【惯性世界】微半球谐振陀螺（mHRG）惯性传感器组件 的实现

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1. 简 介

基于HRG的可扩展空间惯性参考系统（SSIRU）使得HRG在惯性导航市场中占有一席之地。在这个市场上，HRG太空陀螺仪130P以其高性能（角度随机游走： 0.00002 ()/h）、高可靠性（超过3000万小时的陀螺仪运行时间而无任务失败）和耐用性（抗冲击能力优于3000 g、抗随机振动能力优于18 Grms）成为高价值重要任务的不二选择。

尽管HRG当前目标为太空市场，但HRG技术的原理使其能将市场扩展到陆地市场。诺格目前正在进行这种转变，该公司正在推进新型mHRG、mHRG ISA以及干扰自校准技术的研发。

图1 诺格公司的mHRG 和 mHRG ISA

1.1 背景—mHRG的研制

早期的HRG是基于58 mm直径谐振器设计的，这导致系统又重又大。由于尺寸、质量和功率的限制，大多数应用都不能使用HRG。意识到这一点，1986年，诺格公司对小尺寸HRG的可行性进行了预测分析。1990年，第一款针对低精度战术导弹市场的小尺寸HRG被设计出来并进行了测试，如图2所示。不幸的是，由于当前工作重点主要集中于更高性能（更高成本）的太空市场，因此针对地面市场的陀螺仪研究工作被迫减少。而这促成了第一代太空HRG 130Y的发展，130Y有一个30 mm的谐振器。尽管130Y是一款性能优异的惯性器件，但由于空气中的氦气很容易渗透到高真空陀螺仪腔中，最终导致陀螺仪无法运行，因此这款陀螺仪不适合陆地使用。

1997年，诺格公司开始研发用于石油钻井应用的小型陆地HRG 130R。该应用要求系统被封装成一个圆柱体，因此陀螺仪的外电极被淘汰，这就需要谐振器内部的电极既可用于谐振器检测又可用于谐振器控制。每个陀螺仪在陀螺仪输入轴偏离气缸中心线42°的倾斜方向形成圆柱形，如图3所示。ISA通过将三个陀螺仪圆柱体焊接而成，每个陀螺仪相对于其它陀螺仪旋转120。从而得到一组近正交轴。130R系统被证明具有良好的性能和广阔的发展前景，但由于工作被停止，并没有完成开发。

图2 早期型HRG，低成本战术应用

图3 用于石油钻井应用的HRG 130R

1.2 mHRG的诞生

当小型精密瞄准和指向系统（PPTS）的需求被认可时，对小尺寸SWaP HRG系统的兴趣被重新燃起。现有瞄准系统质量超过45 kg，这对于装甲兵来说太重了。2009年，在美国陆军的NVESD远程目标定位器改进计划（FTLIP）下，开始了小型内电极HRG的研究。经过设计、制造和测试，得到了第一代 （Gen-1）mHRG，如图4所示。紧随其后，通过内部资助研究和开发（IRAD）进行了第二代（Gen-2）mHRG(如图5所示)的研发，如图5所示。2012年初，完成了第一款Gen-2 mHRG制造并进行测试，这项工作表明mHRG是高精度应用的理想选择。

图4 第一代mHRG

1.3 mHRG ISA的进一步发展

近年来，诺公司不仅集中在小型SWaP mHRG开发上，还开始进行了mHRG ISA的研发，这是新一代高精度地面惯性系统第一步。

图5 第二代mHRG

为指导mHRG ISA的工作，诺格公司提出了一些主要项目目标，如表1所示。为按时完成这些目标，需最大限度地利用现有的硬件、电子和软件来建立第一个ISA演示单元（DU）。这意味着，当配置完全时，ISA DU应该包括：4个Gen-2 mHRG、4通道诺格公司的科里奥力振动陀螺仪（CVG）控制/数据采集单元、基于Windows的实验室任务计算机和3个产生SiAc加速度计（目前在LN-200生产线使用的MEMS加速度计）的宿机。ISA模块被设计成可提供灵活的测试平台，从而允许在开发工作中快速重新配置。

2. HRG的操作

2.1 HRG的基本原理

接下来主要介绍HRG的操作和自我校准。

HRG呈半球形外壳或酒杯状，在半球底部具有刚性固定连接点，如图6所示。如果壳体是上缘撞击，半球边缘将被移动并产生在特定频率下共振的驻波。

表1 ISA演示单元的主要发展目标

如果撞击正确，所产生的驻波将是半球壳的最低阶模式，并且将在单一频率下产生纯音。半球边缘的运动是径向的，最大偏转点定义为反节点，无径向运动的定义为节点。节点通过放置在外壳内部和周围的第二组电极来感测，如图7所示。这些驻波以最低阶振动模式在边缘上形成。在这里为了说明问题，反节点的位移被放大。实际上，这个运动大约在微米量级。静止时，反节点和节点相对外壳是静止的。但如果壳体围绕锚点或阀杆旋转，驻波的运动将随外壳的旋转而滞后，滞后约为旋转角度的0.3倍。因此，0.3被称为陀螺仪的几何标度因子(Kgeo)。图8所示为陀螺仪壳体旋转90°的情况，这时驻波滞后于壳体27°。

图6 HRG-杯型陀螺

图7 壳体最低弯曲模态的挠曲运动

2.2 HRG机械化

振动模式通过一组驱动电极来维持，这些电极围绕半球壳的外部（在mHRG中是内部）圆周放置。电极通过静电驱动外壳运动。反节点和节点的位置和振幅通过放置在外壳内部和圆周的第二组电极来感测。这些检测电极通过电容变化测量外壳的位移。驻波模式的控制是通过将感测信号反馈给控制前驱电极的控制回路来实现的。根据控制挠曲模式方法可以是开环(全角，WA)绕对称轴的进动，也可以是被约束到固定位置的闭环(力再平衡，FR)。在WA模式下，HRG作为速率积分陀螺仪运行；在FR模式下，则作为速率陀螺仪运行。各自的优势取决于应用。

图8 HRG中的驻波模式旋转滞后

对于高动态范围的应用，最好采用WA模式。通过使用检测器进行挠曲模式位置的直接测量来得到读出。角度读数是通过Kgeo分割测量旋转角完成，Kgeo是固有稳定的，并且已证明可以稳定到十亿分之一。此外，在不约束挠曲模式的情况下，可达到极高的速率。

在FR模式中，驻波限制固定在壳体的单一位置。因为所有的交互作用仅发生在一个位置，所以能够更好地进行偏置补偿，从而提高传感器的精度。在FR中，通过在前驱电极上施加电压进行闭环反馈，此时，挠曲模式受静电力的限制。由于电压是成比例的，它提供了陀螺仪输入速率的测量，具有比WA模式低的噪声特性。FR通常是精密瞄准和导航应用的最佳机械化。

有时间优势的应用能以相对较低的速率运行，而对于间歇性的应用，则需高速运行。针对这类应用，开发了一种将FR和WA两种模式混合在一起双模式（DM）机械化。当速率低于阈值时，FR被激活，此时零偏和噪声性能最佳。当速率超过阈值时，FR控制环被打开，从而允许挠曲模式在WA模式下进行处理，直到速率低于阈值，此时，FR控制环闭合，挠曲模式保持在当前状态。之后，FR控制环驱动挠曲模式进动直至它返回到电极的初始零位。这种机械化过程在保证FR精度的同时还能适应间断性的高速率。

2.3 HRG自校准

简化设计的mHRG性能通过过去十年诺格公司开发的干扰自校准技术来维持。零偏自校准模式反转和标度因数自校准模式角调制这两种突破性的自校准机械化正被使用。通过机械化过程，使用昂贵的工厂校准系统而无需热控，从而降低系统的整体功耗。

BSC利用HRG的独特特性作为II型（轴对称）CVG，它可以在两种简化挠曲模式的任意一种中工作。在最简单的条件下，当陀螺仪在两种模式之间切换时，陀螺仪的零偏和标度因数误差会改变极性。当两个误差数量级保持不变时，误差的极性相对于彼此变化。这类似于通过物理倒置传感器以分离零偏和标度因数，从而反转地球速率的极性。

SFSC通过使用模式角度调制技术来完成。该方法使用极稳定的Kgeo对陀螺仪的FR标度因数进行校准，这取决于放大器增益、ADC精度等的稳定性。通过速率伺服设定点的调制，挠曲模式的位置进动到该点。FR相应需要通过确定这个角度，并比较其与期望值的不同，从而调整FR标度因数以提供正确的响应产生进动。

3. mHRG 陀螺和 mHRG ISA

3.1 mHRG

mHRG是通过大幅简化太空用陀螺仪130P HRG得到的。为最大限度降低风险，mHRG使用直径为30mm的谐振器作为30P。通过去除谐振器外部的130P前导电极，共享检测和驱动功能之间的共享内部电极，实现了尺寸的显著减小和设计简化。新设计将部件数量减少到了原来的十分之一，如图9所示，这不仅降低了零件的成本，还使新陀螺仪的工艺流程减少、复杂度大大降低。表2给出了Gen-2 mHRG的物理参数，图10给出了陀螺仪的主要部件。

图9 130P HRG设计简化

mHRG优秀的性能数据是通过广泛的特征测试获得。通过使用130P太空陀螺仪对mHRG进行附加测试，130P禁用外部电极从而模拟mHRG。因为两个陀螺仪所有内部传感器组件是相同的，所以130Pi是高保真仿真。在自校准过程中，反转陀螺模式的过程导致在一段时间内没有输出。为了保持连续输出，使用冗余陀螺仪来弥合间隙。设计了一个双陀螺ISA，用于演示在全温范围和旋转时进行连续、实时自校准。

表2 Gen-2 mHRG的详细信息

图10 mHRG主要部件

mHRG性能数据如表3所示，这是一个很好的温度自校准的样例。自校准的有效性最好通过两周的测试结果，陀螺仪的温度范围为20~50℃。当测试为单陀螺仪时，8 h内的零偏稳定性为0.002 ~ 0.005 ()/h。对两周的温度数据进行Allan方差分析，结果显示8 h内的自校准零偏稳定性为0.0005 ()/h，比自校准应用前观察到的0.1 ()/h好近200倍。基于此，应继续发展mHRG系统。

3.2 mHRG ISA

mHRG ISA已被组装为用于验证mHRG自校准的演示单元。由于演示的目的是验证mHRG和自校准性能，所采用的方法是使用现有的控制和采集电子单元或软件，以及嵌入式环路闭合信号处理软件，而不是重新包装。通过设计带有夹具的测试装置来确保四个独立电子器件所需的牢固安装，而不是ISA的一部分。为了使四个陀螺仪的数据同步，在第一通道采用公共处理器时钟。这大大简化了处理四个耦合陀螺仪自校准算法的流程。任务处理器协调实验室计算机的运行，但也是在实施机械化操作的。宿机安装三个SiAC加速度计到ISA，得到所需的六自由度。mHRG ISA的详细信息如表3所示，图11所示为采用Gen- 2 mHRG的ISA演示单元。

表3 mHRG ISA的详细信息

表4 mHRG ISA演示配置

图11 基于Gen-2 mHRG的ISA演示单元

4. 结束语

在陆地应用中使用小型HRG的设想在HRG的概念阶段就已存在。诺格公司的内部研究成果mHRG是HRG在该领域的重大发展。即使mHRG大大简化设计，采用比太空陀螺仪少10倍的部件，仍能够保持太空HRG的精度性能，而其关键是零偏和标度因数自校准技术的实现。诺格公司下一步的计划是研制一种能完全实时自校准的mHRG，并将其产品化。第一个mHRG ISA演示单元已经制造并正将mHRG和自校准技术转化为现实。

文章来源：

A.D. Meyer, D.M. Rozelle, A.A. Trusov, et al. Milli-HRG Inertial Sensor Assembly–a Reality. 2018 IEEE/ION Position Location and Navigation Symposium (PLANS), Hyatt Regency Monterey Monterey, California, 2018

本文刊载自《国外惯性技术信息》2018年第3期

翻译：宋丽君

校对：薛连莉

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