5 Роль и место микромеханических приборов в современной гироскопии

5.1 Тенденции развития современной гироскопии

Кратко остановимся на тенденциях развития современной гироскопии. Сегодня созданы настолько точные гироско­пические системы, что дальнейшего повышения точностей многим потребителям уже не требуется, а сокращение средств, выделяемых для военно-про­мышленного комплекса в бюджетах ведущих миро­вых стран, резко повысило интерес к массовым гражданским применениям гироскопической тех­ники, которые были ранее на периферии внимания разработчиков.

Наконец, выдающийся прогресс в области высокоточной спутниковой навигации сделал ненужными автономные средства нави­гации в тех случаях, когда сигнал со спутника может приниматься непрерывно. В настоящее время большинство навигацион­ных задач с очень высокой точностью (доли метра) решается с помощью GPS (Global Position System) и ГЛОНАСС. При этом отпадает необходимость в использовании даже курсовых гироскопов, ибо сравнение показаний двух приемников спутниковых сигналов, установ­ленных на расстоянии в несколько метров, например на крыльях самолета, позволяет получить информа­цию о повороте самолета вокруг вертикальной оси [15,16].

Можно сказать, что классическая навигация за­вершила свое эволюционное развитие, обеспечив при этом главным образом узкоспециальные по­требности военно-промышленного комплекса и получив сильного конкурента в виде спутниковых навигационных систем, подошла к рубежу, на кото­ром она практически вынуждена сменить приори­теты своего развития [13]. Именно поэтому внимание специалистов в области гироскопии сейчас сосредоточилось на поиске нетрадиционных областей применения при­боров.

Однако последние до­стижения как в области теоретической механики, электроники, информатики, так и при создании но­вых типов микромеханических гироскопов позво­ляют ожидать появления новых подходов к реше­нию ряда задач, среди которых важное место занимает навигация и ориентация малых, а также сверхмалых беспилотных летательных аппаратов.

5.2 Основные определения. Погрешности

Долгое время слово гироскоп использовалось для обозначе­ния быстро закрученного вращающегося симмет­ричного твердого тела в кардановом подвесе.

Определение: Карданов подвес представляет собой систему твердых тел (рамок, колец), последовательно соединенных между собой цилиндрическими шарнирами. Обычно при отсут­ствии технологических погрешностей оси рамок карданова подвеса пересекаются в одной точке — центре подве­са (смотри рис. 5.1). Гироскоп, у которого центр масс совпадает с центром подвеса, называется уравновешенным или свободным.

Определение: На сегодняшний день развитие гироскопической техники привело к тому, что гироскопами стали называть очень ши­рокий класс приборов, и сейчас термин гироскоп используется для названия устройств, содержащих материальный объект, который совершает быст­рые периодические движения. В результате этих движений устройство становится чувствительным к вращению в инерциальном пространстве. При та­ком понимании слова гироскоп для него необяза­тельно наличие симметричного массивного быстро вращающегося ротора, подвешенного без трения таким образом, чтобы его центр масс совпадал с центром подвеса [15].

Рекомендуемые материалы

Гироскопические приборы можно разделить на измерительные и силовые. Силовые служат для со­здания моментов сил, приложенных к основанию, на котором установлен гироприбор, а измеритель­ные предназначены для определения параметров движения основания (измеряемыми параметрами могут быть углы поворота основания, проекции вектора угловой скорости и т.д.).

На практике любые средства, используемые для подвеса ротора гироскопа, являются причиной воз­никновения нежелательных внешних моментов не­известной величины и направления. Основными погрешностями любого гироскопического прибора является дрейф смещения нуля и нестабильность масштабного коэффициента.

Определение: Дрейф смещения нуля – метрологическая характеристика (характеристика одного из свойств гироскопа, влияющая на результат преобразования и его погрешности), определяемая нестабильностью величины сигнала на выходе преобразовательных каналов гироскопа при отсутствии воздействия (угловой скорости) в виде высокочастотной (шумовой) и низкочастотной составляющих сигнала на выходе [3].  

Определение: Нестабильность масштабного коэффициента – нестабильность отношения приращения сигнала на выходе гироскопа к вызывающему это приращение изменению угловой скорости [3].

Сопоставительный анализ будет проведен по дрейфам смещения нуля гироскопов разных типов.

5.3 Роль и место микромеханических гироскопов

Как и любые промышленные приборы, гироскопы можно сравнивать по различным характеристикам: это массо-габаритные показатели, энергопотребление, стоимость, надежность, способность работать в условиях вибрации и перегрузки. Однако в первую очередь разработчик интересуется показателями, характеризующими точность гироскопа.

Постоянно возрастающие требования к точно­стным и эксплутационным характеристикам гиро­скопических приборов стимулировали ученых и инженеров многих стран мира не только к дальней­шим усовершенствованиям классических гироско­пов с вращающимся ротором, но и к поискам прин­ципиально новых идей, позволяющих решить проблему создания чувствительных датчиков для индикации и измерения угловых движений объекта в пространстве. В настоящее время известно более ста различ­ных явлений и физических принципов, которые позволяют решать гироскопические задачи. Выда­ны многие тысячи патентов и авторских свиде­тельств на соответствующие открытия и изобрете­ния. И даже их беглое перечисление представляет собой невыполнимую задачу.

Обобщим сведения о состоянии российской и мировой гироскопии за последние годы [13]. На рис. 5.2  приведем диаграмму со сводными данными о достигнутых показателях точности гироскопов, построенных на различных физических принципах.

Подробнее остановимся на неконтактных гироскопах (электростатические и гироскопы на магнитных подвесах) и микромеханических гироскопах.

5.3.1 Неконтактные гироскопы

С помощью неконтактные гироскопов удалось достичь сверхвысоких точностей °/ч. Неконтактные гироскопы имеют резервы дальнейшего повышения точности и по крайней мере в обозримом будущем будут оставаться лиде­рами в этом отношении. Разработка гироскопов с неконтактными подве­сами началась с середины ХХ века. В неконтакт­ных подвесах реализуется состояние левитации, то есть состояние, при котором ротор гироскопа парит в силовом поле подвеса без какого-либо механичес­кого контакта с окружающими телами. Среди гироскопов с неконтактными подвесами можно вы­делить гироскопы с электростатическим и магнит­ным подвесами ротора.

В электростатическом гироскопе (ЭСГ) проводя­щий сферический ротор подвешен в вакуумированной полости в регулируемом электрическом поле, создаваемой системой электродов. Если поверхность ротора — идеальная сфера, то силы электрического поля, действующие по нормали к проводящей по­верхности ротора, не могут создать момента относи­тельно его центра и возникает возможность создания идеального гироскопа. Ротором электростатическо­го гироскопа может служить бериллиевый шар диа­метром 1 см, раскрученный до скорости порядка 180 тыс. оборотов в минуту. Для такого подвеса ха­рактерно практически полное отсутствие трения (при вакууме в подвесе  мм рт. ст.). Ничтожно малые вели­чины возмущающих моментов сил, действующих на левитирующий в вакууме ротор, обеспечивают неограниченно долгое и надежное сохранение на­правления оси вращения гироскопа в пространстве.

Гироскопы с магниторезонансным подвесом ро­тора (МСГ) являются в определенной степени ана­логами гироскопов с электростатическим подвесом ротора, в которых электрическое поле заменено магнитным, а бериллиевый ротор — ферритовым. Несмотря на более чем тридцатилетнюю историю разработок МСГ, он так и не стал объектом серий­ного производства. Причина заключается в том, что в конкуренции за достижение сверхвысоких точно­стей выявилось решающее преимущество ЭСГ из-за существенно меньших возмущающих моментов, возникающих при взаимодействии бериллиевого ротора с электрическим полем, чем ферритового с магнитным. Разумеется, достижение точности ги­роскопа в 10 ⁴—10 ⁵ °/ч — задача чрезвычайной сложности.

Современные гироскопы с неконтактными под­весами — это сложнейшие приборы, которые вобра­ли в себя новейшие достижения техники. Только три страны в мире в настоящее время способны производить электростатические гироскопы. Кро­ме США и Франции в их число входит и Россия. Опыт эксплуатации на морских объектах электро­статических гироскопов, созданных в Санкт-Пе­тербурге в ЦНИИ "Электроприбор", подтвердил высокую точность и достаточную надежность кора­бельных инерциальных навигационных систем на электростатических гироскопах [15].

5.3.2 Микромеханические гироскопы

Микромеханические гироскопы (ММГ) отно­сятся к области низких точностей. Эта область традиционно считалась малоперспек­тивной для задач управления движущимися объек­тами и навигации и серьезно не рассматривалась в научных и инженерных кругах [15]. Но в последнее вре­мя ситуация резко изменилась, и в печати одно за другим стали появляться сообщения о новом классе гироскопических чувствительных элементов, полу­чивших название микромеханических. Это одноос­ные гироскопы вибрационного типа, изготавливае­мые на базе современных кремниевых технологий. ММГ представляет собой своеобразный электрон­ный чип с кварцевой подложкой площадью в не­сколько квадратных миллиметров, на которую мето­дом фотолитографии наносится плоский вибратор.

Точность полученных к настоящему времени ММГ находится на невысоком уровне, но ожидается, что ее можно будет повысить на порядок.  Тем не менее, несмотря на меньшую в сравнении с прочими гироскопами точность, микромеханические гироскопы обладают целым рядом уникальных достоинств, что делает их незаменимыми для многих применений.

В лекции "2 Введение" также много полезной информации.

Прежде всего – это малые габариты и масса, во много раз меньшие, чем у любого другого гироскопа. Датчики угловой скорости типа ADXRS150 и ADXRS300 фирмы Analog Devices выпускаются в миниатюрных корпусах размером 7×7×3 мм, вес такого прибора не превышает 0,5 г. Рекордно низкие массогабаритные показатели чувствительных элементов, обеспечиваемые микромеханической технологией MEMS, сочетаются с интеграцией всех необходимых электронных схем обработки сигнала в одной микросхеме

Важнейший для портативных автономных устройств параметр – это энергопотребление. Гироскопы ADXRS150 и ADXRS300 потребляют ток величиной 5 мА при номинальном напряжении питания 5 В. Этот параметр у ММГ сильно отличается в меньшую сторону по сравнению с прочими гироскопами [14].

Низкая стоимость датчиков угловой скорости (не превышающая десятков долларов) также ставит их в обособленное положение среди других гироскопов.

Кроме того, гироскопы отличаются высокой надежностью. В данных приборах для повышения надежности (впервые в коммерчески доступных гироскопах данного класса) предусмотрена встроенная система полного механического и электронного автотестирования, которая функционирует без необходимости отключения датчиков.  Патентованные решения, которые воплощены в технологии MEMS, обеспечивают экстраординарную устойчивость датчиков к ударам и вибрации. Например, гироскопы ADXRS выдают стабильный выходной сигнал в присутствии механических шумовых колебаний с величиной ускорения до 2000 g в широком диапазоне частот.

Разумеется, достигнутые характеристики постоянно повышаются благодаря совершенствованию технологии MEMS. Таким образом, сочетание уникальных показателей сразу по многим параметрам позволяет данным приборам служить средством как для улучшения характеристик и возможностей имеющихся разработок, так и для воплощения новых, беспрецедентных конструкторских идей [14].

Рассмотрим подробнее основных производителей, устройство и принципы функционирования ММГ И ММА.