Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Вибрационная структура гироскоп , определяется IEEE как Кориолис вибрационного гироскопа ( КВГ ), [1] является гироскопом , который использует вибрирующую структуру для определения скорости вращения. Гироскоп с вибрирующей структурой действует во многом как жужжальца мух ( насекомых в отряде двукрылых ).

Основополагающий 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 воздействовать на опору силой, 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 MEMS , широко используются в смартфонах, игровых устройствах, камерах и многих других приложениях.

Теория работы [ править ]

Рассмотрим две контрольные массы, колеблющиеся 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 выражением , если положение в плоскости определяется выражением . Движение вне плоскости , вызванное вращением, определяется по формуле:

где

- масса доказательной массы,
- жесткость пружины вне плоскости,
- величина вектора вращения в плоскости и перпендикулярно движению ведомой контрольной массы.

Таким образом, измеряя , мы можем определить скорость вращения .

Реализации [ править ]

Цилиндрический резонаторный гироскоп (CRG) [ править ]

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 были произведены американской компанией Inertial Engineering, Inc. в Калифорнии, а пьезокерамические варианты - компанией Watson Industries. В недавно запатентованном варианте Innalabs используется резонатор цилиндрической конструкции из сплава типа Elinvar с пьезокерамическими элементами для возбуждения и датчика на его дне.

Эта революционная технология позволила существенно увеличить срок службы изделия (наработка на отказ> 500 000 часов); с его ударопрочностью (> 300G) он должен подходить для "тактических" (средней точности) приложений.

Резонатор работает в резонансном режиме второго порядка. Q-фактор обычно составляет около 20 000; что предопределяет его шум и случайные угловые 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 до заданной амплитуды. Когда устройство вращается вокруг своей чувствительной оси (вдоль его внутреннего стержня), возникающие в результате силы Кориолиса, действующие на элементы вибрирующей массы резонатора, возбуждают вторую резонансную моду. Угол между главными осями двух режимов также составляет 45 градусов.

Замкнутый контур приводит второй резонансный режим к нулю, и сила, необходимая для обнуления этого режима, пропорциональна входной скорости вращения. Этот контур управления обозначен как режим принудительной балансировки.

Пьезоэлектрические элементы на резонаторе создают силы и воспринимают индуцированные 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 [ править ]

Пьезоэлектрический материал может быть вызван вибрировать, и боковое движение за счет силы Кориолиса может быть измерено , чтобы произвести сигнал , связанный со скоростью вращения. [2]

Гироскоп с камертонной вилкой [ править ]

В гироскопе этого типа используется пара тестовых масс, приводимых в резонанс. Их смещение от плоскости колебаний измеряется для получения сигнала, связанного со скоростью вращения системы.

Ф.  В. Мередит зарегистрировал патент на такое устройство в 1942 году, работая в Royal Aircraft Establishment . Дальнейшая разработка была проведена в RAE в 1958 г. Г. 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, такие как камертоны американского производителя Systron Donner в Калифорнии и французского производителя Safran Electronics & Defense / Safran Group. [4]

Резонатор для бокала [ править ]

Также называемый полусферическим резонаторным гироскопом или HRG, стеклянный резонатор использует тонкую твердотельную полусферу, закрепленную толстым стержнем. Полусфера с его ножкой приводится в резонанс изгиба, и узловые точки измеряются для обнаружения вращения. Существует два основных варианта такой системы: один основан на скоростном режиме работы («режим силы-перебалансировки»), а другой вариант основан на интегрирующем режиме работы («полноугольный режим»). 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 шток (и) образуют монолитную деталь) из кварцевого стекла высокой чистоты можно достичь добротности более 30-50 миллионов в вакууме, поэтому соответствующие случайные блуждания крайне низки. Q ограничивается покрытием, чрезвычайно тонкой пленкой из золота или платины, а также потерями в арматуре. [5] Такие резонаторы необходимо отрегулировать с помощью ионно-лучевой микроэрозии стекла или лазерной абляции. Инженеры и исследователи из нескольких стран работают над дальнейшим усовершенствованием этих сложных современных технологий. [6]

Safran и Northrop Grumman - основные производители HRG . [7] [8]

Гироскоп с вибрирующим колесом [ править ]

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

Гироскопы MEMS [ править ]

вибрирующая конструкция MEMS-гироскоп

Недорогие гироскопы с микроэлектромеханическими системами (МЭМС) с вибрирующей структурой стали широко доступны. Они упакованы так же, как и другие интегральные схемы, и могут иметь аналоговые или цифровые выходы. Во многих случаях одна часть включает гироскопические датчики для нескольких осей. Некоторые части включают в себя несколько гироскопов и акселерометров (или многоосных гироскопов и акселерометров ) для достижения результата, который имеет шесть полных степеней свободы . Эти единицы называются инерциальными единицами измерения или IMU. Panasonic , Robert Bosch GmbH , InvenSense , Seiko Epson ,Крупнейшими производителями являются Sensonor , Hanking Electronics , STMicroelectronics , Freescale Semiconductor и Analog Devices .

Внутри гироскопов MEMS используются литографические версии одного или нескольких механизмов, описанных выше (камертоны, вибрирующие колеса или резонансные твердые тела различной конструкции, например, аналогичные TFG, CRG или HRG, упомянутые выше). [10]

Гироскопы MEMS используются в автомобильных системах предотвращения опрокидывания и подушек безопасности, стабилизации изображения и имеют много других потенциальных применений. [11]

Применение гироскопов CVG [ править ]

Вибрационный гироскоп Кориолиса от InnaLabs, IAV 2020.

Автомобильная промышленность [ править ]

Автомобильные датчики рыскания могут быть построены на основе гироскопов с вибрирующими конструкциями. Они используются для обнаружения состояний ошибки при рысканье по сравнению с прогнозируемой реакцией при подключении в качестве входа к электронной системе контроля устойчивости вместе с датчиком рулевого колеса. [12] Усовершенствованные системы предположительно могут предлагать обнаружение опрокидывания на основе второго VSG, но для этого дешевле добавить продольный и вертикальный акселерометры к существующим боковым.

Развлечения [ править ]

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

Хобби [ править ]

Гироскопы с вибрирующей структурой обычно используются в радиоуправляемых вертолетах для помощи в управлении хвостовым винтом вертолета, а в радиоуправляемых самолетах - для сохранения устойчивости во время полета. Они также используются в контроллерах полета мультикоптеров , поскольку мультикоптеры по своей природе аэродинамически нестабильны и не могут оставаться в воздухе без электронной стабилизации.

Промышленная робототехника [ править ]

Epson Robots использует кварцевый гироскоп MEMS, называемый QMEMS, для обнаружения и контроля вибрации своих роботов. Это помогает роботам позиционировать концевой эффектор робота с высокой точностью при движении с высокой скоростью и быстрым замедлением. [14]

Фотография [ править ]

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

Ориентация космического корабля [ править ]

Колебания также могут быть вызваны и контролироваться в гироскопе с вибрирующей структурой для позиционирования космических аппаратов, таких как Кассини – Гюйгенс . [15] Эти небольшие полусферические резонаторные гироскопы из кварцевого стекла работают в вакууме. Существуют также прототипы гироскопов с упругой развязкой на цилиндрических резонаторах (ЦРГ) [16] [17], изготовленных из монокристаллического сапфира высокой чистоты . Высокочистый лейко-сапфир имеет добротность на порядок выше, чем кварцевое стекло, используемое для HRG, но этот материал твердый и имеет анизотропию.. Они обеспечивают точное позиционирование космического корабля по трем осям и обладают высокой надежностью на протяжении многих лет, поскольку не имеют движущихся частей.

Другое [ править ]

В Segway Human Transporter используется гироскоп с вибрирующей структурой производства Silicon Sensing Systems для стабилизации платформы оператора. [18]

Ссылки [ править ]

  1. ^ IEEE Std 1431–2004 Кориолисовы вибрационные гироскопы.
  2. ^ "Керамические пьезо гироскопы NEC TOKIN" . Проверено 28 мая 2009 года .
  3. Перейти ↑ Collinson, RPG Introduction to Avionics, Second edition, Kluwer Academic Publishers: Netherlands, 2003, p.235
  4. ^ "Sagem Défense Sécurité: MARCHÉS / PRODUITS - Systèmes Avioniques & Navigation - Navigation" . archive.org . 16 октября, 2007. Архивировано из оригинального 16 октября 2007 года . Проверено 27 сентября 2016 года .
  5. ^ Sarapuloff С.А., Рхи H.-N. и Парк S.-J. Предотвращение внутренних резонансов в сборке полусферического резонатора из плавленого кварца, соединенного индиевым припоем // Труды 23-й ежегодной весенней конференции KSNVE (Корейское общество инженеров по шуму и вибрации). Йосу-сити, 24–26 апреля 2013 г. - С.835-841.
  6. ^ Сарапулов С.А. 15 лет развития твердотельной гидродинамики в СССР и Украине: итоги и перспективы прикладной теории // Тр. Национального технического совещания Института навигации (Санта-Моника, Калифорния, США, 14–16 января 1997 г.). - С.151-164.
  7. ^ "Chanakya Aerospace Defense & Maritime Review" . www.chanakyaaerospacedefence.com .
  8. ^ http://www.northropgrumman.com/Capabilities/HRG/Documents/hrg.pdf
  9. ^ «Инерционные датчики - датчики угловой скорости» . Проверено 28 мая 2009 года .
  10. ^ Бернштейн, Джонатан. «Обзор технологии инерционного зондирования MEMS» , « Сенсорс еженедельно» , 1 февраля 2003 г.
  11. ^ Cenk Acar, Андрей Shkel. «Вибрационные гироскопы MEMS: структурные подходы к повышению надежности» . 2008. с. 8 раздел «1.5 Применение гироскопов МЭМС».
  12. ^ "Падающий ящик (видео)" . Архивировано из оригинала 23 июля 2011 года . Проверено 1 июля 2010 года .
  13. ^ «Решение обнаружения движения InvenSense IDG-600, представленное в новом аксессуаре Nintendo Wii MotionPlus» (пресс-релиз). InvenSense. 15 июля, 2008. Архивировано из оригинала 17 апреля 2009 года . Проверено 28 мая 2009 года .
  14. ^ «Устройство Epson Quartz Crystal - О QMEMS» . Проверено 12 марта 2013 года .
  15. ^ Jet Propulsion Laboratory, "Кассини и Гюйгенс зонд," стр. 2, https://saturn.jpl.nasa.gov/legacy/files/space_probe_fact.pdf
  16. ^ Сарапулов С.А. Высокодобротный сапфировый резонатор твердотельного гироскопа CRG-1 - В кн .: 100 избранных технологий Академии технологических наук Украины (АТС Украины). Каталог. - Издано УНТЦ (Научно-технический 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 - ЦНИИ «ЭлектроПрибор». РФ. 2007. - С.47-48.
  18. ^ Стивен Насири. «Критический обзор технологии и состояния коммерциализации МЭМС-гироскопов» (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 6 декабря 2010 года . Проверено 1 июля 2010 года .

Внешние ссылки [ править ]

  • Материалы юбилейного семинара по твердотельной гироскопии (19–21 мая 2008 г., Ялта, Украина). - Киев-Харьков. АТС Украины. 2009. - ISBN 978-976-0-25248-5 . См. Также следующие встречи : Международные семинары по твердотельной гироскопии [1] . 
  • Silicon Sensing - Пример использования: Segway HT
  • Апостолюк В. Теория и конструкция микромеханических вибрационных гироскопов.
  • Пранди Л., Антонелло Р., Обое Р. и Биганзоли Ф. Автоматическое согласование режимов в вибрационных гироскопах MEMS с использованием управления поиском экстремума // Транзакции IEEE по промышленной электронике. 2009. Том 56. - С.3880-3891. . [2]
  • Пранди Л., Антонелло Р., Обое Р., Каминада С. и Биганзоли Ф. Компенсация квадратурной ошибки в МЭМС вибрационных гироскопах с разомкнутым контуром // Труды 35-й ежегодной конференции Общества промышленной электроники IEEE - IECON-2009. 2009. [3]