CC BY
72МИКРО- И НАНОСИСТЕМНАЯ ТЕХНИКА
УДК [531.768+62.752.4]:[629.1+629.7.05]
Применение МЭМС-сенсоров в системах навигации и ориентации подвижных объектов
С.П. Тимошенков, А.П. Кульчицкий Национальный исследовательский университет «МИЭТ»
Рассмотрены параметры известных МЭМС, показано перспективное построение систем ориентации на их основе. Исследовано влияние суммарной ошибки погрешностей измерительных систем на точность определения параметров движения объекта автономной системой ориентации.
Ключевые слова: микромеханика, микроэлектромеханические системы, датчик угловой скорости, угловая скорость, акселерометр, навигация, ориентация.
В настоящее время область применения микроэлектромеханических систем (МЭМС) достаточно широка. Наиболее востребованными в автомобильной технике, бытовых приборах, телекоммуникационных устройствах и изделиях, а также в военной, специальной, аэрокосмической и других отраслях являются датчики давления, акселерометры, микрофоны, датчики угловых скоростей (ДУС), реле и т.п. МЭМС по сравнению с другими аналогичными приборами имеют малые массогабаритные размеры, достаточно высокие метрологические и эксплуатационные характеристики, малое энергопотребление и низкую стоимость. Недостатками являются относительно большие составляющие шумового сигнала, случайный дрейф нуля, а для некоторых типов датчиков - значительная зависимость точностных характеристик от температуры. Несмотря на это, МЭМС завоевали популярность во многих сферах применения, что привело к существенному увеличению объемов их производства и продаж.
Востребованность МЭМС и систем на основе микроэлектромеханических датчиков. По прогнозу агентства IC Insights, ежегодное увеличение производства МЭМС к 2012 г. составит в среднем 27% годовых и достигнет 4,3 млрд шт., а увеличение объема рынка МЭМС - 19% годовых и достигнет отметки 9,7 млрд долл. США. На рис.1 приведены графики объемов производства и продаж МЭМС с 2002 г. до 2012 г. [1].
На сегодняшний день более двух десятков иностранных компаний занимаются разработкой и полномасштабным производством МЭМС. Хорошо известны компании Analog Devices, STMicroelectronics, Texas Instruments, Sony, Daisa Semiconductor, Silicon Sensing, Honeywell и т.д. [1]. Разработками в области микро- и наноэлектромеханиче-ских систем занимаются все крупные микроэлектронные компании, ведущие университеты, многочисленные предприятия и исследовательские коллективы. На российском рынке один из самых крупных иностранных поставщиков МЭМС - это Analog Devices, а научные исследования и разработки в данном направлении ведут такие предприятия,
© С.П. Тимошенков, А.П. Кульчицкий, 2012
Ют
2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 Рис.1. Объемы производства (-♦-) и продаж (- • -) МЭМС по годам [1]
как ОАО «Концерн «ЦНИИ "Электроприбор"», г. С.Петербург; ОАО «РПКБ», г. Раменское; ОАО «СКТБ РТ», г. В.Новгород; ОАО «НИИФИ», г. Пенза; ОАО «АНПП «Темп-Авиа», г. Арзамас; НПК «Технологический центр» (г. Москва), ОАО «ЗИТЦ», ОАО «Ангстрем» г. Зеленоград и т.д.
В автомобильной и авиационной промышленности востребованы автономные навигационные системы. Необходимыми элементами создания таких автономных систем ориентации и навигации являются инерциальные микроэлектромеханические датчики угловых скоростей (МЭМ ДУС) и акселерометры. По прогнозу журнала «Electronic Engineering Times Europe», объем реализации МЭМ ДУС, акселерометров и компасов для систем ориентации и навигации и мобильных телефонов возрастет от 847 млн долл. в 2009 г. до 2,5 млрд долл. в 2015 г. [2]. На рис.2 представлен рост объема реализации и области применения МЭМС-сенсоров.
100 500
Объем сбыта (Market), млн S
Рис.2. Рост объема сбыта и темпы роста МЭМ ДУС, акселерометров и компасов с 2009 г. до 2015 г. [2]
Одним из успешных российских разработчиков МЭМ ДУС и акселерометров является МИЭТ, который разработал и производит МЭМ ДУС с различными диапазонами измерения угловых скоростей (±50 °/с, ±100 °/с,......±2000 °/с, ±10000 °/с), МЭМ-акселерометры
с диапазонами измерения линейных ускорений: ±0,2 g; ±1,2 g; ..., ±100 g) и имеет все возможности для расширения номенклатуры и характеристик разрабатываемых приборов и
систем. В табл. 1 и 2 приведены некоторые характеристики МЭМ ДУС и акселерометров, разработанных в МИЭТ и другими компаниями [3-5].
Таблица 1
Характеристики МЭМ ДУС
МЭМ ДУС Диапазон измерения, °/с Нелинейность, % Случайная составляющая нулевого сигнала, °/с Спектральная плотность шума, (°/с^Л/Гп
ММГК-50М1 (МИЭТ) ±400 <1 до 0,2 0,03 0,025
ADIS16120 (Analog Devices) ±300 0,04 0,005 0,020
LY330ALH (STMicroelectroшcs) ±300 1,0 0,02 0,014
CRS09- 01 ^Штоп Sensing) ±200 0,1 0,03 (0-30 Гц) -
Характеристики МЭМ-акселерометров Таблица 2
МЭМ-акселерометр Диапазон измерения, g Нелинейность, % Спектральная плотность шума, g/ ^/Гц Количество осей
ММА (МИЭТ) ±1,2 0,5 0,110-3 1
ADXL213 (Analog Devices) ±1,2 0,5 0,16-10-3 2
LIS344ALH (STMicroelectroшcs) ±2 0,5 0,05 •Ю-3 3
Влияние погрешностей МЭМС в системах навигации. Анализируя характеристики измерительной системы, построенной на элементах МЭМС, следует понимать возможности и условия их применения для алгоритмов навигации. Для построения автономной системы ориентации и навигации необходимо знать параметры движения объекта, характеристики измерительной системы и их погрешности. Учитывая, что измерительная система находится в подвижном объекте, т.е. показания различных датчиков снимаются относительно связанной системы координат (СК), возникает необходимость перевода их в инерциальную СК. Переход от связанной СК в инерциальную СК производится с помощью матрицы перехода А:
Ь = А • ,
где вектор Ь - измеряемые параметры системы (ускорение, направление и т.д.); I и S - проекции компонентов вектора Ь в инерциальной и в связанной СК соответственно.
Компоненты матрицы перехода ау могут быть углами Эйлера, компонентами кватерниона и т.д. Следовательно, определение углов ф(ф,у,у) сводится к вычислению интеграла от функции угловой скорости / {№„ ) поворота связанной СК:
п п
Фп =\ / (*п ¥ ¥
г
г
п-1
п-1
где ) - погрешность измерения угловой скорости поворота связанной СК,
1п = *п-1 *0 = 0 .
Скорость движения Уп и координаты гп объекта относительно инерциальной СК вычисляются по формулам:
V = К-1 +\ ^ + /Фп, Фп ,
?п-1 ?п-1
1п 1п 1п
Гп = Гп-1 + \Vn-xdt + \\7пж + Лб(7я, Фп М,
*п-1 *п-1 *п-1
где Зп - проекция вектора ускорения в инерциальной СК; ъ(зп, фп) - погрешность, связанная с измерением ускорения и угловой скорости; V и г0 - начальные параметры, установленные или полученные с внешнего «точного» источника, в момент времени ?0. Учитывая, что ошибки суммируются [6], получим суммарные ошибки:
)=£/Фп, Фп М, (1)
1 1п-1
п 1п
8(Гп )=1Я5(7п,ФпМ . (2)
1 1п-1
Формулы (1) и (2) показывают, что суммарная ошибка выходных параметров со временем увеличивается и, следовательно, автономные системы ориентации и навигации на МЭМС-сенсорах необходимо периодически корректировать. Период коррекции может зависеть как от получения необходимой точности параметров движения, так и от многих внешних параметров, например периода поступления данных, необходимых для коррекции получаемых параметров, возможности вычислительного аппарата и т.д.
Использование в системах навигации и ориентации дополнительных различных датчиков, например датчиков давления (для автономного определения высоты объекта), магнитометров (компасов) и т.д., а также проведение математических вычислений кинематических параметров высокопроизводительным вычислителем, позволяют уменьшить ошибку определения параметров движения объекта.
Применение систем навигации на МЭМ-датчиках российскими разработчиками. Учитывая возрастающую потребность в малогабаритных системах навигации, многие разработчики производят изделия на основе МЭМС, интегрируя их со спутниковой навигационной системой. Так, НПО «ПРОГРЕСС» разработал инерциальную интегрированную с GPS/Глонасс спутниковую навигационную систему (ИНС) «ГЛИССАДА-СБ2», представляющую собой малогабаритный навигационный комплекс для определения и передачи навигационных данных, курсоуказания, ориентации и параметров движения транспортных средств. В данной системе с помощью микромеханических сенсоров обеспечивается определение местоположения объекта во время пропадания сигнала с навигационного спутника [7]. ООО «ТеКнол» разработал линейку малогабаритных интегрированных навигационных систем (МИНС) на МЭМС-сенсорах, интегрированных с GPS/Глонасс: «КомпаНав-2Т» - МИНС предназначена для определения координат, углов ориентации и параметров движения наземного
транспорта; «КомпаНав-2», «КомпаНав-3» и «КомпаНав-5» - МИНС предназначены для определения полного набора навигационных данных (углов крена, тангажа, курса, угловых и линейных скоростей и т.д.) в беспилотных летательных аппаратах [8, 9]. ЗАО «КБ НАВИС» на базе производимых навигационных модулей СН4701 и СН4706 ведет разработку навигационных систем на МЭМС-сенсорах для автомобильного транспорта [10]. Институт космических исследований РАН разработал линейку интегрированных приборов астронавигации с МЭМС-сенсорами БОКЗ-М, что позволило уменьшить массогабаритные характеристики измерительного комплекса системы ориентации космического аппарата. Информация, сформированная по показаниям МЭМС-сенсоров угловой скорости, позволяет повысить надежность и скорость распознавания звезд астроприбором после засветки оптического канала Солнцем или при больших угловых ускорениях [11]. Разработку аналогичного прибора астронавигации также ведет ОАО НПК «Геофизика-Космос»[12].
Во всех перечисленных системах ориентации и навигации применяются импортные МЭМС-сенсоры.
Использование МЭМ ДУС и МЭМ-акселерометров в короткоживущих и периодически корректируемых автономных системах ориентации и навигации является одним из самых перспективных направлений применения данных МЭМС-сенсоров.
Существующая на сегодняшний день линейка разработанных МИЭТ МЭМС ДУС и МЭМС-акселерометров и их характеристики позволяет создавать автономные системы навигации и ориентации для периодически корректируемых изделий не только общего, но и специального назначения в отечественной авиационной, космической и оборонной промышленности.
Ведутся исследования по улучшению характеристик МЭМС-сенсоров с целью разработки автономных навигационных приборов с более высокими точностными характеристиками, чем существующие на сегодняшний день.
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России на оборудовании ЦКП «МСТ и ЭКБ» на базе Национального исследовательского университета «МИЭТ».
Литература
1. Электронное СМИ "ЗДНьюс" (3DNews Daily Digital Digest). - URL:www.3dnews.ru/ (дата обращения: 17.10.2011).
2. Happich J. Inertia l sensor market to grow 20.3% annually to reach $2.56B in 2015 // Electronic Engineering Times Europe. - 2011. - March. - P. 11.
3. Официальный сайт компании STMicroelectronics. - URL:www.st.com/ (дата обращения: 17.10.2011).
4. Официальный сайт компании Silicon Sensing. - URL:www. siliconsensing.com/ (дата обращения: 17.10.2011).
5. Официальный сайт компании Analog Devices. - URL:www. analog.com/ (дата обращения: 17.10.2011).
6. ТейлорДж. Введение в теорию ошибок. - М.: Мир, 1985. - 272 с.
7. Официальный сайт НПО «ПРОГРЕСС» - URL:www.e-navigation.ru/ (дата обращения: 02.11.2011).
8. Официальный сайт ООО "ТеКнол". - URL:www.teknol.ru/ (дата обращения: 02.11.2011).
9. Интернет-портал "Оружие России". - URL:www.arms-expo.ru/ (дата обращения: 02.11.2011).
10. Борсук О.А. Навигационные модули для построения связных систем мониторинга наземного транспорта // Новости навигации. - 2007. - № 3. - С. 24-29.
11. Аванесов Г.А., Бессонов Р.В., Дятлов С.А. Интегрированные приборы определения параметров движения космического аппарата // Современные проблемы ориентации и навигации космических аппа-
ратов: материалы Второй Всерос. науч.-техн. конф. (Таруса, 13-16 сентября 2010 г.). - Таруса: ИКИ РАН, 2010. - С. 6, 7.
12. Федосеев В.И., Титов Г.П. Об информационном комплексировании приборов звездной ориентации и гиросредств на космическом аппарате. Всероссийская научно-техническая конференция // Современные проблемы ориентации и навигации космических аппаратов: материалы Всерос. науч.-техн. конф. (Таруса, 22-25 сентября 2008 г.). - Таруса: ИКИ РАН, 2008. - С. 14, 15.
Статья поступила 2 декабря 2011 г.
Тимошенков Сергей Петрович - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой микроэлектроники МИЭТ. Область научных интересов: разработка и технология изготовления НЭМС и МЭМС.
Кульчицкий Андрей Петрович - соискатель кафедры микроэлектроники МИЭТ. Область научных интересов: электроника, схемотехника приборов специального и космического назначения, микромеханика. E-mail: ankkap@mail.ru
ОПЕЧАТКИ
В журнале «Известия вузов. Электроника» №4 (96)^2012 допущены опечатки.
В кратком сообщении «Оценка погрешности дифференциального емкостного датчика перемещений» авторов Топильский В. Б., Бажанов Е. И. на с. 89 перед списком литературы следует читать:
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ на оборудовании ЦКП «МСТ и ЭКБ» на базе Национального исследовательского университета «МИЭТ».
В кратком сообщении «Исследование статистических характеристик емкостного преобразователя линейного ускорения на базе микросхемы отечественного производства» авторов Тимошенков С.П., Шалимов А.С., Кочурина Е.С., Наинг С.М., Бушнак А.Р. на с. 92 перед списком литературы следует читать:
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (Договор № 27-10/2577/2006/908 от 26. 08.2010 с ОАО «Темп») в рамках реализации Постановления правительства РФ от 09.04.2010 № 218 « О мерах государственной поддержки развития кооперации Российских высших учебных заведений и организаций, реализующих комплексные проекты по созданию высокотехнологичного производства» (Договор № 13.G25.31.0098/2557 от 22.10.2010) на оборудовании ЦКП «МСТ и ЭКБ» на базе Национального исследовательского университета «МИЭТ».
В журнале «Известия вузов. Электроника» №5 (97)^2012 допущены опечатки.
В статье «Построение монолитных ИС многоразрядных фазовращателей СВЧ-диапазона с улучшенными точностными характеристиками» авторов Елесин В.В., Назаров Г.Н., Усачев Н.А., Чуков Г.В., Сотсков Д.И., Репин В.В., Мухин И.И. на с. 37 перед списком литературы следует читать:
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ на оборудовании ЦКП «МСТ и ЭКБ» на базе Национального исследовательского университета «МИЭТ».
