重邮教授走冷门 研发出的陀螺仪精度全球第三

2018年06月20日07:51  来源:重庆日报
 

  重庆邮电大学光电工程学院教授刘宇

  走冷门,他研发出的陀螺仪精度全球第三

刘宇教授(左一)指导学生研制姿态测量终端并在三轴精密转台上进行测试。记者 熊明 摄

  核心提示

  与研发、应用在全球范围内处于主流地位的光学陀螺仪相比,刘宇团队研发的振动陀螺仪具有四大优点——

  结构简单,制作简单;使用寿命可达20-30年,至少是光学陀螺仪的10倍以上;体积小,指甲壳大小的芯片可集成3个以上振动陀螺仪;应用成本低,仅相当于光学陀螺仪的十分之一。

  人物名片

  刘宇,重庆邮电大学光电工程学院教授、重庆邮电大学传感器件与系统研究所所长、MEMES振动传感技术国际联合研发中心主任,国内把振动陀螺仪零位漂移误差做到每小时1度以内的第一人。其带领团队成员研发的振动陀螺仪,精度已跻身世界第一梯队。

  专家观点

  ●科技工作者唯有自信并坚守理想,才能实现超越。

  ●搞科研不能走别人走过的路,否则即使研发出来了,也难以取得技术优势。

  在太空,每一个空间飞行器因装有一个体积不大的黑匣子,能够平稳导航、精确定位甚至完成精准的自动对接;在地面,如果发生地震等灾难导致常规通信全部中断,救援人员仍可借助移动卫星电话进行通话;在地下,一种可以跟随钻头深入地下几千米的智能装备像长了眼睛,能够帮助资源勘探者寻找到隐藏在各个角落的矿藏;在没有GPS信号的室内或隧道中,人们却能靠手机获得定位与导航信息……

  但你知道吗?这些功能的实现,都要依靠一个小小的但至关重要的零部件——陀螺仪。

  过去,这种广泛应用于航空航天、航海及工业勘探装备的定位元件,其核心技术曾在数十年时间里一直被欧美企业严密封锁。但重庆邮电大学一教授大胆走冷门,自主研发出了精度跻身世界第一梯队的振动陀螺仪,成功打破了欧美的技术垄断。

  这位教授就是刘宇。

  力排众议“走冷门”

  刘宇研究振动陀螺仪,始于2003年。

  当时,在全球范围内,无论从研发还是应用情况来看,光学陀螺仪都是陀螺仪技术领域的发展主流。国内的陀螺仪研发,更是出现了往光学陀螺仪方向一边倒的现象——全国为数不多的从事陀螺仪研究的科研人员中,做振动陀螺仪研究的仅有10%左右。

  振动陀螺仪遭受如此冷遇,原因在于主流的声音认为其精度低且抗冲击、振动性能差,不如光学陀螺仪、激光陀螺仪、静电陀螺仪及原子陀螺仪等“高大上”。

  刘宇却对振动陀螺仪技术情有独钟。他在深入研究了哥氏振动陀螺原理后,发现众人不待见的振动陀螺仪身上,其实藏着其它陀螺仪无法比拟的优点——哥氏振动现象无处不在,结构极其简单,信号读取方式灵活,可预期的微型化封装趋势、极低的成本等。

  于是,刘宇反其道而行之。他的想法很简单:光学陀螺仪技术掌握在欧美企业手中,即使自己研发出来了,恐怕也难以取得领先优势。与其如此,倒不如在国内外都不重视的振动陀螺仪领域搏一把。

  同时,刘宇也自信,一定能想到办法解决振动陀螺仪的缺陷。

  不过,由于与主流相悖,刘宇还未启动研究便遭到了来自同行、师兄及校友等人的反对。他们纷纷劝告刘宇,不要冲动而为,应该顺应形势,转个方向搞光学陀螺仪技术研究才是“正道”。

  刘宇不听劝,毅然迎难而上,走进了别人不愿意走的“冷门”。

  一片质疑声中,他根据自己的理论,找到了攻克技术难关的方向——从结构设计创新、材料选用、信号处理优化、封装设计和粘结工艺等方面,提高振动陀螺仪精度及抗冲击性能、振动性能。

  遭遇千次失败,仍百折不挠

  找材料,搞结构设计、方案设计,做封装、电路……从零起步,一切都得靠自己。但刘宇和研究团队成员鼓足了干劲儿,克服了一个又一个困难。

  研究经费紧张,他就尽量采取简单可行、节约资金的办法;没有合适的材料,他就自己造;实验室空间狭小,他就把自家书房腾出来放实验品和各种材料、工具。

  “研发的第一年,为了找到能够提高振动陀螺仪精度的低膨胀系数材料,我们自己做配方,然后通过熟人委托当时的重庆特钢厂加工。”刘宇回忆,没想到,团队原本只需要几百克钢材,最后却被迫加工了几十公斤钢材——量少了,钢厂不加工。

  钢材数量多出一大截,费用预算超出近2万元。这对于研究经费紧缺的团队而言,无疑是雪上加霜。

  实在没办法,刘宇和几个团队成员一咬牙,自己掏腰包凑了2万元交给钢厂。

  但后来,这批钢材只用了不到1斤便被搁置一边。原因很简单:经过反反复复试验,他们找到了更好的替代材料。

  15年来,刘宇和团队成员一直在这样不断试错、精益求精,虽遭遇了上千次失败,但仍百折不挠、锲而不舍。在刘宇家的书房,至今还存放着上百个振动陀螺仪实验品。

  曾有企业找上门来,开出诱人的报酬请刘宇做其它领域的项目研究,但刘宇不为所动。他觉得,技术的突破,需要一种坚守,做其它研究会影响振动陀螺仪研究的连续性和进展。

  从受冷遇到受重视

  不忘初心,坚守梦想,终有回报。

  2006年,随着研究团队在核心关键技术上的层层突破,振动陀螺仪精度低及抗冲击、振动性能差的问题得到了极大的改善。到2017年,刘宇团队已获得16项国家发明专利。

  但振动陀螺仪的研究从来都是国家大型研究所所做的事,国内很少有企业或使用单位想到刘宇这样的小团队可以研发出来并达到高精度。因此,在2006年以后的好几年时间里,这项研究成果并未引起业界重视。偶尔有一两家企业前来咨询,最终也是不愿意冒险试用。

  “这样下去怎么办?”研发出来不被看好,团队中有年轻人开始着急了。

  刘宇却气定神闲,他知道,一种新的技术出来,短时间内是不会轻易被市场接受的。“继续研究,不断优化振动陀螺仪精度及整体性能,总有一天我们的研究成果会被人看好。”他对团队成员说。

  自信从何而来?原来,随着微机械技术的迅猛发展,刘宇看到了振动陀螺仪崭新的应用领域。未来,不论振动陀螺仪的封装形式因微机械技术发生什么样的变化,都将大量应用到团队前期积累的核心关键技术。

  基于此,团队没有在技术上原地踏步,而是前瞻性地从事以振动陀螺仪为基础的定位导航系统应用技术研究,并取得一系列成果。譬如,世界上井径最小的智能测井装备,国内室内自主定位精度最高纪录和国内体积最小的微姿态测量系统,都出自该团队之手。

  2013年,转机终于出现。当年,华为在一款手机中使用了他们的振动陀螺仪算法,并给予了好评。此事一传十、十传百,引起了业界对振动陀螺仪的重视。军方和一些企业陆续找上门来,洽谈合作事宜。

  此后,通过与军方及湖北、上海、西安等地的几家企业合作,刘宇团队实现了研发成果的产业化,逐渐把振动陀螺仪核心技术及其相关系统应用在了航空航天、资源勘探、消防、移动终端设备和工业监控等多个领域——

  太空上正在运行的中国高分卫星,其导航系统已开启了振动陀螺仪在轨运行的新时代,受邀参与其中关键技术研究的刘宇团队,是背后默默无闻的“功臣”之一;广东一核电站使用的以微机械振动陀螺仪为核心的定位系统,得益于刘宇团队给出的独特算法,解决了核电站因无法接收无线信号导致的人员定位、安全状况监测难题;在重庆等城市,消防队员进入无法通信的火灾现场时,指挥人员可通过刘宇团队研发的消防单兵定位装置及定位系统,实时监控消防员所在位置、移动情况及安全状况,进而指导消防员救火或救援遇险队友……

  打破欧美技术垄断

  与用了上百个器件、结构复杂、制作复杂的光学陀螺仪相比,刘宇团队研发的振动陀螺仪具有四大优点——

  结构简单,制作简单;使用寿命可达20-30年,至少是光学陀螺仪的10倍以上;体积小,指甲壳大小的芯片可集成3个以上振动陀螺仪;应用成本低,仅相当于光学陀螺仪的十分之一。

  精度方面,这种振动陀螺仪达到了仅1度/小时的漂移(即每小时漂移的误差仅为1度),且已逼近精度排在前两位的美国、法国的陀螺仪,名列世界第三。

  也因为如此,刘宇成为了国内把常规尺寸振动陀螺仪零位漂移误差做到每小时1度以内的第一人。

  数十年来,在陀螺仪领域处于垄断地位的欧美国家,一直对中国进行出口限制。漂移误差低于1度/小时的陀螺仪,通常不允许卖给中国企业。因而,中国企业从国外买到的陀螺仪,精度都比较低。

  这种背景下,刘宇团队研发的振动陀螺仪,凭借高精度、低成本的优势,成功打破了欧美的技术封锁及垄断。

  以方位测井仪为例:其70%的成本在陀螺仪上,以往,国内企业采购一套陀螺仪精度并不算高的测井仪,需花费近200万元。倘若需要精度更高的测井仪,只能请国外企业提供探井技术服务。而这种服务往往只是测量几个数据,收费却高达二三百万元。

  但是,自从有了刘宇团队研发的振动陀螺仪,国内企业只需花费二三十万元,就能买到高精度的国产测井仪,且综合性能指标更高。

  近几年时间里,刘宇团队以这种振动陀螺仪为核心开发的随钻导向定位测井系统,已陆续被全国20多家公司和研究机构采用,在市场上形成了一系列国产化高端测井仪器。

  但刘宇在陀螺仪领域的研究并未因此停止。去年,他又在全球率先提出了光致机械振动的新陀螺仪理论,目标是替代静电陀螺仪——一种被公认为精度最高、主要在美英军方使用的超高精度陀螺仪。

  目前,在国家自然科学基金的支持下,刘宇已启动了此项研究。他知道,这又将是一次漫长、艰辛的研发之旅。但无论遇到什么情况,他都不会放弃。

  “科技工作者唯有自信并坚守理想,才能实现超越!”他感慨道。

  本报记者 黄光红

  

(责编:陈易、张祎)

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