西安航空工業自控所何福林：MEMS慣性技術與無人系統應用

來源：空天界

2023年12月11日至13日，以“時代使命 無限創新”為主題的第八屆中國航空創新創業大賽暨首屆中國空天科技企業家年會在北京大興國際機場臨空經濟區（廊坊）成功舉辦。本屆大賽由中國航空學會、商務部投資促進事務局、廊坊市人民政府、中國科協科學技術傳播中心、北京大興國際機場臨空經濟區(廊坊)管委會、“科創中國”聯合體、“科創中國”投資聯合體聯合主辦，同時召開由航空航天、軍工防務、先進制造等領域投資人參與空天企業年度投資對接會，旨在為優秀項目提供更多的發展機會和資源支持。

本次大會，特別邀請了中國航空工業西安飛行自動控制研究所微系統工程部副主任何福林參加，在大會上做了關于《MEMS慣性技術與無人系統應用》的演講。以下內容根據演講錄音整理發表。

現在廊坊外面正大雪紛飛，但我們懷著對無人機如火焰般的熱情坐在這里，非常高興在這樣的機會下跟大家分享《MEMS慣性技術與無人系統應用》。簡單介紹一下我們單位中國航空工業西安飛行自動控制研究所，隸屬航空工業集團，地處西安，主要的專業方向是飛控/導航/制導通用技術。

今天匯報主要內容主要分為四個部分，第一部分是智能傳感與MEMS技術的概述，如果大家平時關注的話，會知道這是近幾年在產業方向上非常熱門的一個點。根據GB/T7665對傳感器的定義，傳感器是指能感受備測量并按照一定的規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成。智能傳感器實際上是在這個基礎上，根據GB/T33905.3定義為具有與外部系統雙向通信手段，用于發送測量、狀態信息，接收和處理外部命令的傳感器。簡言之，智能傳感器是集傳感單元、通信芯片、微處理器、驅動程序、軟件算法等于一體的系統級產品，具有信息采集、處理、交換、存儲等功能。智能傳感器是包含信息處理裝置的傳感器，傳感器是智能傳感器必不可少的一個組成部分。

在2019版《智能傳感器型譜體系與發展戰略白皮書》中提到了11個重點技術發展方向，實際上也是卡脖子的技術。前5項基本上都跟MEMS技術相關，包括MEMS陀螺、磁傳感器、超聲波傳感器器、壓力傳感器等。因此在國家層面，從2015年到2023年陸續出臺了相關一系列的政策，對相關產業進行相應的扶持。

結合今天主要介紹傳感器的主題，主要講一下慣性傳感器體系。首先是陀螺儀，這里所說的陀螺主要包括光纖陀螺、激光陀螺、壓電陀螺和半球諧振陀螺，這些基本上是屬于中高精度的陀螺儀，單價相對來說也會比較貴。通常主要用于軍用，飛機、艦船、坦克、火炮、衛星、導彈等慣性導航制導、姿態測量與控制。MEMS陀螺儀的主要特點有兩個，一是微小型化，二是低成本，能夠用于中低端慣性市場。在消費電子、汽車電子、工業電子以及國防軍工領域，MEMS陀螺儀正在逐步的應用。

加速度計主要包括石英撓性加速度計、光纖加速度計以及壓電式加速度計。這塊跟高精度陀螺儀配套后形成慣性導航系統和制導系統，用于導彈、飛機、艦船、戰車等導航制導測量速度和位置信息。MEMS加速度計，同樣有微型化、價格低的優勢，可以大量應用于消費電子、汽車電子、工業電子、醫療電子以及航空航天、國防軍工領域。實際上目前在航空航天領域里一些消耗類型的裝備上也開始大量應用。

因此可以看出，MEMS在智能傳感器中占據了重要地位。智能傳感器的核心組件包括傳感器和執行器兩大類，以MEMS為代表的智能傳感器是傳感器的主要的發展方向之一。典型的以MEMS技術為主的智能傳感器及其組件包括MEMS陀螺儀、MEMS加速度計，還有壓力傳感器等，這幾項產品在618所也都有相應的研制和生產。

MEMS陀螺可能相對來說了解的人較多，它主要用于檢測載體的角運動，基于科氏力效應來檢測角速率。MEMS加速度計主要基于牛頓第二定律來檢測載體的加速度。MEMS壓力傳感器主要基于基于諧振或壓阻效應來檢測空氣壓力變化，主要用于壓力和高度的測量，可用于大氣數據系統、慣導系統、組合導航系統等。

第二部分是無人系統中的智能傳感技術。目前所說的無人系統主要包括空中無人系統、地面無人系統、水面無人系統、水下無人系統。在各類無人系統中用到的傳感器包括慣性傳感器、壓力傳感器、磁傳感器以及光學傳感器。

從國內傳感器的市場規模及產業結構的角度分析，中商產業研究院發布的《2024-2029年中國智能傳感器市場調查與行業前景預測專題研究報告》顯示，2022年中國智能傳感器市場規模達到1190.2億元，較上年增長16.64%。分析師預測，2023年中國智能傳感器市場規模將增至1429.6億元，2024年將增至1643.1億元。從產品結構來看，2022年壓力傳感器占比最高的，市場份額達到18.6%；圖像傳感器、位置（含慣性傳感器）傳感器分列二、三位，分別占比13%和10.1%。

我們可以清楚的看到在無人系統中關鍵技術之一是GNC技術，包括無人車、無人機、無人艇、無人潛航器。GNC技術簡單來說G就是Guidance制導，利用導航信息和其它參考信息，解決載體準確、按時導向目標問題——也就是解決“往哪去”的問題；N是Navigation導航，提供載體位置、姿態、航向和速度等信息，解決載體精確定位問題 ——解決“在哪里”的問題；C是Control控制，控制操縱面使載體按照期望的姿態和軌跡運動，解決載體的穩定與操縱問題——解決“怎么去”的問題，實際上GNC技術也是618所主要的專業方向。慣性傳感器在各類無人系統中均起到關鍵作用，是無人系統中最為重要的傳感器之一。無人機中各類慣性傳感器及導航系統的應用已逐步形成產業化模式。

典型的無人機系統由飛行器平臺分系統、信息傳輸分系統、地面測控分系統、任務載荷分系統、地面保障設備五部分組成。我們從典型的無人機系統組成中可以看到，包括INS/GPS裝置的組合導航系統應該說是作為中大型或中小型的無人機里必不可少的關鍵設備。從產業鏈的結構來看，包括陀螺儀在內的傳感器是作為無人機重要的也是關鍵的零部件，它主要集成到慣導以及航天系統里。

無人機軍民融合的屬性非常強，石靜敏老師也介紹了民用無人機相關很多的產業方向，民用無人機是無人機最具活力的增長領域。隨著應用場景的不斷拓寬和技術門檻的不斷放低，預計未來十年，民用市場的增速將快于軍用市場。預計到2025年民用市場規模將達到1800億，年均增速25%以上，若以此增長率測算，預測到2026年我國的民用無人機市場規模約達到2250億。

從典型的傳感器、無人機的飛控系統以及相關的分系統的組成中，我們可以看到傳感器集成到導航系統里面之后是無人機核心的導航信息源，也是飛控決策的關鍵信息。因此以無人機應用為例可以一窺智能傳感器在無人系統領域的產業機遇。

第三部分簡單介紹MEMS慣性技術在無人機的應用。慣性導航相比于衛星導航等其他導航方式，它是一種不依賴于外部信息、也不向外部輻射能量的自主式導航系統，這實際上也是它最大的優點，因此也可以叫它無人機的“小腦”，無人機的“大腦”應該是飛控系統。慣性導航通過陀螺儀、加速度計等傳感器來感知并計算以獲得無人機實時的位置、速度、姿態、角速率、加速度等重要導航信息。

在MEMS慣性技術體系中從前到后來看，它的前端從晶圓級開啟，做晶圓MEMS相關的加工工藝形成芯片級，進行封裝之后到傳感器也就是器件級的產品，器件級進行系統集成之后達到系統級的組合導航或航姿類產品。目前在國內，做慣導系統集成或航姿的公司、單位遍地都是，但有IDM模式覆蓋MEMS慣性技術全流程能力是屈指可數的，這里相關產業投入和技術門檻還是相對比較高。

最近這幾年中小型無人機的導航系統解決方案，形成了固定的模式。按照現在的經驗，高價值無人機主要面向復雜戰場環境，有高冗余、安全性的要求，所以通常會配置光纖慣導或激光慣導，加上光纖航資載加MEMS慣導，形成一套高冗余高安全的導航系統的方案。對于中等價值的無人機，它面向一般戰場環境，也有較高冗余、安全性的要求。

這樣的情況下，典型的配置是光纖航資系統加上MEMS慣導系統，這里的航資或慣導不是類型的劃分而是精度等級的劃分。面向低成本的無人機，以及現在越來越多的巡飛器類產品，它面向小型、蜂群等批量裝備場景，有可消耗、可以適當的放寬冗余的要求，會更傾向于以MEMS去作配套，包括MEMS慣導加MEMS航姿，甚至是單獨的MEMS航姿，這個方案可能價格非常低。

舉一個例子，是618所的一種尾座式垂直起降無人機導航系統。導航系統是主+備MEMS導航系統架構的方案，實際上通過MEMS組合導航系統加上MEMS航姿形成導航方案，具備慣性/衛星組合導航+短時純慣性導航+航姿導航多種導航模式，能夠保證無人機的任務執行，同時也達到低成本、小體積，高可靠性的要求,目前在各種方向推廣應用。

從產業方向上來看，618所目前在無人系統和智能傳感兩個產業方向上進行大力的投入和扶持。在無人系統方向，主要關注的是中小型垂起無人機、蜂群、無人機用小型制導彈、電動垂直起降飛行器eVTOL。40公斤無人機之前定義成小型的無人機，看石老師的報告現在已經定義成中型無人機了，當然現在我們也已通過狀態鑒定，已形成獨立出口立項。在智能傳感方向，我們整合了光纖陀螺的產業平臺。

618所之前跟北航合作在北京建有中航捷銳，現在中航捷銳要回遷到西安，之后形成產業園。在MEMS產業上，我所在的微系統工程部，實際上要整合成立一家名叫精微科技的公司，新建一條6寸產線。在西安市的西咸新區灃東新城，整個建設一個智能傳感產業園。

第四部分展望。隨著國內集成電路產業的快速發展，MEMS產業鏈逐步完善?，F在去買的很多設備實際上都是集成電路產業上一些淘汰下來的二手設備，供MEMS產業去進行使用。在這個方向上還是要通過IDM模式去整合，包括設計、制造、封裝測試等各個環節。

MEMS產業發展方發展趨勢上，“科創板”設立將直接促進了MEMS產業發展，2023年已經有業內的公司上市了。國內MEMS產業在“機遇和挑戰”中穩步前進，同時可以看到是機遇大于挑戰。在目前的行業形勢下，“智能化、微型化、集成化”的趨勢非常明顯。

高精度MEMS傳感器慣性傳感器的發展趨勢，現在主要是單軸產品，但實際上往后發展是往3軸、6軸、9軸，甚至10軸的方向去集成。包括MEMS傳感器典型MCM集成方案或者是MEMS與ASIC晶圓直接鍵合的異構混合集成SOC方案。在系統技術應用上，現在是自我感知，要向態勢感知的方向去發展、進化，也就是解決從“在哪里”到現在“做什么”，下一步可能要去做到的“是什么”?，F在單獨的智能傳感器主要用于去感應，后端要通過算法進行認知、然后進行相應的決策以及執行。

智能無人系統的發展趨勢是，無人機已經成為主力作戰裝備，無人作戰、蜂群、忠誠僚機是主要方向。異構多無人系統協同的發展需求，就是空地協同、空海協同、水面水下協同，異構無人系統之間的緊密配合協同，可進一步壓縮定位、識別、跟蹤和摧毀的殺傷鏈。

隨著智能無人系統在協同化、集群化、小型化、智能化方向的發展，結合隱身、抗干擾等要求，具有自主性的智能傳感器如慣性、壓力傳感器等將在未來智能無人系統的發展中起到更加重要作用！后續希望有更多的機會，跟業內相關優秀的單位和企業共同去探討合作，謝謝大家。

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審核編輯 黃宇