Вибрирующая конструкция гироскопа

Гироскоп с вибрирующей структурой (VSG), определенный IEEE как вибрационный гироскоп Кориолиса ( CVG ), ^[1] представляет собой гироскоп , который использует вибрирующую структуру для определения скорости вращения. Гироскоп с вибрирующей структурой действует так же, как жужжальца мух ( насекомых отряда двукрылых ).

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 прикладывать силу к его опоре, и, измеряя эту силу, 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 (МЭМС), широко используются в смартфонах, игровых устройствах, камерах и многих других приложениях.

Теория работы

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

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

m

– масса контрольной массы,

k_{\text{op}}

- жесткость пружины во внеплоскостном направлении,

\Omega

– величина вектора вращения в плоскости и перпендикулярно движению ведомой пробной массы.

Измерив $y_{\text{op}}$ , мы можем таким образом определить скорость вращения $\Omega$ .

Реализации

Цилиндрический резонаторный гироскоп (ЦРГ)

Этот тип гироскопа был разработан компаниями GEC Marconi и Ferranti в 1980-х годах с использованием металлических сплавов с прикрепленными пьезоэлектрическими элементами и цельной пьезокерамической конструкции. Впоследствии, в 90-е годы, CRG с магнитоэлектрическим возбуждением и считыванием производились американской компанией Inertial Engineering, Inc. в Калифорнии, а пьезокерамические варианты - компанией Watson Industries. В недавно запатентованном варианте Innalabs используется резонатор цилиндрической конструкции, изготовленный из сплава типа Элинвар, с пьезокерамическими элементами для возбуждения и датчиком в нижней части.

Эта революционная технология позволила существенно увеличить срок службы изделия (MTBF > 500 000 часов); благодаря своей ударопрочности (>300G) он подходит для «тактического» применения (средней точности).

Резонатор работает в резонансном режиме второго порядка. Q-фактор 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 по краю.

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

Замкнутый контур сводит вторую резонансную моду к нулю, и сила, необходимая для обнуления этой моды, пропорциональна скорости вращения входа. Этот контур управления обозначается как режим принудительной перебалансировки.

Пьезоэлектрические элементы на резонаторе создают силы и воспринимают индуцированные движения. Эта электромеханическая система обеспечивает низкий выходной шум и широкий динамический диапазон, необходимые 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]

Камертон-гироскоп

В этом типе гироскопа используется пара тестовых 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 авиастроительном заводе . Дальнейшие разработки были проведены в РАЭ в 1958 году Г.Х. Хантом и AEW Хоббсом, которые продемонстрировали дрейф менее 1°/ч или (2,78 × 10 ⁻⁴)°/с. ^[3]

В современных вариантах тактических гироскопов используются сдвоенные камертоны , например, производства американского производителя Systron Donner в Калифорнии и французского производителя Safran Electronics & Defense / Safran Group. ^[4]

Рюмочный резонатор

Резонатор для бокала, также называемый гироскопом с полусферическим резонатором или HRG, использует тонкую твердотельную полусферу, закрепленную на толстой ножке. Полусфера со своим стержнем приводится в изгибный резонанс, а узловые точки измеряются для обнаружения вращения. Существует два основных варианта такой системы: один основан на скоростном режиме работы («режим силовой балансировки») и другой вариант на интегрирующем режиме работы («режим полного угла»). Обычно последний используется в сочетании с управляемым параметрическим возбуждением. Оба режима можно использовать с одним и тем же оборудованием, что является уникальной особенностью этих гироскопов.

Для цельной конструкции (т.е. полусферическая чашка и ножка(и) образуют монолитную деталь), изготовленной из кварцевого стекла высокой чистоты , в вакууме можно достичь добротности более 30-50 миллионов, поэтому соответствующие случайные блуждания чрезвычайно малы. Q ограничивается покрытием, чрезвычайно тонкой пленкой золота или платины, а также потерями в креплении. ^[5] Такие резонаторы необходимо настраивать с помощью ионно-лучевой микроэрозии стекла или лазерной абляции. Инженеры и исследователи в нескольких странах работают над дальнейшим усовершенствованием этих сложных современных технологий. ^[6]

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

Вибрирующее колесо гироскопа

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

МЭМС-гироскопы

Недорогие гироскопы микроэлектромеханических систем с вибрирующей структурой (МЭМС) стали широко доступны. Они упаковываются так же, как и другие интегральные схемы , и могут обеспечивать как аналоговые, так и цифровые выходы. Во многих случаях одна деталь включает в себя гироскопические датчики для нескольких осей. Некоторые детали включают в себя несколько гироскопов и акселерометров (или многоосных гироскопов и акселерометров ) для достижения выходного сигнала с шестью полными степенями свободы . Эти единицы называются инерциальными единицами измерения , или IMU. Крупнейшими производителями являются Panasonic , Robert Bosch GmbH , InvenSense , Seiko Epson , Sensonor , Hanking Electronics, STMicroelectronics , Freescale Semiconductor и Analog Devices .

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

МЭМС-гироскопы используются в системах предотвращения опрокидывания автомобилей, системах подушек безопасности, стабилизации изображения и имеют множество других потенциальных применений. ^[11]

Применение гироскопов

Автомобильная промышленность

Автомобильные датчики отклонения от курса могут быть построены на основе гироскопов вибрирующей конструкции. Они используются для обнаружения состояний ошибок при рыскании по сравнению с прогнозируемой реакцией при подключении в качестве входных данных к электронным системам контроля устойчивости совместно с датчиком рулевого колеса. ^[12] Усовершенствованные системы предположительно могли бы предложить обнаружение опрокидывания на основе второго VSG, но с этой целью дешевле добавить к существующему боковому акселерометру продольный и вертикальный акселерометры.

Развлечение

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

Хобби

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

Промышленная робототехника

Epson Robots использует кварцевый МЭМС-гироскоп, называемый QMEMS, для обнаружения и контроля вибраций своих роботов. Это помогает роботам позиционировать концевой эффектор робота с высокой точностью при движении на высокой скорости и с быстрым замедлением. ^[14]

Фотография

Многие системы стабилизации изображения на видео- и фотокамерах используют гироскопы с вибрирующей структурой.

Ориентация космического корабля

Колебания также можно вызывать и контролировать в гироскопе вибрирующей конструкции для позиционирования космических аппаратов, таких как Кассини-Гюйгенс . ^[15] Эти небольшие полусферические резонаторные гироскопы из кварцевого стекла работают в вакууме. Существуют также прототипы упругоразвязанных цилиндрических резонаторных гироскопов (ЦРГ). ^[16]^[17] Изготовлен из монокристаллического сапфира высокой чистоты . Лейкосапфир высокой чистоты имеет добротность на порядок выше, чем кварцевое стекло, используемое для HRG, но этот материал твердый и обладает анизотропией . Они обеспечивают точное трехосное позиционирование космического корабля и являются очень надежными на протяжении многих лет, поскольку не имеют движущихся частей.

Другой

В Segway Human Transporter используется гироскоп с вибрирующей структурой производства 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 года . Проверено 28 мая 2009 г.
^ Коллинсон, RPG «Введение в авионику», второе издание, Kluwer Academic Publishers: Нидерланды, 2003, стр.235.
^ «Sagem Défense Sécurité: РЫНКИ/ПРОДУКТЫ – Авионика и навигационные системы – Навигация» . archive.org . 16 октября 2007 года. Архивировано из оригинала 16 октября 2007 года . Проверено 27 сентября 2016 г.
^ Сарапулов С.А., Ри Х.-Н. и Парк С.-Дж. Предотвращение внутренних резонансов в сборке полусферического резонатора из плавленого кварца, соединенного индиевым припоем //Материалы 23-й ежегодной весенней конференции KSNVE (Корейское общество шумовой и вибрационной инженерии). Ёсу, 24–26 апреля 2013 г. – С.835–841.
^ Сарапулов С.А. 15 лет развития твердотельной гиродинамики в СССР и Украине: итоги и перспективы прикладной теории //Тр. Национального технического собрания Института навигации (Санта-Моника, Калифорния, США, 14–16 января 1997 г.). – С.151-164.
^ «Обзор аэрокосмической обороны и морского флота Чанакья» . www.chanakyaaerospacedefence.com .
^ «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 21 сентября 2013 года . Проверено 4 августа 2017 г. {{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка )
^ «Инерционные датчики – датчики угловой скорости» . Проверено 28 мая 2009 г.
^ Бернштейн, Джонатан. «Обзор технологии инерциального зондирования MEMS» , Sensors Weekly , 1 февраля 2003 г.
^ Дженк Ачар, Андрей Шкель. «Вибрационные гироскопы MEMS: структурные подходы к повышению надежности» .2008.п. 8 раздел «1.5 Применение МЭМС-гироскопов».
^ «Падающий ящик (Видео)» . Архивировано из оригинала 23 июля 2011 года . Проверено 1 июля 2010 г.
^ «Решение InvenSense IDG-600 для определения движения, представленное в новом аксессуаре Nintendo для Wii MotionPlus» (пресс-релиз). ИнвенСенс. 15 июля 2008 года. Архивировано из оригинала 17 апреля 2009 года . Проверено 28 мая 2009 г.
^ «Кварцевое устройство Epson – О QMEMS» . Проверено 12 марта 2013 г.
^ Лаборатория реактивного движения, "Космический корабль 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. – Издано УНТЦ (Научно-технологический 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 конструкции и технологии изготовления высокодобротных сапфировых резонаторов твердотельных гироскопов типа CRG-1 //XIV Международная конференция по интегрированным навигационным системам (28–30 мая 2007 г., Санкт-Петербург, РФ). – Санкт-Петербург. Государственный научный центр России – Центральный научно-исследовательский институт «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. Проверено 1 июля 2010 г.

Внешние ссылки

Материалы юбилейного семинара по твердотельной гироскопии (19–21 мая 2008 г. Ялта, Украина). - Киев-Харьков. ОВД Украины. 2009. - ISBN 978-976-0-25248-5 . См. также следующие встречи : Международные семинары по твердотельной гироскопии [2] .
Кремниевое зондирование – практический пример: Segway HT
Апостолюк В. Теория и конструкция микромеханических вибрационных гироскопов.
Пранди Л., Антонелло Р., Гобой Р. и Биганзоли Ф. Автоматическое согласование режимов в вибрационных гироскопах MEMS с использованием управления, направленного на поиск экстремума //Транзакции IEEE по промышленной электронике. 2009. Том 56. - П.3880-3891. . [3]
Пранди Л., Антонелло Р., Гобой Р., Каминада К. и Биганзоли Ф. Компенсация квадратурной ошибки в разомкнутом контуре в вибрирующих гироскопах MEMS //Материалы 35-й ежегодной конференции Общества промышленной электроники IEEE - IECON-2009. 2009. [4]

[1] IEEE Std 1431–2004 Кориолисовы вибрационные гироскопы.

[NEC_ceramic-2] «Керамические пьезогироскопы NEC TOKIN» . Архивировано из оригинала 18 ноября 2016 года . Проверено 28 мая 2009 г.

[3] Коллинсон, RPG «Введение в авионику», второе издание, Kluwer Academic Publishers: Нидерланды, 2003, стр.235.

[4] «Sagem Défense Sécurité: РЫНКИ/ПРОДУКТЫ – Авионика и навигационные системы – Навигация» . archive.org . 16 октября 2007 года. Архивировано из оригинала 16 октября 2007 года . Проверено 27 сентября 2016 г.

[5] Сарапулов С.А., Ри Х.-Н. и Парк С.-Дж. Предотвращение внутренних резонансов в сборке полусферического резонатора из плавленого кварца, соединенного индиевым припоем //Материалы 23-й ежегодной весенней конференции KSNVE (Корейское общество шумовой и вибрационной инженерии). Ёсу, 24–26 апреля 2013 г. – С.835–841.

[6] Сарапулов С.А. 15 лет развития твердотельной гиродинамики в СССР и Украине: итоги и перспективы прикладной теории //Тр. Национального технического собрания Института навигации (Санта-Моника, Калифорния, США, 14–16 января 1997 г.). – С.151-164.

[7] «Обзор аэрокосмической обороны и морского флота Чанакья» . www.chanakyaaerospacedefence.com .

[8] «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 21 сентября 2013 года . Проверено 4 августа 2017 г. {{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка )

[hsg-imit_RnD-9] «Инерционные датчики – датчики угловой скорости» . Проверено 28 мая 2009 г.

[10] Бернштейн, Джонатан. «Обзор технологии инерциального зондирования MEMS» , Sensors Weekly , 1 февраля 2003 г.

[11] Дженк Ачар, Андрей Шкель. «Вибрационные гироскопы MEMS: структурные подходы к повышению надежности» .2008.п. 8 раздел «1.5 Применение МЭМС-гироскопов».

[12] «Падающий ящик (Видео)» . Архивировано из оригинала 23 июля 2011 года . Проверено 1 июля 2010 г.

[Wii_MoPlus-13] «Решение InvenSense IDG-600 для определения движения, представленное в новом аксессуаре Nintendo для Wii MotionPlus» (пресс-релиз). ИнвенСенс. 15 июля 2008 года. Архивировано из оригинала 17 апреля 2009 года . Проверено 28 мая 2009 г.

[EPSON_QMEMS-14] «Кварцевое устройство Epson – О QMEMS» . Проверено 12 марта 2013 г.

[15] Лаборатория реактивного движения, "Космический корабль Кассини"и зонд «Гюйгенс», стр. 2, [1]

[16] Сарапулов С.А. Высокодобротный сапфировый резонатор твердотельного гироскопа CRG-1 - В кн.: 100 избранных технологий Академии технологических наук Украины (АТН Украины). Каталог. – Издано УНТЦ (Научно-технологический совет Украины). Киев. http://www.stcu.int/documents/reports/distribution/tpf/MATERIALS/Sapphire_Gyro_Sarapuloff_ATSU.pdf

[17] Сарапулов С.А., Литвинов Л.А. и др . Особенности конструкции и технологии изготовления высокодобротных сапфировых резонаторов твердотельных гироскопов типа CRG-1 //XIV Международная конференция по интегрированным навигационным системам (28–30 мая 2007 г., Санкт-Петербург, РФ). – Санкт-Петербург. Государственный научный центр России – Центральный научно-исследовательский институт «ЭлектроПрибор». РФ. 2007. – С.47-48.

[MEMSyroComp-18] Стивен Насири. «Критический обзор технологии MEMS-гироскопов и состояния коммерциализации» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 6 декабря 2010 г. Проверено 1 июля 2010 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]