西安航空工业自控所何福林：MEMS惯性技术与无人系统应用

来源：空天界

2023年12月11日至13日，以“时代使命 无限创新”为主题的第八届中国航空创新创业大赛暨首届中国空天科技企业家年会在北京大兴国际机场临空经济区（廊坊）成功举办。本届大赛由中国航空学会、商务部投资促进事务局、廊坊市人民政府、中国科协科学技术传播中心、北京大兴国际机场临空经济区(廊坊)管委会、“科创中国”联合体、“科创中国”投资联合体联合主办，同时召开由航空航天、军工防务、先进制造等领域投资人参与空天企业年度投资对接会，旨在为优秀项目提供更多的发展机会和资源支持。

本次大会，特别邀请了中国航空工业西安飞行自动控制研究所微系统工程部副主任何福林参加，在大会上做了关于《MEMS惯性技术与无人系统应用》的演讲。以下内容根据演讲录音整理发表。

现在廊坊外面正大雪纷飞，但我们怀着对无人机如火焰般的热情坐在这里，非常高兴在这样的机会下跟大家分享《MEMS惯性技术与无人系统应用》。简单介绍一下我们单位中国航空工业西安飞行自动控制研究所，隶属航空工业集团，地处西安，主要的专业方向是飞控/导航/制导通用技术。

今天汇报主要内容主要分为四个部分，第一部分是智能传感与MEMS技术的概述，如果大家平时关注的话，会知道这是近几年在产业方向上非常热门的一个点。根据GB/T7665对传感器的定义，传感器是指能感受备测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。智能传感器实际上是在这个基础上，根据GB/T33905.3定义为具有与外部系统双向通信手段，用于发送测量、状态信息，接收和处理外部命令的传感器。简言之，智能传感器是集传感单元、通信芯片、微处理器、驱动程序、软件算法等于一体的系统级产品，具有信息采集、处理、交换、存储等功能。智能传感器是包含信息处理装置的传感器，传感器是智能传感器必不可少的一个组成部分。

在2019版《智能传感器型谱体系与发展战略白皮书》中提到了11个重点技术发展方向，实际上也是卡脖子的技术。前5项基本上都跟MEMS技术相关，包括MEMS陀螺、磁传感器、超声波传感器器、压力传感器等。因此在国家层面，从2015年到2023年陆续出台了相关一系列的政策，对相关产业进行相应的扶持。

结合今天主要介绍传感器的主题，主要讲一下惯性传感器体系。首先是陀螺仪，这里所说的陀螺主要包括光纤陀螺、激光陀螺、压电陀螺和半球谐振陀螺，这些基本上是属于中高精度的陀螺仪，单价相对来说也会比较贵。通常主要用于军用，飞机、舰船、坦克、火炮、卫星、导弹等惯性导航制导、姿态测量与控制。MEMS陀螺仪的主要特点有两个，一是微小型化，二是低成本，能够用于中低端惯性市场。在消费电子、汽车电子、工业电子以及国防军工领域，MEMS陀螺仪正在逐步的应用。

加速度计主要包括石英挠性加速度计、光纤加速度计以及压电式加速度计。这块跟高精度陀螺仪配套后形成惯性导航系统和制导系统，用于导弹、飞机、舰船、战车等导航制导测量速度和位置信息。MEMS加速度计，同样有微型化、价格低的优势，可以大量应用于消费电子、汽车电子、工业电子、医疗电子以及航空航天、国防军工领域。实际上目前在航空航天领域里一些消耗类型的装备上也开始大量应用。

因此可以看出，MEMS在智能传感器中占据了重要地位。智能传感器的核心组件包括传感器和执行器两大类，以MEMS为代表的智能传感器是传感器的主要的发展方向之一。典型的以MEMS技术为主的智能传感器及其组件包括MEMS陀螺仪、MEMS加速度计，还有压力传感器等，这几项产品在618所也都有相应的研制和生产。

MEMS陀螺可能相对来说了解的人较多，它主要用于检测载体的角运动，基于科氏力效应来检测角速率。MEMS加速度计主要基于牛顿第二定律来检测载体的加速度。MEMS压力传感器主要基于基于谐振或压阻效应来检测空气压力变化，主要用于压力和高度的测量，可用于大气数据系统、惯导系统、组合导航系统等。

第二部分是无人系统中的智能传感技术。目前所说的无人系统主要包括空中无人系统、地面无人系统、水面无人系统、水下无人系统。在各类无人系统中用到的传感器包括惯性传感器、压力传感器、磁传感器以及光学传感器。

从国内传感器的市场规模及产业结构的角度分析，中商产业研究院发布的《2024-2029年中国智能传感器市场调查与行业前景预测专题研究报告》显示，2022年中国智能传感器市场规模达到1190.2亿元，较上年增长16.64%。分析师预测，2023年中国智能传感器市场规模将增至1429.6亿元，2024年将增至1643.1亿元。从产品结构来看，2022年压力传感器占比最高的，市场份额达到18.6%；图像传感器、位置（含惯性传感器）传感器分列二、三位，分别占比13%和10.1%。

我们可以清楚的看到在无人系统中关键技术之一是GNC技术，包括无人车、无人机、无人艇、无人潜航器。GNC技术简单来说G就是Guidance制导，利用导航信息和其它参考信息，解决载体准确、按时导向目标问题——也就是解决“往哪去”的问题；N是Navigation导航，提供载体位置、姿态、航向和速度等信息，解决载体精确定位问题 ——解决“在哪里”的问题；C是Control控制，控制操纵面使载体按照期望的姿态和轨迹运动，解决载体的稳定与操纵问题——解决“怎么去”的问题，实际上GNC技术也是618所主要的专业方向。惯性传感器在各类无人系统中均起到关键作用，是无人系统中最为重要的传感器之一。无人机中各类惯性传感器及导航系统的应用已逐步形成产业化模式。

典型的无人机系统由飞行器平台分系统、信息传输分系统、地面测控分系统、任务载荷分系统、地面保障设备五部分组成。我们从典型的无人机系统组成中可以看到，包括INS/GPS装置的组合导航系统应该说是作为中大型或中小型的无人机里必不可少的关键设备。从产业链的结构来看，包括陀螺仪在内的传感器是作为无人机重要的也是关键的零部件，它主要集成到惯导以及航天系统里。

无人机军民融合的属性非常强，石静敏老师也介绍了民用无人机相关很多的产业方向，民用无人机是无人机最具活力的增长领域。随着应用场景的不断拓宽和技术门槛的不断放低，预计未来十年，民用市场的增速将快于军用市场。预计到2025年民用市场规模将达到1800亿，年均增速25%以上，若以此增长率测算，预测到2026年我国的民用无人机市场规模约达到2250亿。

从典型的传感器、无人机的飞控系统以及相关的分系统的组成中，我们可以看到传感器集成到导航系统里面之后是无人机核心的导航信息源，也是飞控决策的关键信息。因此以无人机应用为例可以一窥智能传感器在无人系统领域的产业机遇。

第三部分简单介绍MEMS惯性技术在无人机的应用。惯性导航相比于卫星导航等其他导航方式，它是一种不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航系统，这实际上也是它最大的优点，因此也可以叫它无人机的“小脑”，无人机的“大脑”应该是飞控系统。惯性导航通过陀螺仪、加速度计等传感器来感知并计算以获得无人机实时的位置、速度、姿态、角速率、加速度等重要导航信息。

在MEMS惯性技术体系中从前到后来看，它的前端从晶圆级开启，做晶圆MEMS相关的加工工艺形成芯片级，进行封装之后到传感器也就是器件级的产品，器件级进行系统集成之后达到系统级的组合导航或航姿类产品。目前在国内，做惯导系统集成或航姿的公司、单位遍地都是，但有IDM模式覆盖MEMS惯性技术全流程能力是屈指可数的，这里相关产业投入和技术门槛还是相对比较高。

最近这几年中小型无人机的导航系统解决方案，形成了固定的模式。按照现在的经验，高价值无人机主要面向复杂战场环境，有高冗余、安全性的要求，所以通常会配置光纤惯导或激光惯导，加上光纤航资载加MEMS惯导，形成一套高冗余高安全的导航系统的方案。对于中等价值的无人机，它面向一般战场环境，也有较高冗余、安全性的要求。

这样的情况下，典型的配置是光纤航资系统加上MEMS惯导系统，这里的航资或惯导不是类型的划分而是精度等级的划分。面向低成本的无人机，以及现在越来越多的巡飞器类产品，它面向小型、蜂群等批量装备场景，有可消耗、可以适当的放宽冗余的要求，会更倾向于以MEMS去作配套，包括MEMS惯导加MEMS航姿，甚至是单独的MEMS航姿，这个方案可能价格非常低。

举一个例子，是618所的一种尾座式垂直起降无人机导航系统。导航系统是主+备MEMS导航系统架构的方案，实际上通过MEMS组合导航系统加上MEMS航姿形成导航方案，具备惯性/卫星组合导航+短时纯惯性导航+航姿导航多种导航模式，能够保证无人机的任务执行，同时也达到低成本、小体积，高可靠性的要求,目前在各种方向推广应用。

从产业方向上来看，618所目前在无人系统和智能传感两个产业方向上进行大力的投入和扶持。在无人系统方向，主要关注的是中小型垂起无人机、蜂群、无人机用小型制导弹、电动垂直起降飞行器eVTOL。40公斤无人机之前定义成小型的无人机，看石老师的报告现在已经定义成中型无人机了，当然现在我们也已通过状态鉴定，已形成独立出口立项。在智能传感方向，我们整合了光纤陀螺的产业平台。

618所之前跟北航合作在北京建有中航捷锐，现在中航捷锐要回迁到西安，之后形成产业园。在MEMS产业上，我所在的微系统工程部，实际上要整合成立一家名叫精微科技的公司，新建一条6寸产线。在西安市的西咸新区沣东新城，整个建设一个智能传感产业园。

第四部分展望。随着国内集成电路产业的快速发展，MEMS产业链逐步完善。现在去买的很多设备实际上都是集成电路产业上一些淘汰下来的二手设备，供MEMS产业去进行使用。在这个方向上还是要通过IDM模式去整合，包括设计、制造、封装测试等各个环节。

MEMS产业发展方发展趋势上，“科创板”设立将直接促进了MEMS产业发展，2023年已经有业内的公司上市了。国内MEMS产业在“机遇和挑战”中稳步前进，同时可以看到是机遇大于挑战。在目前的行业形势下，“智能化、微型化、集成化”的趋势非常明显。

高精度MEMS传感器惯性传感器的发展趋势，现在主要是单轴产品，但实际上往后发展是往3轴、6轴、9轴，甚至10轴的方向去集成。包括MEMS传感器典型MCM集成方案或者是MEMS与ASIC晶圆直接键合的异构混合集成SOC方案。在系统技术应用上，现在是自我感知，要向态势感知的方向去发展、进化，也就是解决从“在哪里”到现在“做什么”，下一步可能要去做到的“是什么”。现在单独的智能传感器主要用于去感应，后端要通过算法进行认知、然后进行相应的决策以及执行。

智能无人系统的发展趋势是，无人机已经成为主力作战装备，无人作战、蜂群、忠诚僚机是主要方向。异构多无人系统协同的发展需求，就是空地协同、空海协同、水面水下协同，异构无人系统之间的紧密配合协同，可进一步压缩定位、识别、跟踪和摧毁的杀伤链。

随着智能无人系统在协同化、集群化、小型化、智能化方向的发展，结合隐身、抗干扰等要求，具有自主性的智能传感器如惯性、压力传感器等将在未来智能无人系统的发展中起到更加重要作用！后续希望有更多的机会，跟业内相关优秀的单位和企业共同去探讨合作，谢谢大家。

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审核编辑 黄宇