Структурные решения, обеспечивающие увеличение динамической точности волнового твердотельного гироскопа

Разработка волновых твердотельных гироскопов (ВТГ) является одним из перспективных направлений развития гироскопических датчиков угловой скорости. ВТГ с позиций технологии изготовления, системы настройки и управления, а также точностных характеристик имеет ряд преимуществ по сравнению с другими видами гироскопов. При разработке ВТГ стремятся уменьшить собственный уход гироскопа, смещения нулевого сигнала, нелинейность масштабного коэффициента в рабочем интервале температур. Однако при создании прибора зачастую не уделяется должного внимания существующим возможностям повышения динамической точности гироскопа за счёт разработки перспективных структурных решений построения контуров регулирования и обработки информации. Решение этой проблемы и являлось целью работы.

С использованием методов теории автоматического регулирования выполнены исследования динамики волнового твердотельного гироскопа с металлическим резонатором и пьезоэлементами в режиме замкнутого контура компенсации кориолисового ускорения. Пьезоэлементы выполняют функции датчиков перемещений и силы.

Предложены и рассмотрены два перспективных структурных решения построения контуров регулирования и обработки информации ВТГ. Установлены соотношения для выбора параметров звеньев этих контуров, обеспечивающих повышение динамической точности гироскопа. В первом случае предложенная структура построения ВТГ позволяет существенно уменьшить динамические погрешности, обусловленные различием масштабного коэффициента ВТГ при различных частотах измеряемой угловой скорости в полосе пропускания. Такая структура построения ВТГ может быть рекомендована при решении измерительной задачи, в которой необходимо точно измерить величину угловой скорости, а фазовое отставание выходного сигнала по отношению к измеряемой угловой скорости имеет второстепенное значение. Во втором случае предложенной структуре построения ВТГ соответствует передаточная функция относительной погрешности измерения с астатизмом второго порядка, а абсолютная погрешность измерения в полосе частот 10 Гц не превышает 0,1 %.

1. Волчихин И.А. Волновые твердотельные гироскопы (аналитический обзор) / И.А. Волчихин [и др.] // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. – 2017. – № 9‒2. – С. 59‒78.

2. Делэйе Ф. Бортовая инерциальная система координат Spasenaute для европейской ракеты-носителя «Ариан-6» на основе волнового твердотельного гироскопа / Ф. Делэйе // Гироскопия и навигация – 2018. – № 4 (103). – С. 3‒13. DOI: 10.17285/0869-7035.2018.26.4.003-013

3. Мейер Д. Измерительная навигационная система на основе миниатюрного волнового твердотельного гироскопа / Д. Мейер, Д. Розелле // Гироскопия и навигация. – 2012. – № 3 (78). – С. 45‒54.

4. Жанруа А. Волновой твердотельный гироскоп и его применение в морском приборостроении / А. Жанруа, А. Буве, Ж. Ремиллье // Гироскопия и навигация. – 2013. – № 4 (83). – С. 24‒34.

5. Asadian M.H., Wang Y., Shkel A.M., Development of 3D Fused Quartz Hemi-Toroidal Shells for High-Q Resonators and Gyroscopes. IEEE/ASME Journal of Microelectromechanical Systems, 2019, pp. 1380– 1383.

6. United States Patent № US009322655B2, 26.04.2016. Axally symmietrical corolis force gyroscope (varlants) / Valery Valerianovich Chikovani, Kiev (UA); Yurii Alekseevich Yatzenko, Kiev (UA)

7. United States Patent № USOO6474,161B1, 5.11.2002. Gyroscopic sensor and rotation measurement apparatus constituting an application thereof / Alain Jeanroy (FR), Pierre Leger, (FR).

8. Raspopov V.Ya. Tuning and calibration of a coriolis vibratory gyroscope with a metal resonator to operate in angular rate sensor mode / V.Ya. Raspopov [et al.] // Gyroscopy and Navigation, 2020, vol. 11, pp. 34–40. DOI: 10.1134/S2075108720010113

9. Распопов В.Я. Конкурентоспособный волновой твердотельный гироскоп с металлическим резонатором / В.Я. Распопов, А.В. Ладонкин, В.В. Лихошерст // Мехатроника, автоматизация, управление. – 2018. – № 4. – С. 777‒787. DOI: 10.17587/mau.ig.777-787

10. Трутнев Г.А. Компенсация дрейфа твердотельного волнового гироскопа / Г.А. Трутнев [и др.] // Вестник ИЖГТУ им. М.Т. Калашникова. – 2018. – Том 21, № 3. – С. 198‒204. DOI: 10.22213/2413-1172-2018-3-198-204

11. Трутнев Г.А. Нелинейность масштабного коэффициента волнового твердотельного гироскопа / А.Г. Трутнев // Интеллектуальные системы в производстве. – 2018. – Т. 16, № 4. – С. 138‒134. DOI: 10.22213/2410-9304-2018-4-138-144

12. Распопов В.Я. Волновой твердотельный гироскоп с металлическим резонатором / В.Я. Распопов [и др.]. ‒ Тула, 2018. – 189 с.

13. Королев М.Н. Исследование динамических характеристик гироскопического стабилизатора на волновом твердотельном гироскопе / М.Н. Королев, Д.М. Малютин // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. – 2019. – № 8. – С. 129‒135.