西安航空工業(yè)自控所何福林：MEMS慣性技術(shù)與無人系統(tǒng)應(yīng)用

來源：空天界

2023年12月11日至13日，以“時(shí)代使命 無限創(chuàng)新”為主題的第八屆中國航空創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽暨首屆中國空天科技企業(yè)家年會(huì)在北京大興國際機(jī)場臨空經(jīng)濟(jì)區(qū)（廊坊）成功舉辦。本屆大賽由中國航空學(xué)會(huì)、商務(wù)部投資促進(jìn)事務(wù)局、廊坊市人民政府、中國科協(xié)科學(xué)技術(shù)傳播中心、北京大興國際機(jī)場臨空經(jīng)濟(jì)區(qū)(廊坊)管委會(huì)、“科創(chuàng)中國”聯(lián)合體、“科創(chuàng)中國”投資聯(lián)合體聯(lián)合主辦，同時(shí)召開由航空航天、軍工防務(wù)、先進(jìn)制造等領(lǐng)域投資人參與空天企業(yè)年度投資對(duì)接會(huì)，旨在為優(yōu)秀項(xiàng)目提供更多的發(fā)展機(jī)會(huì)和資源支持。

本次大會(huì)，特別邀請(qǐng)了中國航空工業(yè)西安飛行自動(dòng)控制研究所微系統(tǒng)工程部副主任何福林參加，在大會(huì)上做了關(guān)于《MEMS慣性技術(shù)與無人系統(tǒng)應(yīng)用》的演講。以下內(nèi)容根據(jù)演講錄音整理發(fā)表。

現(xiàn)在廊坊外面正大雪紛飛，但我們懷著對(duì)無人機(jī)如火焰般的熱情坐在這里，非常高興在這樣的機(jī)會(huì)下跟大家分享《MEMS慣性技術(shù)與無人系統(tǒng)應(yīng)用》。簡單介紹一下我們單位中國航空工業(yè)西安飛行自動(dòng)控制研究所，隸屬航空工業(yè)集團(tuán)，地處西安，主要的專業(yè)方向是飛控/導(dǎo)航/制導(dǎo)通用技術(shù)。

今天匯報(bào)主要內(nèi)容主要分為四個(gè)部分，第一部分是智能傳感與MEMS技術(shù)的概述，如果大家平時(shí)關(guān)注的話，會(huì)知道這是近幾年在產(chǎn)業(yè)方向上非常熱門的一個(gè)點(diǎn)。根據(jù)GB/T7665對(duì)傳感器的定義，傳感器是指能感受備測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。智能傳感器實(shí)際上是在這個(gè)基礎(chǔ)上，根據(jù)GB/T33905.3定義為具有與外部系統(tǒng)雙向通信手段，用于發(fā)送測量、狀態(tài)信息，接收和處理外部命令的傳感器。簡言之，智能傳感器是集傳感單元、通信芯片、微處理器、驅(qū)動(dòng)程序、軟件算法等于一體的系統(tǒng)級(jí)產(chǎn)品，具有信息采集、處理、交換、存儲(chǔ)等功能。智能傳感器是包含信息處理裝置的傳感器，傳感器是智能傳感器必不可少的一個(gè)組成部分。

在2019版《智能傳感器型譜體系與發(fā)展戰(zhàn)略白皮書》中提到了11個(gè)重點(diǎn)技術(shù)發(fā)展方向，實(shí)際上也是卡脖子的技術(shù)。前5項(xiàng)基本上都跟MEMS技術(shù)相關(guān)，包括MEMS陀螺、磁傳感器、超聲波傳感器器、壓力傳感器等。因此在國家層面，從2015年到2023年陸續(xù)出臺(tái)了相關(guān)一系列的政策，對(duì)相關(guān)產(chǎn)業(yè)進(jìn)行相應(yīng)的扶持。

結(jié)合今天主要介紹傳感器的主題，主要講一下慣性傳感器體系。首先是陀螺儀，這里所說的陀螺主要包括光纖陀螺、激光陀螺、壓電陀螺和半球諧振陀螺，這些基本上是屬于中高精度的陀螺儀，單價(jià)相對(duì)來說也會(huì)比較貴。通常主要用于軍用，飛機(jī)、艦船、坦克、火炮、衛(wèi)星、導(dǎo)彈等慣性導(dǎo)航制導(dǎo)、姿態(tài)測量與控制。MEMS陀螺儀的主要特點(diǎn)有兩個(gè)，一是微小型化，二是低成本，能夠用于中低端慣性市場。在消費(fèi)電子、汽車電子、工業(yè)電子以及國防軍工領(lǐng)域，MEMS陀螺儀正在逐步的應(yīng)用。

加速度計(jì)主要包括石英撓性加速度計(jì)、光纖加速度計(jì)以及壓電式加速度計(jì)。這塊跟高精度陀螺儀配套后形成慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和制導(dǎo)系統(tǒng)，用于導(dǎo)彈、飛機(jī)、艦船、戰(zhàn)車等導(dǎo)航制導(dǎo)測量速度和位置信息。MEMS加速度計(jì)，同樣有微型化、價(jià)格低的優(yōu)勢，可以大量應(yīng)用于消費(fèi)電子、汽車電子、工業(yè)電子、醫(yī)療電子以及航空航天、國防軍工領(lǐng)域。實(shí)際上目前在航空航天領(lǐng)域里一些消耗類型的裝備上也開始大量應(yīng)用。

因此可以看出，MEMS在智能傳感器中占據(jù)了重要地位。智能傳感器的核心組件包括傳感器和執(zhí)行器兩大類，以MEMS為代表的智能傳感器是傳感器的主要的發(fā)展方向之一。典型的以MEMS技術(shù)為主的智能傳感器及其組件包括MEMS陀螺儀、MEMS加速度計(jì)，還有壓力傳感器等，這幾項(xiàng)產(chǎn)品在618所也都有相應(yīng)的研制和生產(chǎn)。

MEMS陀螺可能相對(duì)來說了解的人較多，它主要用于檢測載體的角運(yùn)動(dòng)，基于科氏力效應(yīng)來檢測角速率。MEMS加速度計(jì)主要基于牛頓第二定律來檢測載體的加速度。MEMS壓力傳感器主要基于基于諧振或壓阻效應(yīng)來檢測空氣壓力變化，主要用于壓力和高度的測量，可用于大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)、慣導(dǎo)系統(tǒng)、組合導(dǎo)航系統(tǒng)等。

第二部分是無人系統(tǒng)中的智能傳感技術(shù)。目前所說的無人系統(tǒng)主要包括空中無人系統(tǒng)、地面無人系統(tǒng)、水面無人系統(tǒng)、水下無人系統(tǒng)。在各類無人系統(tǒng)中用到的傳感器包括慣性傳感器、壓力傳感器、磁傳感器以及光學(xué)傳感器。

從國內(nèi)傳感器的市場規(guī)模及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的角度分析，中商產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的《2024-2029年中國智能傳感器市場調(diào)查與行業(yè)前景預(yù)測專題研究報(bào)告》顯示，2022年中國智能傳感器市場規(guī)模達(dá)到1190.2億元，較上年增長16.64%。分析師預(yù)測，2023年中國智能傳感器市場規(guī)模將增至1429.6億元，2024年將增至1643.1億元。從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)來看，2022年壓力傳感器占比最高的，市場份額達(dá)到18.6%；圖像傳感器、位置（含慣性傳感器）傳感器分列二、三位，分別占比13%和10.1%。

我們可以清楚的看到在無人系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù)之一是GNC技術(shù)，包括無人車、無人機(jī)、無人艇、無人潛航器。GNC技術(shù)簡單來說G就是Guidance制導(dǎo)，利用導(dǎo)航信息和其它參考信息，解決載體準(zhǔn)確、按時(shí)導(dǎo)向目標(biāo)問題——也就是解決“往哪去”的問題；N是Navigation導(dǎo)航，提供載體位置、姿態(tài)、航向和速度等信息，解決載體精確定位問題 ——解決“在哪里”的問題；C是Control控制，控制操縱面使載體按照期望的姿態(tài)和軌跡運(yùn)動(dòng)，解決載體的穩(wěn)定與操縱問題——解決“怎么去”的問題，實(shí)際上GNC技術(shù)也是618所主要的專業(yè)方向。慣性傳感器在各類無人系統(tǒng)中均起到關(guān)鍵作用，是無人系統(tǒng)中最為重要的傳感器之一。無人機(jī)中各類慣性傳感器及導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用已逐步形成產(chǎn)業(yè)化模式。

典型的無人機(jī)系統(tǒng)由飛行器平臺(tái)分系統(tǒng)、信息傳輸分系統(tǒng)、地面測控分系統(tǒng)、任務(wù)載荷分系統(tǒng)、地面保障設(shè)備五部分組成。我們從典型的無人機(jī)系統(tǒng)組成中可以看到，包括INS/GPS裝置的組合導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)該說是作為中大型或中小型的無人機(jī)里必不可少的關(guān)鍵設(shè)備。從產(chǎn)業(yè)鏈的結(jié)構(gòu)來看，包括陀螺儀在內(nèi)的傳感器是作為無人機(jī)重要的也是關(guān)鍵的零部件，它主要集成到慣導(dǎo)以及航天系統(tǒng)里。

無人機(jī)軍民融合的屬性非常強(qiáng)，石靜敏老師也介紹了民用無人機(jī)相關(guān)很多的產(chǎn)業(yè)方向，民用無人機(jī)是無人機(jī)最具活力的增長領(lǐng)域。隨著應(yīng)用場景的不斷拓寬和技術(shù)門檻的不斷放低，預(yù)計(jì)未來十年，民用市場的增速將快于軍用市場。預(yù)計(jì)到2025年民用市場規(guī)模將達(dá)到1800億，年均增速25%以上，若以此增長率測算，預(yù)測到2026年我國的民用無人機(jī)市場規(guī)模約達(dá)到2250億。

從典型的傳感器、無人機(jī)的飛控系統(tǒng)以及相關(guān)的分系統(tǒng)的組成中，我們可以看到傳感器集成到導(dǎo)航系統(tǒng)里面之后是無人機(jī)核心的導(dǎo)航信息源，也是飛控決策的關(guān)鍵信息。因此以無人機(jī)應(yīng)用為例可以一窺智能傳感器在無人系統(tǒng)領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)機(jī)遇。

第三部分簡單介紹MEMS慣性技術(shù)在無人機(jī)的應(yīng)用。慣性導(dǎo)航相比于衛(wèi)星導(dǎo)航等其他導(dǎo)航方式，它是一種不依賴于外部信息、也不向外部輻射能量的自主式導(dǎo)航系統(tǒng)，這實(shí)際上也是它最大的優(yōu)點(diǎn)，因此也可以叫它無人機(jī)的“小腦”，無人機(jī)的“大腦”應(yīng)該是飛控系統(tǒng)。慣性導(dǎo)航通過陀螺儀、加速度計(jì)等傳感器來感知并計(jì)算以獲得無人機(jī)實(shí)時(shí)的位置、速度、姿態(tài)、角速率、加速度等重要導(dǎo)航信息。

在MEMS慣性技術(shù)體系中從前到后來看，它的前端從晶圓級(jí)開啟，做晶圓MEMS相關(guān)的加工工藝形成芯片級(jí)，進(jìn)行封裝之后到傳感器也就是器件級(jí)的產(chǎn)品，器件級(jí)進(jìn)行系統(tǒng)集成之后達(dá)到系統(tǒng)級(jí)的組合導(dǎo)航或航姿類產(chǎn)品。目前在國內(nèi)，做慣導(dǎo)系統(tǒng)集成或航姿的公司、單位遍地都是，但有IDM模式覆蓋MEMS慣性技術(shù)全流程能力是屈指可數(shù)的，這里相關(guān)產(chǎn)業(yè)投入和技術(shù)門檻還是相對(duì)比較高。

最近這幾年中小型無人機(jī)的導(dǎo)航系統(tǒng)解決方案，形成了固定的模式。按照現(xiàn)在的經(jīng)驗(yàn)，高價(jià)值無人機(jī)主要面向復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境，有高冗余、安全性的要求，所以通常會(huì)配置光纖慣導(dǎo)或激光慣導(dǎo)，加上光纖航資載加MEMS慣導(dǎo)，形成一套高冗余高安全的導(dǎo)航系統(tǒng)的方案。對(duì)于中等價(jià)值的無人機(jī)，它面向一般戰(zhàn)場環(huán)境，也有較高冗余、安全性的要求。

這樣的情況下，典型的配置是光纖航資系統(tǒng)加上MEMS慣導(dǎo)系統(tǒng)，這里的航資或慣導(dǎo)不是類型的劃分而是精度等級(jí)的劃分。面向低成本的無人機(jī)，以及現(xiàn)在越來越多的巡飛器類產(chǎn)品，它面向小型、蜂群等批量裝備場景，有可消耗、可以適當(dāng)?shù)姆艑捜哂嗟囊?，?huì)更傾向于以MEMS去作配套，包括MEMS慣導(dǎo)加MEMS航姿，甚至是單獨(dú)的MEMS航姿，這個(gè)方案可能價(jià)格非常低。

舉一個(gè)例子，是618所的一種尾座式垂直起降無人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)。導(dǎo)航系統(tǒng)是主+備MEMS導(dǎo)航系統(tǒng)架構(gòu)的方案，實(shí)際上通過MEMS組合導(dǎo)航系統(tǒng)加上MEMS航姿形成導(dǎo)航方案，具備慣性/衛(wèi)星組合導(dǎo)航+短時(shí)純慣性導(dǎo)航+航姿導(dǎo)航多種導(dǎo)航模式，能夠保證無人機(jī)的任務(wù)執(zhí)行，同時(shí)也達(dá)到低成本、小體積，高可靠性的要求,目前在各種方向推廣應(yīng)用。

從產(chǎn)業(yè)方向上來看，618所目前在無人系統(tǒng)和智能傳感兩個(gè)產(chǎn)業(yè)方向上進(jìn)行大力的投入和扶持。在無人系統(tǒng)方向，主要關(guān)注的是中小型垂起無人機(jī)、蜂群、無人機(jī)用小型制導(dǎo)彈、電動(dòng)垂直起降飛行器eVTOL。40公斤無人機(jī)之前定義成小型的無人機(jī)，看石老師的報(bào)告現(xiàn)在已經(jīng)定義成中型無人機(jī)了，當(dāng)然現(xiàn)在我們也已通過狀態(tài)鑒定，已形成獨(dú)立出口立項(xiàng)。在智能傳感方向，我們整合了光纖陀螺的產(chǎn)業(yè)平臺(tái)。

618所之前跟北航合作在北京建有中航捷銳，現(xiàn)在中航捷銳要回遷到西安，之后形成產(chǎn)業(yè)園。在MEMS產(chǎn)業(yè)上，我所在的微系統(tǒng)工程部，實(shí)際上要整合成立一家名叫精微科技的公司，新建一條6寸產(chǎn)線。在西安市的西咸新區(qū)灃東新城，整個(gè)建設(shè)一個(gè)智能傳感產(chǎn)業(yè)園。

第四部分展望。隨著國內(nèi)集成電路產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，MEMS產(chǎn)業(yè)鏈逐步完善。現(xiàn)在去買的很多設(shè)備實(shí)際上都是集成電路產(chǎn)業(yè)上一些淘汰下來的二手設(shè)備，供MEMS產(chǎn)業(yè)去進(jìn)行使用。在這個(gè)方向上還是要通過IDM模式去整合，包括設(shè)計(jì)、制造、封裝測試等各個(gè)環(huán)節(jié)。

MEMS產(chǎn)業(yè)發(fā)展方發(fā)展趨勢上，“科創(chuàng)板”設(shè)立將直接促進(jìn)了MEMS產(chǎn)業(yè)發(fā)展，2023年已經(jīng)有業(yè)內(nèi)的公司上市了。國內(nèi)MEMS產(chǎn)業(yè)在“機(jī)遇和挑戰(zhàn)”中穩(wěn)步前進(jìn)，同時(shí)可以看到是機(jī)遇大于挑戰(zhàn)。在目前的行業(yè)形勢下，“智能化、微型化、集成化”的趨勢非常明顯。

高精度MEMS傳感器慣性傳感器的發(fā)展趨勢，現(xiàn)在主要是單軸產(chǎn)品，但實(shí)際上往后發(fā)展是往3軸、6軸、9軸，甚至10軸的方向去集成。包括MEMS傳感器典型MCM集成方案或者是MEMS與ASIC晶圓直接鍵合的異構(gòu)混合集成SOC方案。在系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用上，現(xiàn)在是自我感知，要向態(tài)勢感知的方向去發(fā)展、進(jìn)化，也就是解決從“在哪里”到現(xiàn)在“做什么”，下一步可能要去做到的“是什么”。現(xiàn)在單獨(dú)的智能傳感器主要用于去感應(yīng)，后端要通過算法進(jìn)行認(rèn)知、然后進(jìn)行相應(yīng)的決策以及執(zhí)行。

智能無人系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是，無人機(jī)已經(jīng)成為主力作戰(zhàn)裝備，無人作戰(zhàn)、蜂群、忠誠僚機(jī)是主要方向。異構(gòu)多無人系統(tǒng)協(xié)同的發(fā)展需求，就是空地協(xié)同、空海協(xié)同、水面水下協(xié)同，異構(gòu)無人系統(tǒng)之間的緊密配合協(xié)同，可進(jìn)一步壓縮定位、識(shí)別、跟蹤和摧毀的殺傷鏈。

隨著智能無人系統(tǒng)在協(xié)同化、集群化、小型化、智能化方向的發(fā)展，結(jié)合隱身、抗干擾等要求，具有自主性的智能傳感器如慣性、壓力傳感器等將在未來智能無人系統(tǒng)的發(fā)展中起到更加重要作用！后續(xù)希望有更多的機(jī)會(huì)，跟業(yè)內(nèi)相關(guān)優(yōu)秀的單位和企業(yè)共同去探討合作，謝謝大家。

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審核編輯 黃宇