分子電子傳感器的陀螺尋北儀研究

王磊 趙威

摘 要：為順應社會的發展要求，研究開發出一種成本低、精度高、尋北速度快、穩定性好的尋北儀是一個比較亟待解決的問題。而不包含任何精密機械零件或彈簧，并且制造比較簡單和便宜的分子電子傳感器，可以解決傳統尋北儀依靠精密機械零件和相關傳感器的影響。本文首先概述了尋北儀的國內外研究現狀，并介紹了分子電子傳感器原理，以及在尋北儀器中的應用。

關鍵詞：分子電子傳感技術;尋北儀;MET傳感器

1.引言

隨著科學技術的快速發展與社會經濟的不斷進步，各領域對尋北儀的要求也越來越高。由于傳統尋北儀定位精度、體積形狀以及周圍環境的影響等限制，已經不能滿足前沿科技的需求。尤其在現階段，軍事、航天、航空技術的大力發展、交通發展所帶來的隧道挖掘、大地測量，以及能源需求所帶來的油氣探測、礦山開采。所以，開發出一種成本低、精度高、尋北速度快、穩定性好的尋北儀是一個比較亟待解決的問題。

2.國內外研究現狀

尋北儀主要分為陀螺尋北儀和非陀螺尋北儀兩大類，其中國內研究的慣性尋北技術主要在調動陀螺方面。基于旋轉調制技術的陀螺尋北技術是白云超所介紹的一種尋北技術，該技術需要在輸出信號平穩可用的前提下，即通過保證小型精密轉臺的旋轉來穩定精度，而能夠保證這樣苛刻的條件卻很少，所以這點就限制了該技術的推廣與運用[1]。賈智學所進行的撓性陀螺尋北儀解算方法研究，利用相比較其他類型陀螺有體積小、成本低的撓性陀螺，進行誤差模型的建立，得到該高性價比的陀螺尋北系統只能夠滿足中低精度尋北精度的需求[2]。薛海建也提出過一種任意二位置陀螺尋北模型，該模型利用一種可調雙參數的閾值函數提高尋北精度，這種消噪函數不需要分段取值，簡單的表達式可以較大的提高計算速度，在一定程度上節省了尋北的時間[3]。在光纖陀螺尋北儀中，李險峰通過加速度對擺動角進行補償，使得即使在劇烈擺動的情況下，也能得到比較穩定的尋北結果[4]。隨著時間的推移，我國在尋北領域里已經有了很大的提升，與發達國家在系統精度與穩定性的差距也變得越來越小。

國外在慣性技術上有著較為深入的研究和應用，相比較國內的尋北技術，國外對磁技術與尋北儀之間也進行了結合，并實現了較高精度的尋北，其中比較著名的有一種低頻磁尋北技術以及在磁尋北技術上研究出口的一種便攜式跟蹤系統。在當今工程中應用比較廣泛的陀螺精確尋北方法也是利用磁技術所進行的，該方案是根據磁方位來確定陀螺經緯儀的原始方位，在這基礎上再進行精確的陀螺尋北[5]。除了磁技術在尋北上的應用，國外還有利用旋轉矢量進行誤差補償，進而研究出一種基于嵌入式微處理器的尋北系統，隨著對旋轉更深層次的研究，更是對在錐運動條件下的算法進行優化，進一步減小誤差影響，提高尋北精度。

根據上面的描述，可以清楚的了解到國外的主要深入的研究方向使慣性技術，而國內在陀螺尋北技術中有著較多的研究。但是隨著各領域現代化程度越來越高，原來研究方向的尋北系統研究已經達到了瓶頸，尋找新的方向進行尋北技術的提高已經迫在眉睫。

3分子電子傳感器

現階段，分子電子傳感技術在國外的研究較少，在國內幾乎沒有，2014年國外曾發表了一篇基于分子電子傳感技術的微型地震儀，經過仔細的研究之后，發現分子電子傳感器（MET）相比較其他慣性傳感器，該傳感器利用的是液體電解質作為慣性質量。因為利用的是分子電子技術，區別于其他高精度的傳感器，不需要精密的彈簧和機械零件，這會大大的降低制造成本。相比于現階段的尖端尋北技術中光纖陀螺儀和環形激光陀螺儀，分子電子傳感器本身所具有的低噪聲以及高信號放大率使得能夠它們能夠在同一級別上[6]。

根據資料查詢了解到，將分子電子傳感技術應用到尋北儀上，在國內是較為前沿，在國外也是處于研究階段，因為在全世界上整個分子電子傳感技術的研究成熟是近幾年才有的突破性發展，所以在尋北儀上運用分子電子傳感技術有著重要的意義。借助于MET電化學傳感器的非磁性方位檢測，無電磁干擾和偏差的影響;結合高靈敏的角傳感器，還有獨特的校正算法，具有較高的集成性，可與現有的一些探測設備和儀器進行集成開發，也可單獨開發成導航尋北儀器。

基于分子電子傳感技術制作的傳感器，因其傳感器內部采用電化學原理，具體低功耗，且能降低成本。在實際應用中受噪聲干擾小，且精度更高，符合高精尖領域的尋北儀開發要求。與現有的很多商業傳感器相比，具有明顯優勢。

4.分子電子傳感技術在尋北儀器中的應用

基于分子電子傳感器的尋北儀系統與現有MEMS陀螺儀、石英傳感器尋北儀系統等相關尋北系統結構原理不同，因此進行系統開發設計也不相同，以下是具體設計內容：

基于MET的尋北儀系統研究，主要內容包括三部分，一部分是支撐整個系統實現的硬件系統，其主要包括實現系統功能所需要的所有精密器件和平臺（具體包括分子電子傳感器、A/D轉換等），以及所需的驅動系統。而軟件部分，主要包括整個系統實現的軟件界面和功能實現展示，以及實現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現，一方面是進行功能應用開發的算法，另一方面的用于精度誤差優化的算法，具體包括建模分析等。

硬件部分主要發揮數據的采集、傳輸等作用，同時執行軟件部分所發出的指令，以及算法部分的功能實現。硬件部分的開發涉及內容包括芯片的選型、整體系統的元器件內容開發設計，控制平臺的機械誤差加工優化。

5.總結

隨著軍事等高精尖領域的現代化發展，以及當前嚴峻的國際形勢下，相比較之前的尋北技術，研究出一種低成本、快速、高精度陀螺尋北裝置，并且有著較高發展潛力的新方向已經成為了亟待解決的問題。分子電子傳感技術就是在尋北技術領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，穩定性好，低功率消耗，低的測量時間，低成本，小體積，較高的集成性，也能完全獨立工作等多方面優勢。

參考文獻

[1] 武俊兵. 基于MEMS陀螺儀的尋北定向關鍵技術研究及其系統實現[D].電子科技大學，2015.

[2] 賈智學，張小凱，任佳婧.撓性陀螺尋北儀解算方法研究[J].航天控制，2017，35（01）：82-85.

[3] 薛海建，郭曉松，周召發，魏皖寧.激光陀螺任意二位置尋北儀及誤差分析[J].紅外與激光工程，2015，44（06）：1784-1789.

[4] 李險鋒，楊海忠.基于四位置法旋轉調制尋北儀的軸向擺動分析[J].科學技術與工程，2012，12（29）：7799-7802.

[5] 王亞江. 自動陀螺經緯儀高精度定向研究及軟件開發[D]. 解放軍信息工程大學， 2012.

[6] 劉曉慶. 基于雙輸入/輸出雙環諧振慢光角速度傳感器的研究[D]. 天津工業大學， 2018.

作者簡介：王磊，男，漢族 ，山東省煙臺市人，成都理工大學本科生，研究方向：人工智能、區塊鏈應用等.

項目基金：2019年國家級大學生創新創業訓練計劃項目（編號：201910616012.