微陀螺介绍

介 质 类
可根 分据 为工 作 方 式 的 不 同 ，
振动式微机电陀螺
• 当前微机电陀螺的主流 • 硅微陀螺仪
• 优点：结构简单、制作容易 • 缺点：温度特性较差、 结构与电路无法一体化制作、 各种噪声及振动的非线性、 加工工艺局限
按驱动方式 电容驱动 电磁驱动 电压驱动 按检测方式 电容检测 电流检测 频率检测 电阻检测 压电检测
微机电陀螺仪的结构
• 一般的 MEMS陀螺仪由梳子结构的驱动部分和电 容板形状的传感部分组成。有的设计还带有去驱 动和传感耦合的结构。
梳子结构的驱动部分
电容板形状的传感部分
带有去驱动和传感耦合的结构
微机电振动式陀螺动力学
• 陀螺的完整系动力学方程可由广义坐标系 下的基本形式拉格朗日方程描述 d T T qi i x dt x
APKWS制导火箭弹
微机电陀螺在军事上的运用
（2）代替现有中近程战术导弹中的陀螺仪， 降低导弹成本， 提高精确打击武器的装备 量与战斗力。
微机电陀螺在军事上的运用
例如：AIS 公司研制的SiRRS 系列微机电陀螺及惯性测量 组合 SiIMU 在英国“海狼” 舰载防空导弹和 NLAW 反坦克 导弹等武器装备上得到应用
微机电陀螺仪介绍
学 生：陆煜桦 学 号：201521080111 指 导 老 师 ：黎业飞
本文贡献
• 分析微机电陀螺仪的工作原理、科里奥利力原理、 介绍微机电陀螺仪结构以及动力学、介绍了微机 电陀螺仪现代应用（重点军事上运用）及研究发 展趋势。国外微陀螺技术发展迅猛，目前达到的 性能指标已经远远超过最初对微陀螺性能的预计 值。但随着研究的深入和应用需求的扩展，对微 机电陀螺提出了低成本、高精度和高过载、高动 态等要求。需要在结构、工艺、组装及温控和信 号处理等方面不断创新和改进。
（1）常规武器的制导化改造。
例 如 ： 美 国 Honeywell 公司的 HG1700 微机电 陀螺在JDAM 制导航空 炸弹和陆射制导火箭弹 中得到了应用
JDAM 制导航空炸弹和陆射制导火箭弹
微机电陀螺在军事上的运用
BAE 公 司 的 微 机 电 惯 性 测量组合在 APKWS 制导火 箭弹中得到了应用
微机电机械系统（MEMS）
• 是近年来发展起来的一种新型多学科交叉 的技术。
• 涉及机械、电子、化学、物理、光学、生 物、材料等多学科。 • 可将机械构件、光学系统、驱动部件、电 控系统集成为一个整体单元的微型系统。
微机械陀螺仪（MEMS gyroscope）
• 工作原理：利用科里奥利力——旋转物体在 有径向运动时所受到的切向力
GG5200应用于Stryker 装 甲车的炮塔稳定平台
GG5300 应用于美国M1 主战 坦克的炮控稳定系统中
微机电陀螺在军事上的运用
（三）微机电陀螺是载具姿态测量的重要器件
目前国外的微机电陀螺已经广泛应用在航空载具上了， 例如美国BEI 公司的QRS116 高性能微机电陀螺已经成 功用于F-22 战斗机上，用于姿态测量。AIS 公司研制 的SiRRS 系列微机电陀螺已经应用于“阿帕奇”武装 直升机和A400M 运输机上
微机电陀螺仪的结构
公开的 MEMS 陀螺仪均采用振动物体传感角速度的概念。利 用振动来诱导和探测科里奥利力而设计的 MEMS 陀螺仪没有 旋转部件、不需要轴承，已被证明可以用微机械加工技术大 批量生产。绝大多数 MEMS 陀螺仪依赖于由相互正交的振动 和转动引起的交变科里奥利力。振动物体被柔软的弹性结构 悬挂在基底之上。整体动力学系统是二维弹性阻尼系统，在 这个系统中振动和转动诱导的科里奥利力把正比于角速度的 能量转移到传感模式。
振动式微机电陀螺
• 改进方向：
（1）改进结构和工艺 （2）温度稳定性控制 （3）虚拟陀螺仪技术
JPL纯硅结构陀螺
JPL混合结构陀螺
转子式微机电陀螺
• 传统的转子陀螺与微机电系统技术相结合 的产物
微机电 系统技 术 静电陀 螺技术 静电悬 浮微陀 螺
微机电 系统技 术
动力调 谐陀螺 技术
调谐式 微陀螺
• 旋转中的陀螺仪会对各种形式的直线运动 产生反映，通过记录陀螺仪部件受到的科 里奥利力可以进行运动的测量与控制。
科里奥利力原理图
科里奥利力原理图
微机械陀螺仪原理
• 如果物体在圆盘上没有径向运动，科里奥利力就 不会产生。因此，在 MEMS 陀螺仪的设计上，这 个物体被驱动，不停地来回做径向运动或者震荡， 与此对应的科里奥利力就是不停地在横向来回变 化，并有可能使物体在横向作微小震荡，相位正 好与驱动力差 90 度。
ห้องสมุดไป่ตู้
陀螺的简化动力学模型
微机电陀螺的现状
• 陀螺仪是惯性导航中一种重要传感器， 能 检测载体相对惯性空间转动角速度或绝对 角度，是惯性导航与制导、运动系统的姿 态监测与稳定控制的核心部件。
微机电陀螺的现状
• 陀螺仪的核心技术指标是零偏稳定性按照 零偏稳定性的大小可分为：
惯性级（小于0.01°/h）
战术级（0.1~10°/h）
“海狼”舰载防空导弹
NLAW 反坦克导弹
微机电陀螺在军事上的运用
• （二）微机电陀螺是惯性稳定平台的重要 部件
• 陀螺用于测量敏感平台相对于惯性空间的 角速率，稳定平台根据陀螺测得的惯性角 速率，输出一个反向作用力以抵消载体运 动的影响， 从而保持平台的姿态稳定。
微机电陀螺在军事上的运用
例如：美国BEI 公司 研制的固态石英音叉 型 振 动 陀 螺 QRS116 已经应用到“捕食者” 无人机的稳定平台中
微机电陀螺在军事上的运用
QRS116用于F-22 战斗机
SiRRS 应用于“阿帕奇” 武装直升机
SiRRS 应用于A400M 运输机
微机电陀螺研究发展趋势
• 微机电陀螺仪起步于20世纪80年代后期， 经过20多年的努力，微机电陀螺仪技术取 得了长足的进步与发展。已开发研制出数 十种微机电陀螺。
振 动 式 转 子 式
QRS116 已经应用到“捕食者” 无人机的稳定平台
微机电陀螺在军事上的运用
Honeywell 公 司 研 制 的 新型两轴微机械陀螺 GG5200 已 替 代 传 统 的 机 械 陀 螺 应 用 到 Stryker 装甲车的炮塔稳定平台 中，三轴微机械陀螺 GG5300 则被应用于美国 M1 主战坦克的炮控稳定 系统中
其中 T EK EP 即为拉格朗日函数，EK 为广义坐标系下 的敏感质量块的动能，EP 为广义坐标系下的敏感质量块的 i 为广 qi 为广义坐标系下敏感质量所受外力，T x 势能， i 为广义速度， xi 为广义坐标。 义动量，x
微机电振动式陀螺动力学
• 驱动方向的驱动力由外部提供，质量块在 敏感(检测)方向因哥氏力作用产生位移。
速率级（大于10°/h）
微机电陀螺的特点
体积小
可批量 生产
成本低
可靠性 高
功耗小
微机电陀螺在军事上的运用
• （一）微机电陀螺是精确制导武器的核心 元件 • 以精确打击为目的的制导武器成为军队装 备系统的核心。微惯性组合是发展新型弹 药和对现役装备进行制导化改造的关键基 础部件。
微机电陀螺在军事上的运用
转子式微机电陀螺
谐式微陀螺结构示意图
转子体三环结构
介质类微机电陀螺
• 声表面波陀螺
通过检测声表面波则实现了角速率的测量
• 微流体陀螺
结合MEMS技术与传统的压电射流角速率陀螺
承受高过载 响应速度快
特点
寿命长 成本低
结论
目前国际上微机电陀螺技术已经发展较为成熟，多种微机 电陀螺产品性能已经达到了战术级，并在各项领域得到了 广泛应用，实验室研究水平也已经突破了惯导级。但是基 于目前的工艺水平，微机电陀螺精度依旧有很大的发展潜 力，我们可以通过对其进行误差特性分析、优化结构设计 等方法提高其可用精度。