作者:沈春蕾 来源:中国科学报 发布时间:2024/2/27 18:45:30
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比硬币小,国产新一代激光陀螺仪专用芯片问世

 

陀螺仪是一种能够精确确定运动物体方位的仪器,是在现代航空,航海,航天和国防工业中广泛使用的一种惯性导航仪器。如今在自动驾驶、工业自动化、机器人、轨道交通等民用领域,激光陀螺仪也成为高精度测量和定位的重要传感器。

近日,我国自主研发的新一代激光陀螺驱动系列功能芯片在湖南二零八先进科技有限公司(以下简称二零八公司)问世。

“相比行业内普遍应用的上一代激光陀螺驱动控制电路,这款激光陀螺驱动专用芯片降低了电路设计难度,大幅减小体积重量,实现了我国激光陀螺仪电路的低成本国产化。”二零八公司创始人卢广锋告诉《中国科学报》。

二零八公司成立于2019年,核心团队来自于国内某激光陀螺研究所,曾在领域内深耕激光陀螺40余年,是国内为数不多通过自主研发实现激光陀螺批产的团队。

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新一代激光陀螺仪专用芯片 受访者供图

无可替代的重要传感器

以激光陀螺仪为核心部件的导航系统是一种惯性导航系统。不同于大家耳熟能详的GPS、北斗等卫星导航系统,惯性导航系统的出现比卫星导航系统早半个多世纪。

20世纪60年代,美国率先成功研制出激光陀螺仪,随后在世界范围内引发了一场导航领域的革命。在相当长的一段时间内,激光陀螺仪相关产品与技术一直被西方国家实施技术封锁。

1994年,在国防科技大学光电科学与工程学院教授、中国工程院院士高伯龙的带领下,我国研制出第一台激光陀螺仪,成为全球第四个可独立研制激光陀螺仪的国家。

“卫星导航系统可以实现与惯性系统的组合导航,进一步提高导航系统的精度,但却不能完全替代惯性导航系统。”卢广锋表示,惯性导航系统不仅能够提供位置信息,还能解析载体姿态信息,实现卫星导航系统无法实现的功能。由于惯性系统不需要任何外部信息源,可以在深海、深空等各种场景下随时作业,并且能够抵抗电子干扰,在GPS等卫星导航系统失效的情况下仍可保持工作。

低成本、高精度、小体积是惯性导航系统未来的发展趋势,激光陀螺仪等惯性器件已成为无可替代的重要传感器,其技术水平也是衡量一个国家工业技术发展水平的重要标志之一。

“刚开始创业的时候并没有想好接下来要做什么,只是觉得自己还年轻有时间干一番事业。思考了好久后发现以激光陀螺仪为代表的高性能惯性器件技术壁垒较高,国内专门从事这一领域研发的企业并不多,我可以用自己的微薄之力为行业进步做出一些贡献。”卢广峰向记者介绍了自己创业的初衷。

降低成本,提高易用性

据悉,激光陀螺仪主要由控制电路和传感器本体两部分组成,其中,控制电路是激光陀螺仪的“大脑”,是激光陀螺仪性能与可靠性最为复杂的一部分,也是降成本和提高易用性的主要突破点之一。

卢广锋表示,上一代激光陀螺驱动控制电路采用分立器件形式,不仅体积大,而且需要生产商购买上百类零件自行组装,造成统一标准缺失、集成度低、成本高等问题。

为弥补激光陀螺仪的上述缺陷,推动国产化器件普及,二零八公司的技术团队在前期积累基础上,用了两年多时间,成功研制出新一代激光陀螺驱动系列功能芯片。

“该系列芯片由5枚独立功能芯片组成,分别实现激光陀螺的高压启辉、高压维持、精密稳流、抖动驱动、稳频及锁区优化功能。”卢广锋介绍,相比上一代激光陀螺驱动控制电路,专用系列芯片大大降低了电路设计的难度,体积减小三分之一,成本降低一半,进一步推动了激光陀螺仪的低成本国产化,为进一步拓展应用打开了空间。

谈及主要技术难点,卢广锋表示,不同于数字信号处理芯片,激光陀螺仪专用芯片是模拟信号的处理芯片,其中包含了最高3千伏的多路高压发生电路、纳安级的电流稳定电路等,每个模块功能不同,内部结构也大不相同,不仅开发难度比较大,研发成本也比较高。

“我们在整个开发的过程中经过了多次的设计和仿真、试验和改版,在反复设计迭代中不断优化能有了今天的结果。”卢广锋说,“芯片的研制成果与国内制造技术的进步有关,与产业链的配套成熟度有关,也与我们的一些最新设计方案突破有关,这些因素缺一不可。”

拓展民用领域应用市场

成立以来,二零八公司已经实现新一代激光陀螺仪、半球谐振陀螺仪,及高精度加速度计的技术研发、工程化和批量生产。2020年,二零八公司自主研发的2.5米大型激光陀螺仪原型机建造成功并实现闭环运转,填补了我国在大型激光陀螺建造领域的空白。

“激光陀螺仪是目前各型陀螺仪中综合指标较好的一款陀螺仪。相比可以对标的光纤陀螺仪,激光陀螺仪在多项关键指标上具备较大优势。”卢广锋指出,在解决价格过高、易用性较低两方面问题后,民用领域的应用有望得到拓展。

当前,在轨道交通领域,高精密的高铁轨道检测市场需求正在逐步打开;在工业自动化领域,激光陀螺仪逐步开始应用于盾构机、石油钻井等。此外,随着微小型高集成度激光陀螺推出,成本的进一步降低让激光陀螺仪有望成为车载传感器之一,为无人驾驶汽车提供GPS缺失时的位置和姿态信息、与激光雷达进一步结合应用,为这个领域提供新的解决方案和控制策略。

然而,国内激光陀螺仪由于起步较晚,与光纤陀螺仪出现时差短,以及自身产能问题,加之技术门槛高、定价高以及易用性较差等原因,这些年来的市场应用一直没能大规模展开。

目前行业内对激光陀螺仪仍存在着传统认知和偏见使其市场推广面临挑战。卢广锋坦言:“虽然我们在技术方面已经达到了领先水平,但要赢得市场认可还需要有一个过程,这正是创业的魅力所在。”

 
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