陀螺儀是一種能夠精確確定運(yùn)動(dòng)物體方位的儀器，是在現(xiàn)代航空，航海，航天和國(guó)防工業(yè)中廣泛使用的一種慣性導(dǎo)航儀器。如今在自動(dòng)駕駛、工業(yè)自動(dòng)化、機(jī)器人、軌道交通等民用領(lǐng)域，激光陀螺儀也成為高精度測(cè)量和定位的重要傳感器。
近日，我國(guó)自主研發(fā)的新一代激光陀螺驅(qū)動(dòng)系列功能芯片在湖南二零八先進(jìn)科技有限公司（以下簡(jiǎn)稱二零八公司）問(wèn)世。
“相比行業(yè)內(nèi)普遍應(yīng)用的上一代激光陀螺驅(qū)動(dòng)控制電路，這款激光陀螺驅(qū)動(dòng)專用芯片降低了電路設(shè)計(jì)難度，大幅減小體積重量，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)激光陀螺儀電路的低成本國(guó)產(chǎn)化。”二零八公司創(chuàng)始人盧廣鋒告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。
二零八公司成立于2019年，核心團(tuán)隊(duì)來(lái)自于國(guó)內(nèi)某激光陀螺研究所，曾在領(lǐng)域內(nèi)深耕激光陀螺40余年，是國(guó)內(nèi)為數(shù)不多通過(guò)自主研發(fā)實(shí)現(xiàn)激光陀螺批產(chǎn)的團(tuán)隊(duì)。
新一代激光陀螺儀專用芯片 受訪者供圖
無(wú)可替代的重要傳感器
以激光陀螺儀為核心部件的導(dǎo)航系統(tǒng)是一種慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。不同于大家耳熟能詳?shù)腉PS、北斗等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的出現(xiàn)比衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)早半個(gè)多世紀(jì)。
20世紀(jì)60年代，美國(guó)率先成功研制出激光陀螺儀，隨后在世界范圍內(nèi)引發(fā)了一場(chǎng)導(dǎo)航領(lǐng)域的革命。在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，激光陀螺儀相關(guān)產(chǎn)品與技術(shù)一直被西方國(guó)家實(shí)施技術(shù)封鎖。
1994年，在國(guó)防科技大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院教授、中國(guó)工程院院士高伯龍的帶領(lǐng)下，我國(guó)研制出第一臺(tái)激光陀螺儀，成為全球第四個(gè)可獨(dú)立研制激光陀螺儀的國(guó)家。
“衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)與慣性系統(tǒng)的組合導(dǎo)航，進(jìn)一步提高導(dǎo)航系統(tǒng)的精度，但卻不能完全替代慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。”盧廣鋒表示，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)不僅能夠提供位置信息，還能解析載體姿態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能。由于慣性系統(tǒng)不需要任何外部信息源，可以在深海、深空等各種場(chǎng)景下隨時(shí)作業(yè)，并且能夠抵抗電子干擾，在GPS等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)失效的情況下仍可保持工作。
低成本、高精度、小體積是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，激光陀螺儀等慣性器件已成為無(wú)可替代的重要傳感器，其技術(shù)水平也是衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。
“剛開始創(chuàng)業(yè)的時(shí)候并沒(méi)有想好接下來(lái)要做什么，只是覺(jué)得自己還年輕有時(shí)間干一番事業(yè)。思考了好久后發(fā)現(xiàn)以激光陀螺儀為代表的高性能慣性器件技術(shù)壁壘較高，國(guó)內(nèi)專門從事這一領(lǐng)域研發(fā)的企業(yè)并不多，我可以用自己的微薄之力為行業(yè)進(jìn)步做出一些貢獻(xiàn)。”盧廣峰向記者介紹了自己創(chuàng)業(yè)的初衷。
降低成本，提高易用性
據(jù)悉，激光陀螺儀主要由控制電路和傳感器本體兩部分組成，其中，控制電路是激光陀螺儀的“大腦”，是激光陀螺儀性能與可靠性最為復(fù)雜的一部分，也是降成本和提高易用性的主要突破點(diǎn)之一。
盧廣鋒表示，上一代激光陀螺驅(qū)動(dòng)控制電路采用分立器件形式，不僅體積大，而且需要生產(chǎn)商購(gòu)買上百類零件自行組裝，造成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)缺失、集成度低、成本高等問(wèn)題。
為彌補(bǔ)激光陀螺儀的上述缺陷，推動(dòng)國(guó)產(chǎn)化器件普及，二零八公司的技術(shù)團(tuán)隊(duì)在前期積累基礎(chǔ)上，用了兩年多時(shí)間，成功研制出新一代激光陀螺驅(qū)動(dòng)系列功能芯片。
“該系列芯片由5枚獨(dú)立功能芯片組成，分別實(shí)現(xiàn)激光陀螺的高壓?jiǎn)⑤x、高壓維持、精密穩(wěn)流、抖動(dòng)驅(qū)動(dòng)、穩(wěn)頻及鎖區(qū)優(yōu)化功能。”盧廣鋒介紹，相比上一代激光陀螺驅(qū)動(dòng)控制電路，專用系列芯片大大降低了電路設(shè)計(jì)的難度，體積減小三分之一，成本降低一半，進(jìn)一步推動(dòng)了激光陀螺儀的低成本國(guó)產(chǎn)化，為進(jìn)一步拓展應(yīng)用打開了空間。
談及主要技術(shù)難點(diǎn)，盧廣鋒表示，不同于數(shù)字信號(hào)處理芯片，激光陀螺儀專用芯片是模擬信號(hào)的處理芯片，其中包含了最高3千伏的多路高壓發(fā)生電路、納安級(jí)的電流穩(wěn)定電路等，每個(gè)模塊功能不同，內(nèi)部結(jié)構(gòu)也大不相同，不僅開發(fā)難度比較大，研發(fā)成本也比較高。
“我們?cè)谡麄€(gè)開發(fā)的過(guò)程中經(jīng)過(guò)了多次的設(shè)計(jì)和仿真、試驗(yàn)和改版，在反復(fù)設(shè)計(jì)迭代中不斷優(yōu)化能有了今天的結(jié)果。”盧廣鋒說(shuō)，“芯片的研制成果與國(guó)內(nèi)制造技術(shù)的進(jìn)步有關(guān)，與產(chǎn)業(yè)鏈的配套成熟度有關(guān)，也與我們的一些最新設(shè)計(jì)方案突破有關(guān)，這些因素缺一不可。”
拓展民用領(lǐng)域應(yīng)用市場(chǎng)
成立以來(lái)，二零八公司已經(jīng)實(shí)現(xiàn)新一代激光陀螺儀、半球諧振陀螺儀，及高精度加速度計(jì)的技術(shù)研發(fā)、工程化和批量生產(chǎn)。2020年，二零八公司自主研發(fā)的2.5米大型激光陀螺儀原型機(jī)建造成功并實(shí)現(xiàn)閉環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)，填補(bǔ)了我國(guó)在大型激光陀螺建造領(lǐng)域的空白。
“激光陀螺儀是目前各型陀螺儀中綜合指標(biāo)較好的一款陀螺儀。相比可以對(duì)標(biāo)的光纖陀螺儀，激光陀螺儀在多項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)上具備較大優(yōu)勢(shì)。”盧廣鋒指出，在解決價(jià)格過(guò)高、易用性較低兩方面問(wèn)題后，民用領(lǐng)域的應(yīng)用有望得到拓展。
當(dāng)前，在軌道交通領(lǐng)域，高精密的高鐵軌道檢測(cè)市場(chǎng)需求正在逐步打開；在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，激光陀螺儀逐步開始應(yīng)用于盾構(gòu)機(jī)、石油鉆井等。此外，隨著微小型高集成度激光陀螺推出，成本的進(jìn)一步降低讓激光陀螺儀有望成為車載傳感器之一，為無(wú)人駕駛汽車提供GPS缺失時(shí)的位置和姿態(tài)信息、與激光雷達(dá)進(jìn)一步結(jié)合應(yīng)用，為這個(gè)領(lǐng)域提供新的解決方案和控制策略。
然而，國(guó)內(nèi)激光陀螺儀由于起步較晚，與光纖陀螺儀出現(xiàn)時(shí)差短，以及自身產(chǎn)能問(wèn)題，加之技術(shù)門檻高、定價(jià)高以及易用性較差等原因，這些年來(lái)的市場(chǎng)應(yīng)用一直沒(méi)能大規(guī)模展開。
目前行業(yè)內(nèi)對(duì)激光陀螺儀仍存在著傳統(tǒng)認(rèn)知和偏見(jiàn)使其市場(chǎng)推廣面臨挑戰(zhàn)。盧廣鋒坦言：“雖然我們?cè)诩夹g(shù)方面已經(jīng)達(dá)到了領(lǐng)先水平，但要贏得市場(chǎng)認(rèn)可還需要有一個(gè)過(guò)程，這正是創(chuàng)業(yè)的魅力所在。”
本文鏈接：比硬幣小，國(guó)產(chǎn)新一代激光陀螺儀專用芯片問(wèn)世http://m.sq15.cn/show-11-3318-0.html
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