)圖1f所示的四個(gè)正弦驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入。所有金屬機(jī)械部件的制造精度均為5 μm。每個(gè)組件的定位確保了同心度和平行度。旋轉(zhuǎn)調(diào)制平臺(tái)通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸和軸承的組裝，以倒置的方式創(chuàng)新性地安裝在陀螺羅盤(pán)基座上，進(jìn)一步增加了集成度并降低了陀螺羅盤(pán)的高度。
MEMS行波微電機(jī)的驅(qū)動(dòng)原理
如圖1f所示，通過(guò)控制每組四個(gè)電極之間的驅(qū)動(dòng)電勢(shì)以保持90°的相位差，兩個(gè)正交的駐波依次在電機(jī)微定子上形成，這些駐波的疊加產(chǎn)生一個(gè)行波。
由于行波運(yùn)動(dòng)，在任何給定時(shí)刻總會(huì)存在n對(duì)波峰和波谷。這些波峰沿微定子圓周旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致與波傳播方向相反的橢圓運(yùn)動(dòng)，如圖1g所示。行波的表面粒子和摩擦層之間存在速度差，這通過(guò)滑動(dòng)摩擦產(chǎn)生圍繞軸線的對(duì)稱(chēng)驅(qū)動(dòng)力，從而驅(qū)動(dòng)摩擦層的旋轉(zhuǎn)。如圖1b所示，摩擦層與小齒輪轉(zhuǎn)子組裝在一起。因此，通過(guò)施加四個(gè)相位差為90°的正弦驅(qū)動(dòng)信號(hào)，可以驅(qū)動(dòng)小齒輪轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。
MEMS陀螺羅盤(pán)的尋北原理
地球模型與導(dǎo)航參考坐標(biāo)系如圖2a所示，四位置Maytagging尋北原理與機(jī)體參考坐標(biāo)系如圖2b所示。四位置Maytagging方法通過(guò)區(qū)分對(duì)稱(chēng)位置陀螺儀的輸出來(lái)補(bǔ)償MEMS陀螺儀的偏置不穩(wěn)定性（BI），緯度和比例因子對(duì)尋北精度的影響可以在很大程度上忽略不計(jì)。這種方法適用于地理位置未知或難以獲得的環(huán)境，因?yàn)樗峁┝艘环N簡(jiǎn)單、高效和準(zhǔn)確的確定真北的方法。
圖2 MEMS陀螺羅盤(pán)的尋北原理
MEMS陀螺羅盤(pán)的硬件和系統(tǒng)
本文所提出的MEMS陀螺羅盤(pán)硬件和系統(tǒng)主要包括以下三個(gè)部分：集成控制電路、角位置控制模塊和旋轉(zhuǎn)調(diào)制平臺(tái)，如圖3a所示。圖3b顯示的是使用顯微激光測(cè)振儀觀察到的微定子上激發(fā)的行波（黃色虛線圓圈表示觀察到的行波的一個(gè)波峰）。
圖3 MEMS陀螺羅盤(pán)硬件和行波
MEMS陀螺羅盤(pán)中MEMS陀螺儀的性能表征
如圖4a所示，整個(gè)陀螺羅盤(pán)可分為四個(gè)部分：蓋板、旋轉(zhuǎn)調(diào)制平臺(tái)、驅(qū)動(dòng)控制平臺(tái)和外殼。按照?qǐng)D1a所示的定位組裝后，得到尺寸為50 mm × 42.5 mm × 24.5 mm的完整MEMS陀螺羅盤(pán)，如圖4b所示。
為了評(píng)估MEMS陀螺儀的性能，研究人員在整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)對(duì)陀螺儀進(jìn)行了測(cè)試。角速度數(shù)據(jù)從藍(lán)牙模塊傳輸?shù)郊煽刂齐娐?，然后發(fā)送到上位機(jī)軟件。連續(xù)采樣200分鐘后的MEMS陀螺儀的Allan偏差如圖4c所示。在整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)，MEMS陀螺儀的偏置不穩(wěn)定性為0.0179°/h，角隨機(jī)游走（ARW）為0.0041°/√h。在使用單個(gè)陀螺儀進(jìn)行多位置尋北時(shí)，陀螺儀的隨機(jī)漂移無(wú)法得到補(bǔ)償。
圖4 基于MEMS行波微電機(jī)的陀螺羅盤(pán)原型和MEMS陀螺儀的性能表征
MEMS陀螺羅盤(pán)的性能測(cè)試
如圖5a所示，尋北測(cè)試裝置利用三軸高精度轉(zhuǎn)臺(tái)作為陀螺羅盤(pán)的方位參考?；贛EMS行波微電機(jī)的驅(qū)動(dòng)幅值和頻率利用上位機(jī)軟件設(shè)置，單個(gè)尋北工作的總持續(xù)時(shí)間配置為2分鐘（對(duì)應(yīng)于旋轉(zhuǎn)調(diào)制平臺(tái)上每個(gè)位置約30秒的采樣時(shí)間）。如圖5b所示，在旋轉(zhuǎn)調(diào)制平臺(tái)的四個(gè)位置，MEMS陀螺儀的角速度數(shù)據(jù)被依次收集和存儲(chǔ)，在30秒的采樣周期內(nèi)收集了大約340個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)上位機(jī)軟件處理和平均后，可根據(jù)四位置Maytagging方法計(jì)算0°位置和真北之間的順時(shí)針角度（即方位角）。尋北測(cè)試結(jié)果如圖5c-5e所示。
圖5 MEMS陀螺羅盤(pán)的尋北測(cè)試結(jié)果
小結(jié)
綜上所述，這項(xiàng)研究首次提出了一種基于MEMS行波微電機(jī)的微型MEMS陀螺羅盤(pán)。利用MEMS行波微電機(jī)作為無(wú)電磁干擾旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器，研究人員開(kāi)發(fā)了一套采用四位置Maytagging方法的完整尋北系統(tǒng)。該系統(tǒng)只需外部電源和上位機(jī)控制即可進(jìn)行方位角檢測(cè)，原型尺寸縮小至50 mm × 42.5 mm × 24.5 mm。結(jié)合MEMS行波微電機(jī)的摩擦驅(qū)動(dòng)特性和MEMS電容式角位置傳感器提供的絕對(duì)零位，研究人員建立了一套位置控制精度為0.024°的多位置制動(dòng)控制系統(tǒng)。在整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)，MEMS陀螺儀的偏置不穩(wěn)定性（BI）為0.0179°/h。尋北性能的測(cè)試結(jié)果表明，在2分鐘的尋北時(shí)間內(nèi)，所提出的陀螺羅盤(pán)在9個(gè)位置的內(nèi)符合精度（ICA）為0.199°，在固定位置的標(biāo)準(zhǔn)差（SD）為0.174°。該研究驗(yàn)證了MEMS行波微電機(jī)的實(shí)用性，并表明其是高精度、微型化MEMS陀螺羅盤(pán)的理想執(zhí)行器，為旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)的微型化提供了一種有前景的解決方案。未來(lái)，研究人員將進(jìn)一步探索MEMS陀螺羅盤(pán)在室內(nèi)自主導(dǎo)航和自動(dòng)駕駛等領(lǐng)域的集成。
