极小尺寸却能实现极高精度的半球谐振惯导

 
电子发烧友网报道（文/李宁远）众所周知，惯性导航系统中有一核心器件陀螺仪，陀螺仪的精度直接决定了惯导系统的整体精度。陀螺仪经过多年的技术更迭，现在应用较多有激光陀螺仪、光纤陀螺仪、MEMS陀螺仪和半球谐振陀螺仪。
 
半球谐振陀螺仪，是目前关注度较多的陀螺仪发展技术路线，因其极为优异的SWaP特性以及超高的可靠性在很多陀螺仪应用有特殊的优势。
 
基于哥式振动效应的半球谐振陀螺仪
 
基于牛顿经典力学以动力调谐陀螺仪为代表的是第一代陀螺仪，随后第二代陀螺仪基于萨格纳克效应，典型代表是激光陀螺和光纤陀螺，其特点是反应时间短、动态范围大、可靠性高，当然成本也不低。
 
到第三代陀螺仪，有两个不同技术路线的代表性产品，除了我们熟知的MEMS技术路线，另一个就是基于哥式振动效应的半球谐振陀螺仪。半球谐振陀螺仪，简称HRG，是哥式振动陀螺仪中的高精度代表。
 
半球谐振陀螺仪HRG由激励与检测电极和半球谐振子组成。半球谐振子的制备影响到整个陀螺仪的精度，它是一种对制备工艺、材料要求极高的部件，谐振子的加工精度和材质的均匀性都会对其核心参数Q值有巨大影响。如何保证半球谐振子的高Q值，是制备半球谐振陀螺仪HRG的核心命题。
 
对材料、工艺和理论要求都如何严苛的陀螺仪又有着哪些独特的优势呢？首先半球谐振陀螺仪HRG在精度上没有任何可以置疑的地方，它的随机漂移可以达到10-4°/hr量级，一些半球谐振陀螺仪精度甚至已经超过了光学陀螺仪。
 
而且它的高精度并不依赖更大的体积，不会导致模块重量增加空间受限，这就是它SWaP特性中的Size和Weight。
 
而且，半球谐振陀螺仪HRG的功耗低寿命长。这要得益于半球谐振陀螺仪HRG本身结构的内部密闭性就很好，而且又没有摩擦部件，是公认的寿命最长的陀螺仪。这也让它在精密应用上大有用武之地。
 
半球谐振陀螺仪HRG能在很小的体积下实现很高的精度，加之其结构能抗冲击抗辐射，在很多军工，精密机械领域优势明显。当然，半球谐振陀螺仪也存在着动态范围偏小、应用范围普适性不足等问题。
 
半球谐振陀螺仪的应用受限困境正在好转
 
长期以来半球谐振陀螺仪的应用场景都十分有限，加之高品质半球谐振子制造难度大，成本高，导致该项技术并未得到大范围应用。仅从国内的数据来看，据QYR的调研，2022年国内半球谐振陀螺仪市场规模在1.97亿元，预计2029年可以达到2.76亿元，并不是一个很大的市场。
 
为了解放半球谐振陀螺仪受限的应用场景，关注这一领域的各国研究团队正在想办法降低半球谐振陀螺仪的批量生产难度和高昂成本，并解决动态范围小的问题，让其应用范围不再狭窄。
 
有一个路线就是将MEMS技术应用到半球谐振陀螺仪制备中，美国正在推进这一领域的研究，在制备工艺上应用MEMS技术，有望大大降低半球谐振陀螺仪的制作成本，体积也能够进一步减小。
 
国内不少科研院所也在积极开展新型半球谐振陀螺仪的研究工作，持续攻克半球谐振子工艺、控制环路、信号提取及补偿等关键技术，推动半球谐振陀螺仪继续向高精度、大动态、低成本、小型化方向发展。
 
小结
 
更低的成本、更高的精度、更小的体积是陀螺仪以及基于陀螺仪的惯性导航系统未来的发展趋势，虽然半球谐振陀螺仪想要推广到民用上来短时间内是不可能的，但其独特的特性具有非常大的潜力，在未来进一步的发展中有望革新惯导系统。