分子電子傳感器的陀螺尋北儀研究

王磊 趙威

摘 要：為順應(yīng)社會(huì)的發(fā)展要求，研究開(kāi)發(fā)出一種成本低、精度高、尋北速度快、穩(wěn)定性好的尋北儀是一個(gè)比較亟待解決的問(wèn)題。而不包含任何精密機(jī)械零件或彈簧，并且制造比較簡(jiǎn)單和便宜的分子電子傳感器，可以解決傳統(tǒng)尋北儀依靠精密機(jī)械零件和相關(guān)傳感器的影響。本文首先概述了尋北儀的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并介紹了分子電子傳感器原理，以及在尋北儀器中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：分子電子傳感技術(shù);尋北儀;MET傳感器

1.引言

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展與社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷進(jìn)步，各領(lǐng)域?qū)け眱x的要求也越來(lái)越高。由于傳統(tǒng)尋北儀定位精度、體積形狀以及周?chē)h(huán)境的影響等限制，已經(jīng)不能滿(mǎn)足前沿科技的需求。尤其在現(xiàn)階段，軍事、航天、航空技術(shù)的大力發(fā)展、交通發(fā)展所帶來(lái)的隧道挖掘、大地測(cè)量，以及能源需求所帶來(lái)的油氣探測(cè)、礦山開(kāi)采。所以，開(kāi)發(fā)出一種成本低、精度高、尋北速度快、穩(wěn)定性好的尋北儀是一個(gè)比較亟待解決的問(wèn)題。

2.國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

尋北儀主要分為陀螺尋北儀和非陀螺尋北儀兩大類(lèi)，其中國(guó)內(nèi)研究的慣性尋北技術(shù)主要在調(diào)動(dòng)陀螺方面?；谛D(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)的陀螺尋北技術(shù)是白云超所介紹的一種尋北技術(shù)，該技術(shù)需要在輸出信號(hào)平穩(wěn)可用的前提下，即通過(guò)保證小型精密轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)來(lái)穩(wěn)定精度，而能夠保證這樣苛刻的條件卻很少，所以這點(diǎn)就限制了該技術(shù)的推廣與運(yùn)用[1]。賈智學(xué)所進(jìn)行的撓性陀螺尋北儀解算方法研究，利用相比較其他類(lèi)型陀螺有體積小、成本低的撓性陀螺，進(jìn)行誤差模型的建立，得到該高性?xún)r(jià)比的陀螺尋北系統(tǒng)只能夠滿(mǎn)足中低精度尋北精度的需求[2]。薛海建也提出過(guò)一種任意二位置陀螺尋北模型，該模型利用一種可調(diào)雙參數(shù)的閾值函數(shù)提高尋北精度，這種消噪函數(shù)不需要分段取值，簡(jiǎn)單的表達(dá)式可以較大的提高計(jì)算速度，在一定程度上節(jié)省了尋北的時(shí)間[3]。在光纖陀螺尋北儀中，李險(xiǎn)峰通過(guò)加速度對(duì)擺動(dòng)角進(jìn)行補(bǔ)償，使得即使在劇烈擺動(dòng)的情況下，也能得到比較穩(wěn)定的尋北結(jié)果[4]。隨著時(shí)間的推移，我國(guó)在尋北領(lǐng)域里已經(jīng)有了很大的提升，與發(fā)達(dá)國(guó)家在系統(tǒng)精度與穩(wěn)定性的差距也變得越來(lái)越小。

國(guó)外在慣性技術(shù)上有著較為深入的研究和應(yīng)用，相比較國(guó)內(nèi)的尋北技術(shù)，國(guó)外對(duì)磁技術(shù)與尋北儀之間也進(jìn)行了結(jié)合，并實(shí)現(xiàn)了較高精度的尋北，其中比較著名的有一種低頻磁尋北技術(shù)以及在磁尋北技術(shù)上研究出口的一種便攜式跟蹤系統(tǒng)。在當(dāng)今工程中應(yīng)用比較廣泛的陀螺精確尋北方法也是利用磁技術(shù)所進(jìn)行的，該方案是根據(jù)磁方位來(lái)確定陀螺經(jīng)緯儀的原始方位，在這基礎(chǔ)上再進(jìn)行精確的陀螺尋北[5]。除了磁技術(shù)在尋北上的應(yīng)用，國(guó)外還有利用旋轉(zhuǎn)矢量進(jìn)行誤差補(bǔ)償，進(jìn)而研究出一種基于嵌入式微處理器的尋北系統(tǒng)，隨著對(duì)旋轉(zhuǎn)更深層次的研究，更是對(duì)在錐運(yùn)動(dòng)條件下的算法進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步減小誤差影響，提高尋北精度。

根據(jù)上面的描述，可以清楚的了解到國(guó)外的主要深入的研究方向使慣性技術(shù)，而國(guó)內(nèi)在陀螺尋北技術(shù)中有著較多的研究。但是隨著各領(lǐng)域現(xiàn)代化程度越來(lái)越高，原來(lái)研究方向的尋北系統(tǒng)研究已經(jīng)達(dá)到了瓶頸，尋找新的方向進(jìn)行尋北技術(shù)的提高已經(jīng)迫在眉睫。

3分子電子傳感器

現(xiàn)階段，分子電子傳感技術(shù)在國(guó)外的研究較少，在國(guó)內(nèi)幾乎沒(méi)有，2014年國(guó)外曾發(fā)表了一篇基于分子電子傳感技術(shù)的微型地震儀，經(jīng)過(guò)仔細(xì)的研究之后，發(fā)現(xiàn)分子電子傳感器（MET）相比較其他慣性傳感器，該傳感器利用的是液體電解質(zhì)作為慣性質(zhì)量。因?yàn)槔玫氖欠肿与娮蛹夹g(shù)，區(qū)別于其他高精度的傳感器，不需要精密的彈簧和機(jī)械零件，這會(huì)大大的降低制造成本。相比于現(xiàn)階段的尖端尋北技術(shù)中光纖陀螺儀和環(huán)形激光陀螺儀，分子電子傳感器本身所具有的低噪聲以及高信號(hào)放大率使得能夠它們能夠在同一級(jí)別上[6]。

根據(jù)資料查詢(xún)了解到，將分子電子傳感技術(shù)應(yīng)用到尋北儀上，在國(guó)內(nèi)是較為前沿，在國(guó)外也是處于研究階段，因?yàn)樵谌澜缟险麄€(gè)分子電子傳感技術(shù)的研究成熟是近幾年才有的突破性發(fā)展，所以在尋北儀上運(yùn)用分子電子傳感技術(shù)有著重要的意義。借助于MET電化學(xué)傳感器的非磁性方位檢測(cè)，無(wú)電磁干擾和偏差的影響;結(jié)合高靈敏的角傳感器，還有獨(dú)特的校正算法，具有較高的集成性，可與現(xiàn)有的一些探測(cè)設(shè)備和儀器進(jìn)行集成開(kāi)發(fā)，也可單獨(dú)開(kāi)發(fā)成導(dǎo)航尋北儀器。

基于分子電子傳感技術(shù)制作的傳感器，因其傳感器內(nèi)部采用電化學(xué)原理，具體低功耗，且能降低成本。在實(shí)際應(yīng)用中受噪聲干擾小，且精度更高，符合高精尖領(lǐng)域的尋北儀開(kāi)發(fā)要求。與現(xiàn)有的很多商業(yè)傳感器相比，具有明顯優(yōu)勢(shì)。

4.分子電子傳感技術(shù)在尋北儀器中的應(yīng)用

基于分子電子傳感器的尋北儀系統(tǒng)與現(xiàn)有MEMS陀螺儀、石英傳感器尋北儀系統(tǒng)等相關(guān)尋北系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理不同，因此進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)也不相同，以下是具體設(shè)計(jì)內(nèi)容：

基于MET的尋北儀系統(tǒng)研究，主要內(nèi)容包括三部分，一部分是支撐整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的硬件系統(tǒng)，其主要包括實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能所需要的所有精密器件和平臺(tái)（具體包括分子電子傳感器、A/D轉(zhuǎn)換等），以及所需的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。而軟件部分，主要包括整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的軟件界面和功能實(shí)現(xiàn)展示，以及實(shí)現(xiàn)這些功能和軟件界面的代碼編程。第三部分主要是具體算法實(shí)現(xiàn)，一方面是進(jìn)行功能應(yīng)用開(kāi)發(fā)的算法，另一方面的用于精度誤差優(yōu)化的算法，具體包括建模分析等。

硬件部分主要發(fā)揮數(shù)據(jù)的采集、傳輸?shù)茸饔?，同時(shí)執(zhí)行軟件部分所發(fā)出的指令，以及算法部分的功能實(shí)現(xiàn)。硬件部分的開(kāi)發(fā)涉及內(nèi)容包括芯片的選型、整體系統(tǒng)的元器件內(nèi)容開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，控制平臺(tái)的機(jī)械誤差加工優(yōu)化。

5.總結(jié)

隨著軍事等高精尖領(lǐng)域的現(xiàn)代化發(fā)展，以及當(dāng)前嚴(yán)峻的國(guó)際形勢(shì)下，相比較之前的尋北技術(shù)，研究出一種低成本、快速、高精度陀螺尋北裝置，并且有著較高發(fā)展?jié)摿Φ男路较蛞呀?jīng)成為了亟待解決的問(wèn)題。分子電子傳感技術(shù)就是在尋北技術(shù)領(lǐng)域擁有較高潛力的新方向，因其器件的特殊性能，使它具有高精度，穩(wěn)定性好，低功率消耗，低的測(cè)量時(shí)間，低成本，小體積，較高的集成性，也能完全獨(dú)立工作等多方面優(yōu)勢(shì)。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：王磊，男，漢族 ，山東省煙臺(tái)市人，成都理工大學(xué)本科生，研究方向：人工智能、區(qū)塊鏈應(yīng)用等.

項(xiàng)目基金：2019年國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)：201910616012.