Перспективные датчики параметров движения, основанные на инерции стоячих волн

Актуальной задачей для авиационной, космической, транспортной и нефтедобывающей промышленности является миниатюризация и повышение точности систем ориентации и навигации подвижных объектов. Перспективным решением данной задачи является применение волновых твердотельных гироскопов (ВТГ), использующих для обнаружения вращений объекта явление инерции стоячих волн, возбуждаемых в кольцевых или объёмных резонаторах. Показано, что ВТГ могут иметь различные конфигурации резонатора (кольцевую, цилиндрическую, коническую, полусферическую) и изготавливаться из различных конструкционных материалов. Приведены примеры кольцевых кремниевых резонаторов. Показано, что резонаторы ВТГ из металлических сплавов (кольцевой, цилиндрической или конической формы) позволяют создавать датчики среднего класса точности. ВТГ навигационного класса реализуются на основе кварцевых цилиндрических или полусферических резонаторов, постоянная времени которых может достигать до 1000 с и более. Показано, что на основе ВТГ возможно создание датчиков двух типов: измерителей угловых перемещений и датчиков угловой скорости. Представлена математическая модель ВТГ, идентичная уравнениям классического маятника Фуко, применимая для описания датчиков обоих типов. Продемонстрирована эффективность использования уравнений для огибающих амплитуд колебаний при описании динамических характеристик ВТГ. Установлено, что для ВТГ прямого измерения, функционирующего в режиме датчика угловой скорости, повышение добротности резонатора увеличивает его чувствительность к угловой скорости, но снижает быстродействие. На основе векторной диаграммы объяснены процессы, протекающие в ВТГ с контуром компенсации ускорения Кориолиса. Представлена обобщенная математическая модель ВТГ компенсационного типа, учитывающая процессы демодуляции, модуляции и пропорционально-интегральный закон управления стоячей волной. Показано, что постоянная времени ВТГ компенсационного типа определяется коэффициентом интегральной части регулятора.

1. Маслов А.А. Волновые твердотельные гироскопы: обзор публикаций / А.А. Маслов, Д.А. Маслов, И.Г. Ниналалов, И.В. Меркурьев // Гироскопия и навигация. – 2023. – Т. 31, № 1(120). – С. 3-25.

2. Пешехонов В.Г. Перспективы развития гироскопии / В.Г. Пешехонов // Гироскопия и навигация. – 2020. – Т. 28, № 2(109). – С. 3-10. DOI: 10.17285/0869-7035.0028

3. Rozelle D.M. The hemispherical resonator gyro: From wineglass to the planets. In Proceedings of the 19th AAS/AIAA Space Flight Mechanics Meeting, Savannah, GA, USA, 8–12 February, 2009. pp. 1157-1178.

4. Климов, Д.М. Кварцевый полусферический резонатор (волновой твердотельный гироскоп) / Д.М. Климов, В.Ф. Журавлев, Ю.К. Жбанов. – Москва: Ким Л.А., 2017. – 193 с.

5. 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.

6. Распопов В.Я. Конкурентоспособный волновой твердотельный гироскоп с металлическим резонатором / В.Я. Распопов, А.В. Ладонкин, В.В. Лихошерст // Мехатроника, автоматизация, управление. – 2018. – Т. 19, № 12. – С. 777-787. DOI: 10.17587/mau.19.777-787

7. Вавилов В.Д. Микросистемные датчики физических величин: монография. / В.Д. Вавилов, С.П. Тимошенков, А.С. Тимошенков. М.: ТЕХНОСФЕРА, 2018. – 550 с.

8. Иванов, С.Ю. Разработка цифровой электронной подсистемы микромеханического гироскопа с кольцевым резонатором / С.Ю. Иванов // ТРУДЫ МФТИ. Труды Московского физико-технического института (национального исследовательского университета). – 2016. – Т. 8, № 2(30). – С. 142-152.

9. Jia J., Ding X., Qin Z., Ruan, Z., Li W., Liu X., Li H. Overview and analysis of MEMS Coriolis vibratory ring gyroscope. Measurement, 2021. Vol. 182, pp. 109704. DOI: 10.1016/j.measurement.2021.109704

10. Zhou X, Wu, Y., Wu, X., Zhang Y., Zheng Y. A novel ring vibrating gyroscope based on side piezo-electrodes. Journal of Central South University. 2016. Vol. 23. pp. 555-561. DOI: 10.1007/s11771-016-3102-4

11. Guo X., Cui R., Yan S., Cai Qi., Wei W., Shen C., Cao H. Design and Experiment for N = 3 Wineglass Mode Metal Cylindrical Resonator Gyroscope Closed-Loop System. Electronics. 2023. Vol. 12, no. 1, р. 131. DOI: 10.3390/electronics12010131

12. Lin Z., Fu M., Zhihong D., Liu N., Liu H. Frequency Split Elimination Method for a Solid-State Vibratory Angular Rate Gyro with an Imperfect AxisymmetricShell Resonator. Sensors. 2015;15. pp. 3204-3223. DOI: 10.3390/s150203204

13. Басараб М.А. Развитие теории создания волновых твердотельных гироскопов с металлическим резонатором / М.А. Басараб [и др.] // Вестник Российского фонда фундаментальных исследований. – 2015. – № 3(87). – С. 84-96.

14. Лихошерст В.В. Датчик угла крена на базе волнового твердотельного гироскопа / В.В. Лихошерст, А.В. Каликанов, Д.С. Стрельцов // Известия Российской академии ракетных и артиллерийских наук. – 2023. – № 2(127). – С. 71-75. DOI: 10.53816/20753608_2023_2_71

15. Qiu Z, Tianliang Q., Yao P., Yonglei J., Zhenfang F., Kaiyong Y., Jie Y., Hui L. Optical and Electrical Method Characterizing the Dynamic Behavior of the Fused Silica Cylindrical Resonator. Sensors, 2019, vol. 19, no. 13, p. 2928. DOI: 10.3390/s19132928

16. Delhaye F. HRG by Safran The game-changing technology. 2018, 3. DOI: 10.1109/ISISS.2018.8358163

17. Lynch D.D. Vibratory gyro analysis by the method of averaging. In: Proceedings of the 2nd St. Petersburg conference on gyroscopic technology and navigation. St. Petersburg. 1995. pp. 26–34.

18. Переляев С.Е. Принципиальные вопросы теории комбинированных свободных гироскопов, функционирующих на двух рабочих модах / С.Е. Переляев // Известия Российской академии наук. Механика твердого тела. – 2021. – № 4. – С. 64-76. – DOI: 10.31857/S0572329921040115

19. Шишаков К.В. Твердотельные волновые гироскопы: волновые процессы, управление, системная интеграция: Монография / К.В. Шишаков, В.В. Хворенков. – Ижевск: Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова, 2018. – 264 с.

20. Wei Z., Yi G., Huo Y., Qi Z., Xu Z. The Synthesis Model of Flat-Electrode Hemispherical Resonator Gyro. Sensors, 2019, vol. 19, no. 7, 1690 p. DOI: 10.3390/s19071690

21. Матвеев В.В. Обеспечение режимов функционирования кориолисовых вибрационных гироскопов с низкодобротными резонаторами / В.В. Матвеев [и др.] // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. – 2024. – Т. 24, № 1. – С. 133-143. DOI: 10.17586/2226-1494-2024-24-1-133-143