Вибрационная структура гироскопа

Гироскоп с вибрирующей структурой (VSG), определяемый IEEE как вибрационный гироскоп Кориолиса ( CVG ), ^[1] — это гироскоп , который использует вибрирующую структуру для определения скорости вращения. Гироскоп с вибрирующей структурой функционирует во многом подобно жужжальцам мух ( насекомых отряда Diptera ).

Основной физический принцип заключается в том, что вибрирующий объект имеет тенденцию продолжать вибрировать в той же плоскости, даже если его опора вращается. Эффект Кориолиса заставляет объект оказывать силу на свою опору, и путем измерения этой силы можно определить скорость вращения.

Гироскопы с вибрирующей структурой проще и дешевле обычных вращающихся гироскопов аналогичной точности. Недорогие гироскопы с вибрирующей структурой, изготовленные с использованием технологии микроэлектромеханических систем (MEMS), широко используются в смартфонах, игровых устройствах, камерах и многих других приложениях.

Теория работы

Рассмотрим две контрольные массы, вибрирующие в плоскости (как в гироскопе MEMS) с частотой . Эффект Кориолиса вызывает ускорение контрольных масс, равное , где - скорость , а - угловая скорость вращения. Скорость контрольных масс в плоскости определяется как , если положение в плоскости определяется как . Движение вне плоскости , вызванное вращением, определяется как: $\omega _{r}$ $a_{\mathrm {c} }=2(\Omega \times v)$ $v$ $\Омега$ $X_{\text{ip}}\omega _{r}\cos(\omega _{r}t)$ $X_{\text{ip}}\sin(\omega _{r}t)$ $y_{\text{op}}$

y_{\text{op}}={\frac {F_{c}}{k_{\text{op}}}}={\frac {1}{k_{\text{op}}}}2m\Omega X_{\text{ip}}\omega _{r}\cos(\omega _{r}t)

где

м

это масса пробной массы,

k_{\text{op}}

- коэффициент жесткости пружины в направлении, противоположном плоскости,

\Омега

представляет собой величину вектора вращения в плоскости, перпендикулярной движению движимой массы.

Таким образом, измеряя , мы можем определить скорость вращения . $y_{\text{op}}$ $\Омега$

Реализации

Цилиндрический резонаторный гироскоп (ЦРГ)

Этот тип гироскопа был разработан GEC Marconi и Ferranti в 1980-х годах с использованием металлических сплавов с прикрепленными пьезоэлектрическими элементами и цельной пьезокерамической конструкции. Впоследствии, в 90-х годах, CRG с магнитоэлектрическим возбуждением и считыванием производились американской компанией Inertial Engineering, Inc. в Калифорнии, а пьезокерамические варианты — компанией Watson Industries. Недавно запатентованный вариант Innalabs использует резонатор цилиндрической конструкции, изготовленный из сплава типа Elinvar с пьезокерамическими элементами для возбуждения и считывания в его нижней части.

Эта революционная технология позволила существенно увеличить срок службы изделия (среднее время безотказной работы > 500 000 часов); благодаря своей ударопрочности (> 300G) оно может использоваться в «тактических» (средней точности) приложениях.

Резонатор работает в резонансном режиме второго порядка. Фактор добротности обычно составляет около 20 000; что предопределяет его шум и угловые случайные блуждания. Стоячие волны представляют собой колебания эллиптической формы с четырьмя пучностями и четырьмя узлами, расположенными по окружности вдоль обода.

Угол между двумя соседними пучностями – узлами составляет 45 градусов. Одна из эллиптических резонансных мод возбуждается с заданной амплитудой. Когда устройство вращается вокруг своей чувствительной оси (вдоль своего внутреннего стержня), результирующие силы Кориолиса, действующие на колеблющиеся элементы массы резонатора, возбуждают вторую резонансную моду. Угол между главными осями двух мод также составляет 45 градусов.

Замкнутый контур доводит вторую резонансную моду до нуля, а сила, необходимая для обнуления этой моды, пропорциональна скорости вращения на входе. Этот контур управления обозначается как режим с ребалансировкой силы.

Пьезоэлектрические элементы на резонаторе создают силы и воспринимают вызванные движения. Эта электромеханическая система обеспечивает низкий выходной шум и большой динамический диапазон, которые требуются для требовательных приложений, но страдает от интенсивных акустических шумов и высоких перегрузок.

Пьезоэлектрические гироскопы

Пьезоэлектрический материал можно заставить вибрировать, а боковое движение, вызванное силой Кориолиса, можно измерить, чтобы получить сигнал , связанный со скоростью вращения. ^[2]

Камертонный гироскоп

Этот тип гироскопа использует пару пробных масс, приводимых в резонанс. Их смещение от плоскости колебаний измеряется для получения сигнала, связанного со скоростью вращения системы.

Фредерик Уильям Мередит зарегистрировал патент на такое устройство в 1942 году, работая в Королевском авиационном учреждении . Дальнейшая разработка была проведена в RAE в 1958 году GH Hunt и AEW Hobbs, которые продемонстрировали дрейф менее 1°/ч или (2,78 × 10⁻⁴ )°/с.^[3]

Современные варианты тактических гироскопов используют сдвоенные камертоны , такие как те, которые производятся американским производителем Systron Donner в Калифорнии и французским производителем Safran Electronics & Defense / Safran Group. ^[4]

Резонатор для рюмки

Также называемый гироскопом с полусферическим резонатором или HRG, резонатор в виде бокала использует тонкую твердотельную полусферу, закрепленную на толстом стержне. Полусфера со своим стержнем приводится в изгибный резонанс, а узловые точки измеряются для обнаружения вращения. Существует два основных варианта такой системы: один основан на режиме скорости работы («режим силы для восстановления баланса»), а другой вариант основан на интегрирующем режиме работы («режим полного угла»). Обычно последний используется в сочетании с контролируемым параметрическим возбуждением. Можно использовать оба режима с одним и тем же оборудованием, что является уникальной особенностью этих гироскопов.

Для цельной конструкции (т. е. полусферическая чашка и стержень(и) образуют монолитную часть), изготовленной из кварцевого стекла высокой чистоты , можно достичь добротности более 30-50 миллионов в вакууме, поэтому соответствующие случайные блуждания чрезвычайно малы. Добротность ограничена покрытием, чрезвычайно тонкой пленкой золота или платины, и потерями в креплении. ^[5] Такие резонаторы должны быть точно настроены с помощью ионно-лучевой микроэрозии стекла или лазерной абляции. Инженеры и исследователи в нескольких странах работают над дальнейшими усовершенствованиями этих сложных современных технологий. ^[6]

Основными производителями HRG являются Safran и Northrop Grumman . ^[7]^[8]

Вибрационный колесный гироскоп

Колесо приводится в движение для вращения на долю полного оборота вокруг своей оси. Наклон колеса измеряется для получения сигнала, связанного со скоростью вращения. ^[9]

МЭМС-гироскопы

Недорогие вибрирующие структуры микроэлектромеханических систем (MEMS) гироскопов стали широко доступны. Они упакованы аналогично другим интегральным схемам и могут обеспечивать как аналоговые, так и цифровые выходы. Во многих случаях одна часть включает гироскопические датчики для нескольких осей. Некоторые части включают несколько гироскопов и акселерометров (или многоосевые гироскопы и акселерометры ), чтобы достичь выходного сигнала, который имеет шесть полных степеней свободы . Эти блоки называются инерциальными измерительными блоками , или IMU. Panasonic , Robert Bosch GmbH , InvenSense , Seiko Epson , Sensonor , Hanking Electronics, STMicroelectronics , Freescale Semiconductor и Analog Devices являются основными производителями.

Внутри гироскопов MEMS используются микролитографически сконструированные версии одного или нескольких механизмов, описанных выше (камертоны, вибрирующие колеса или резонансные твердые тела различных конструкций, т. е. аналогичные упомянутым выше TFG, CRG или HRG). ^[10]

Гироскопы MEMS используются в системах предотвращения опрокидывания автомобилей, подушках безопасности, стабилизации изображения и имеют множество других потенциальных применений. ^[11]

Применение гироскопов

Автомобильный

Датчики рыскания автомобиля могут быть построены вокруг гироскопов вибрирующей структуры. Они используются для обнаружения состояний ошибки рыскания по сравнению с прогнозируемым ответом при подключении в качестве входа к электронным системам контроля устойчивости в сочетании с датчиком рулевого колеса. ^[12] Усовершенствованные системы, вероятно, могли бы предложить обнаружение опрокидывания на основе второго VSG, но для этой цели дешевле добавить продольные и вертикальные акселерометры к существующему поперечному.

Развлечение

Игра WarioWare: Twisted! для Nintendo Game Boy Advance использует пьезоэлектрический гироскоп для обнаружения вращательного движения. Контроллер Sony SIXAXIS PS3 использует одиночный гироскоп MEMS для измерения шестой оси (рыскания). Аксессуар Nintendo Wii MotionPlus использует многоосевые гироскопы MEMS, предоставленные InvenSense, для расширения возможностей обнаружения движения пульта Wii Remote . ^[13] Большинство современных смартфонов и игровых устройств также оснащены гироскопами MEMS.

Увлечения

Гироскопы вибрирующей структуры обычно используются в радиоуправляемых вертолетах для управления хвостовым винтом вертолета и в радиоуправляемых самолетах для поддержания устойчивого положения во время полета. Они также используются в контроллерах полета мультироторных летательных аппаратов, поскольку мультироторы по своей природе аэродинамически нестабильны и не могут оставаться в воздухе без электронной стабилизации.

Промышленная робототехника

Epson Robots использует кварцевый MEMS-гироскоп, называемый QMEMS, для обнаружения и управления вибрациями на своих роботах. Это помогает роботам позиционировать конечный эффектор робота с высокой точностью при движении с высокой скоростью и быстрым замедлением. ^[14]

Фотография

Во многих системах стабилизации изображения на видео- и фотокамерах используются гироскопы с вибрирующей структурой.

Ориентация космического корабля

Колебание также может быть вызвано и контролироваться в гироскопе вибрирующей структуры для позиционирования космических аппаратов, таких как Кассини–Гюйгенс . ^[15] Эти небольшие полусферические резонаторные гироскопы, изготовленные из кварцевого стекла, работают в вакууме. Существуют также прототипы упруго развязанных цилиндрических резонаторных гироскопов (CRG) ^[16]^[17], изготовленных из высокочистого монокристаллического сапфира . Высокочистый лейкосапфир имеет добротность на порядок выше, чем кварцевое стекло, используемое для HRG, но этот материал твердый и имеет анизотропию . Они обеспечивают точное 3-осевое позиционирование космического аппарата и являются высоконадежными на протяжении многих лет, поскольку у них нет движущихся частей.

Другой

Segway Human Transporter использует вибрирующий структурный гироскоп, разработанный Silicon Sensing Systems, для стабилизации платформы оператора. ^[18]

Ссылки

^ IEEE Std 1431–2004 Кориолисовы вибрационные гироскопы.
^ "Керамические пьезогироскопы NEC TOKIN". Архивировано из оригинала 18 ноября 2016 г. Получено 28 мая 2009 г.
^ Коллинсон, Введение в авионику RPG, Второе издание, Kluwer Academic Publishers: Нидерланды, 2003, стр. 235
^ «Sagem Défense Sécurité: МАРКИ / ПРОДУКЦИЯ - Авиационные системы и навигация - Навигация» . archive.org . 16 октября 2007 года. Архивировано из оригинала 16 октября 2007 года . Проверено 27 сентября 2016 г.
^ Сарапулофф С.А., Ри Х.-Н. и Пак С.-Дж. Избежание внутренних резонансов в сборке полусферического резонатора из плавленого кварца, соединенного индиевым припоем // Труды 23-й ежегодной весенней конференции KSNVE (Корейское общество по шумовой и вибрационной инженерии). Город Йосу, 24–26 апреля 2013 г. – С.835-841.
^ Сарапулов С.А. 15 лет развития твердотельной гиродинамики в СССР и на Украине: итоги и перспективы прикладной теории // Труды Национального технического совещания Института навигации (Санта-Моника, Калифорния, США. 14–16 января 1997 г.). – С.151–164.
^ «Обзор аэрокосмической обороны и морского дела Чанакья». www.chanakyaaerospacedefence.com .
^ "Архивная копия" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 21 сентября 2013 г. . Получено 4 августа 2017 г. .{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка )
^ "Инерциальные датчики – Датчики угловой скорости" . Получено 28 мая 2009 г.
^ Бернстайн, Джонатан. «Обзор технологии инерциальных датчиков MEMS», Sensors Weekly , 1 февраля 2003 г.
^ Дженк Акар, Андрей Шкель. «Вибрационные гироскопы MEMS: структурные подходы к повышению надежности». 2008. стр. 8, раздел «1.5 Применение гироскопов MEMS».
^ "The Falling Box (Video)". Архивировано из оригинала 23 июля 2011 г. Получено 1 июля 2010 г.
^ "InvenSense IDG-600 Motion Sensing Solution Showcased In Nintendo's New Wii MotionPlus Accessory" (пресс-релиз). InvenSense. 15 июля 2008 г. Архивировано из оригинала 17 апреля 2009 г. Получено 28 мая 2009 г.
^ "Epson Quartz Crystal Device – About QMEMS" . Получено 12 марта 2013 г. .
^ Лаборатория реактивного движения, «Космический аппарат Кассини и зонд Гюйгенс», стр. 2, [1]
^ Сарапулов С.А. Высокодобротный сапфировый резонатор твердотельного гироскопа CRG-1 – В кн.: 100 избранных технологий Академии технологических наук Украины (АТН Украины). Каталог. – Издатель НТСУ (Научно-технический совет Украины). Киев. http://www.stcu.int/documents/reports/distribution/tpf/MATERIALS/Sapphire_Gyro_Sarapuloff_ATSU.pdf
^ Сарапулов С.А., Литвинов Л.А. и др . Особенности конструкций и технологии изготовления высокодобротных сапфировых резонаторов твердотельных гироскопов типа КРГ-1 // XIV Международная конференция по интегрированным навигационным системам (28–30 мая 2007 г., Санкт-Петербург, РФ.). – Санкт-Петербург. ГНЦ РФ – ЦНИИ «Электроприбор». РФ. 2007. – С.47–48.
^ Стивен Насири. "Критический обзор технологии MEMS-гироскопов и состояния коммерциализации" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 6 декабря 2010 г. . Получено 1 июля 2010 г. .

Внешние ссылки

Труды юбилейного семинара по твердотельной гироскопии (19–21 мая 2008 г. Ялта, Украина). - Киев-Харьков. АТН Украины. 2009. - ISBN 978-976-0-25248-5 . См. также следующие заседания на сайте : Международные семинары по твердотельной гироскопии [2].
Кремниевые датчики – пример: Segway HT
Апостолюк В. Теория и проектирование микромеханических вибрационных гироскопов
Пранди Л., Антонелло Р., Обое Р. и Биганзоли Ф. Автоматическое согласование режимов в вибрационных гироскопах МЭМС с использованием управления поиском экстремума // Труды IEEE по промышленной электронике. 2009. Т.56. - С.3880-3891. . [3]
Пранди Л., Антонелло Р., Обое Р., Каминада К. и Биганзоли Ф. Компенсация квадратурной ошибки в разомкнутом контуре вибрационных гироскопов MEMS // Труды 35-й ежегодной конференции Общества промышленной электроники IEEE – IECON-2009. 2009. [4]