極小尺寸卻能實(shí)現(xiàn)極高精度的半球諧振慣導(dǎo)

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李寧遠(yuǎn)）眾所周知，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中有一核心器件陀螺儀，陀螺儀的精度直接決定了慣導(dǎo)系統(tǒng)的整體精度。陀螺儀經(jīng)過(guò)多年的技術(shù)更迭，現(xiàn)在應(yīng)用較多有激光陀螺儀、光纖陀螺儀、MEMS陀螺儀和半球諧振陀螺儀。

半球諧振陀螺儀，是目前關(guān)注度較多的陀螺儀發(fā)展技術(shù)路線，因其極為優(yōu)異的SWaP特性以及超高的可靠性在很多陀螺儀應(yīng)用有特殊的優(yōu)勢(shì)。

基于哥式振動(dòng)效應(yīng)的半球諧振陀螺儀

基于牛頓經(jīng)典力學(xué)以動(dòng)力調(diào)諧陀螺儀為代表的是第一代陀螺儀，隨后第二代陀螺儀基于薩格納克效應(yīng)，典型代表是激光陀螺和光纖陀螺，其特點(diǎn)是反應(yīng)時(shí)間短、動(dòng)態(tài)范圍大、可靠性高，當(dāng)然成本也不低。

到第三代陀螺儀，有兩個(gè)不同技術(shù)路線的代表性產(chǎn)品，除了我們熟知的MEMS技術(shù)路線，另一個(gè)就是基于哥式振動(dòng)效應(yīng)的半球諧振陀螺儀。半球諧振陀螺儀，簡(jiǎn)稱HRG，是哥式振動(dòng)陀螺儀中的高精度代表。

半球諧振陀螺儀HRG由激勵(lì)與檢測(cè)電極和半球諧振子組成。半球諧振子的制備影響到整個(gè)陀螺儀的精度，它是一種對(duì)制備工藝、材料要求極高的部件，諧振子的加工精度和材質(zhì)的均勻性都會(huì)對(duì)其核心參數(shù)Q值有巨大影響。如何保證半球諧振子的高Q值，是制備半球諧振陀螺儀HRG的核心命題。

對(duì)材料、工藝和理論要求都如何嚴(yán)苛的陀螺儀又有著哪些獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)呢？首先半球諧振陀螺儀HRG在精度上沒(méi)有任何可以置疑的地方，它的隨機(jī)漂移可以達(dá)到10-4°/hr量級(jí)，一些半球諧振陀螺儀精度甚至已經(jīng)超過(guò)了光學(xué)陀螺儀。

而且它的高精度并不依賴更大的體積，不會(huì)導(dǎo)致模塊重量增加空間受限，這就是它SWaP特性中的Size和Weight。

而且，半球諧振陀螺儀HRG的功耗低壽命長(zhǎng)。這要得益于半球諧振陀螺儀HRG本身結(jié)構(gòu)的內(nèi)部密閉性就很好，而且又沒(méi)有摩擦部件，是公認(rèn)的壽命最長(zhǎng)的陀螺儀。這也讓它在精密應(yīng)用上大有用武之地。

半球諧振陀螺儀HRG能在很小的體積下實(shí)現(xiàn)很高的精度，加之其結(jié)構(gòu)能抗沖擊抗輻射，在很多軍工，精密機(jī)械領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)明顯。當(dāng)然，半球諧振陀螺儀也存在著動(dòng)態(tài)范圍偏小、應(yīng)用范圍普適性不足等問(wèn)題。

半球諧振陀螺儀的應(yīng)用受限困境正在好轉(zhuǎn)

長(zhǎng)期以來(lái)半球諧振陀螺儀的應(yīng)用場(chǎng)景都十分有限，加之高品質(zhì)半球諧振子制造難度大，成本高，導(dǎo)致該項(xiàng)技術(shù)并未得到大范圍應(yīng)用。僅從國(guó)內(nèi)的數(shù)據(jù)來(lái)看，據(jù)QYR的調(diào)研，2022年國(guó)內(nèi)半球諧振陀螺儀市場(chǎng)規(guī)模在1.97億元，預(yù)計(jì)2029年可以達(dá)到2.76億元，并不是一個(gè)很大的市場(chǎng)。

為了解放半球諧振陀螺儀受限的應(yīng)用場(chǎng)景，關(guān)注這一領(lǐng)域的各國(guó)研究團(tuán)隊(duì)正在想辦法降低半球諧振陀螺儀的批量生產(chǎn)難度和高昂成本，并解決動(dòng)態(tài)范圍小的問(wèn)題，讓其應(yīng)用范圍不再狹窄。

有一個(gè)路線就是將MEMS技術(shù)應(yīng)用到半球諧振陀螺儀制備中，美國(guó)正在推進(jìn)這一領(lǐng)域的研究，在制備工藝上應(yīng)用MEMS技術(shù)，有望大大降低半球諧振陀螺儀的制作成本，體積也能夠進(jìn)一步減小。

國(guó)內(nèi)不少科研院所也在積極開(kāi)展新型半球諧振陀螺儀的研究工作，持續(xù)攻克半球諧振子工藝、控制環(huán)路、信號(hào)提取及補(bǔ)償?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)，推動(dòng)半球諧振陀螺儀繼續(xù)向高精度、大動(dòng)態(tài)、低成本、小型化方向發(fā)展。

小結(jié)

更低的成本、更高的精度、更小的體積是陀螺儀以及基于陀螺儀的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，雖然半球諧振陀螺儀想要推廣到民用上來(lái)短時(shí)間內(nèi)是不可能的，但其獨(dú)特的特性具有非常大的潛力，在未來(lái)進(jìn)一步的發(fā)展中有望革新慣導(dǎo)系統(tǒng)。