ВОЛНОВОЙ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ГИРОСКОП – ИНЕРЦИАЛЬНЫЙ ДАТЧИК
НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ
название организации, город, страна, телефон и e-mail (курсивом);
,* ,
«Медикон», Миасс, Челябинской обл., Россия
В настоящее время системы ориентации, стабилизации, навигации и управления для различных объектов применения и спецтехники построены на широком спектре гироскопов: классических механических (МГ), динамически настраиваемых (ДНГ), различных типов поплавковых (ПГ), электростатических (ЭСГ), кольцевых лазерных (КЛГ), волоконно-оптических (ВОГ) и микромеханических (ММГ). В конце прошлого века группа разработчиков компании «DELKO» (США) под руководством физика Дэвида Линча разработала и представила специалистам предпромышленный образец принципиально нового типа гироскопа – волновой твердотельный гироскоп (ВТГ) и/или hemicpherical resonator gyro (HRG).
ВТГ разного класса точности одна из перспективных разработок в области гироскопических приборов для подвижных объектов современного применения.
Конструкция современного ВТГ представляет собой металлический корпус, в котором размещены инерциальный чувствительный элемент и модуль функциональной электроники. Чувствительный элемент прибора - полусферический резонатор, жестко закрепленный в вакуумно-плотном основании прибора.
Базовый конструктивный элемент ВТГ резонатор - тонкостенная полусферическая оболочка из высококачественного кварца с цилиндрической ножкой в вершине полусферы. Поверхность оболочки напылена тонким золота или другого металла. Такое покрытие позволяет контролировать форму упругой деформации оболочки с помощью системы емкостных датчиков и управлять формой ее упругих колебаний, изменяя электрические потенциалы на специальных электродах.
Необходимое для функционирования ВТГ движение (колебания оболочки в пределах упругих деформаций кромки полусферы) не связано ни с износом, ни с деградацией материала, поэтому практически не ограничивает долговечности прибора.
Как инерциальный датчик классический ВТГ является интегрирующим: угол поворота волны за время измерения равен интегралу проекции угловой скорости на ось чувствительности, поэтому диапазон измеряемых угловых скоростей практически неограничен, что делает прибор особенно удобным для использования в перспективных бескарданных инерциальных навигационных системах (БИНС).
В основе работы любого ВТГ лежит явление инертности стоячих упругих волн колебаний, впервые открытое и доказанное экспериментально американским физиком Д. Линчем с коллегами в 1982 г. Данный эффект инертности упругих волн для резонатора любой формы был строго теоретически обоснован в 1985г. российскими учеными - механиками и .
Такой уникальный физический принцип работы дает новому гироскопу целый ряд преимуществ: полное отсутствие вращающихся частей, малое время готовности, малые габаритно-массовые характеристики, весьма длительный рабочий ресурс прибора; высокая температурная стабильность основного конструкционного материала полусферы (плавленого кварца); высокая точность и малая случайная погрешность; устойчивость к тяжелым условиям окружающей среды (температура, удары, вибрации, гамма излучение); сравнительно небольшие габариты, вес и потребляемая мощность; сохранение инерциальной информации при полном кратковременном отключении электропитания. Все эти достоинства делают ВТГ одним из наиболее перспективных гироскопических приборов для использования в современных БИНС.
В докладе будут представлены результаты разработки и испытаний демонстрационного образца малогабаритного интегрирующего волнового гироскопа нового поколения (на базе запатентованного беззубцового кварцевого резонатора с диаметром полусферы равным 30 мм) - ВТГ-30иг, с цифровым выходом и новой полностью цифровой многоканальной «пушпульной» схемой управления по алгоритму, разработанному . Цифровая часть электронного модуля управления дополнительно к процессору цифровой обработки сигналов содержит буферы аналого-цифровых преобразователей (АЦП), синтезатор частот, асинхронный микроконтроллер последовательного интерфейса. Цифровой процессор по специальным алгоритмам обработки определяет углы ориентации волны резонатора относительно корпуса, амплитуду колебаний резонатора, квадратурные составляющие колебаний и, используя эту информацию, вычисляет для управления стоячей волной ВТГ-30иг соответствующие весовые коэффициенты.
Разработана трехпроцессорная структура обработки синусных и косинусных сигналов одновременно трех гироскопов в одной системе на кристалле.
Программная реализация алгоритма обработки информационных и формирования управляющих сигналов производится параллельно в отдельном процессоре быстродействующей программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС) нового поколения. Каждый из каналов формирователей сигналов управления содержит ряд цифроаналоговых преобразователя (ЦАП), на вход которых в цифровом виде поступает информация о весовых коэффициентах управления, и как опорные, сигналы синусов и косинусов и их производные с электродов информационных сигналов, т. е. с выходов аналого-цифровых преобразователей (АЦП).
Данная информация поступает на входы быстродействующей ПЛИС, в которой схемотехническими решениями организован сверхбыстродействующий цифровой процессор (ЦП) реального времени. В этом ЦП по синтезированному алгоритму формируются специальные законы прямого цифрового управления, которые в виде напряжений с выходов ЦАП подаются на управляющие электроды гироскопа, расположенные на комбинированном кварцевом узле возбуждения, съема и управления (ВСУ).
Новый полностью цифровой модуль электроники, с одиннадцатью встроенными контроллерами, последовательным интерфейсом и главным 64-битным процессором, обеспечивает заданную точность формирования коэффициентов усиления и фазы сигнала, на уровне, необходимом для получения нестабильности дрейфа нуля ВТГ-30иг не более 0.003 град/ч. На прецизионном трехосном стенде «ACUTRONIC» выполнены многочисленные эксперименты, которые подтвердили основные характеристики ВТГ-30иг нового поколения и позволили получить динамический диапазон измерений прибора ± 600 град/с при сохранении навигационной точности функционирования гироскопа (СКО≤0.010 град/ч).
Полученные в ходе полунатурных исследований и испытаний технические характеристики ВТГ-30иг позволяют находить известные и новые области применения, где требуются компактные, экономичные, надежные приборы, обеспечивающие заданный ресурс функционирования и не требующие технического обслуживания.
Все это позволяет малогабаритному ВТГ с цифровым модулем нового поколения весьма успешно конкурировать с поплавковыми, динамически-настраиваемыми, лазерными и волоконно-оптическими гироскопами авиационно-космического, наземного и морского применения. Эксперименты на прецизионных наклонно-поворотных стендах подтверждают, что новый волновой гироскоп навигационного класса точности (СКО≤0.010 град/ч), функционирует в режиме свободной волны, поэтому имеет практически неограниченный диапазон измерения. Однако, при длительном входном воздействии большой угловой скорости его инструментальная погрешность может превысить значение 0.10 град/ч.
Последнее связано с перемещениями стоячей волны относительно корпуса прибора и возникновением инструментальных ошибок, связанных с анизотропией резонатора. Журавлевым способы компенсации влияния разночастотности, диссипации и разнодобротности, а также других инструментальных погрешностей ВТГ-30иг и синтезированные новые алгоритмы управления и обработки первичной информации таких гироскопических датчиков, позволяют компенсировать систематические погрешности и существенно повысить точность измерений.
Авторы доклада выражают признательность академику РАН Журавлеву Виктору Филипповичу за постоянные консультации, которые во многом способствовали реализации уникальных алгоритмов съема, управления и минимизации времени готовности прецизионного малогабаритного инерциального датчика нового поколения (ВТГ-30иг).
Контактное лицо:
Телефон: +7 (903) 771-20-48, E-mail: *****@***ru
