apostolyukphd (814875)
Текст из файла
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ УКРАИНЫ“КИЕВСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ”На правах рукописиАпостолюк Владислав АлександровичДИНАМИКА И ПОГРЕШНОСТИМИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ ГИРОСКОПОВСпециальность 05.11.03 - “Гироскопы и навигационные системы”Диссертация на соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководительЗбруцкий Александр Васильевичдоктор технических наук,профессорКИЕВ - 19992СОДЕРЖАНИЕ1. ВВЕДЕНИЕ51.1. Обзор публикаций по исследованиям и разработкам7микромеханических гироскопов1.2. Классификация основных видов микромеханических12гироскопов1.3. Постановка задачи и основные результаты работы,14выносимые на защиту2. АНАЛИЗ ДИНАМИКИ ОСНОВНЫХ ВИДОВ22МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ ГИРОСКОПОВ2.1.
Камертонная схема микромеханического гироскопа222.1.1. Кинематическая схема и уравнения движения22чувствительного элемента2.1.2. Анализ движения чувствительного элемента на28вращающемся основании2.1.3. Основные погрешности камертонного гироскопа352.1.4. Выводы422.2. Кардановая схема микромеханического гироскопа2.2.1. Кинематическая схема и уравнения движения4343чувствительного элемента2.2.2.
Анализ движения чувствительного элемента на49вращающемся основании2.2.3. Основные погрешности карданового гироскопа552.2.4. Выводы692.3. Выводы по главе3. АНАЛИЗ ДИНАМИКИ ВИБРАЦИОННОГО ГИРОСКОПА С7072ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ РАМКОЙ3.1. Базовая математическая модель7233.1.1. Кинематическая схема и уравнения движения72чувствительного элемента3.1.2. Движение чувствительного элемента на76неподвижном основании3.1.3.
Движение чувствительного элемента на77вращающемся основании3.1.4. Устойчивость колебаний чувствительного элемента813.1.5. Собственные частоты чувствительного элемента84гироскопа3.1.6. Амплитудно- и фазочастотные характеристики3.2. Схемы построения измерителя угловой скорости на8791вибрационном гироскопе с дополнительной рамкой3.2.1. Схема прямого измерения угловой скорости913.2.2.
Схема измерения угловой скорости с обратной97связью3.3. Выводы4. ПОГРЕШНОСТИ ВИБРАЦИОННОГО ГИРОСКОПА С105106ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ РАМКОЙ4.1. Влияние поступательного ускорения на динамику106чувствительного элемента4.2. Погрешность от поступательной вибрации основания1074.3. Динамическая погрешность измерения гармонической110угловой скорости4.4. Погрешность от несовпадения измерительных и упругих113осей4.5. Перекрестная чувствительность гироскопа1174.6. Погрешность от дебаланса инерционной массы1204.7. Влияние изменений температуры на динамику1224чувствительного элемента4.8.
Выводы1275. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОДНОМАССОВЫХ128МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ ГИРОСКОПОВ5.1. Функциональные схемы микромеханических вибрационных128гироскопов5.2. Расчет гребенчатого двигателя1335.3. Расчет характеристик микромеханических гироскопов1365.3.1. Нестабильность масштабного коэффициента1365.3.2. Смещение нуля у одномассовых гироскопов1385.3.3. Ширина полосы пропускания1395.3.4.
Разрешающая способность1405.4. Сравнительный анализ характеристик гироскопов с141поступательными и вращательными движениямичувствительных элементов5.5. Выводы1456. ЗАКЛЮЧЕНИЕ146СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ149ПРИЛОЖЕНИЯ157Приложение А. Численное моделирование на языке MATLAB157Приложение Б. Смещение парциальных частот162Приложение В. Расчет параметров конструкции165чувствительного элементаПриложение Д. Акт об использовании (внедрении) результатовдиссертационной работы16851. ВВЕДЕНИЕВ системах навигации, стабилизации и наведения всех движущихсяобъектов основными датчиками первичной информации об угловых, аиногда и о линейных перемещениях объекта являются различныегироскопыигироскопическиеприборы.Современныйуровеньтехнических достижений в области гироскопического приборостроения иинерциальной навигации обусловлен развитием и широким применениемприкладной теории гироскопов, которая связана с именами А.Н.Крылова,А.Ю.Ишлинского,В.И.Кузнецова,Д.М.Климова,Д.С.Пельпора,Б.В.Булгакова, С.С.Тихменева, А.А.Лапина, Б.И.Назарова, В.Н.Кошлякова,Н.В.Бутенина,О.Ф.Бойчука,Б.И.Кудревича,Е.Л.Смирнова,Б.Б.Самотокина,И.А.Михалева,А.К.Неусыпина,М.А.Павловского,А.В.Збруцкого,А.С.Довгополого,Н.Н.Острякова,В.П.Демиденко,А.В.Репникова,Л.А.Северова,А.А.Одинцова,Я.Н.Ройтенберга,В.Ф.Журавлева, С.А.Черникова, В.А.Павлова, Л.И.Каргу, Е.А.Девянина,С.С.Ривкина, И.Б.Челпанова, Е.Р.Рахтеенко, М.В.Чичинадзе, Г.Д.Блюмина,Ю.К.Жбанова [1-31], а также зарубежных ученых Ч.Дрейпера, К.Магнуса,М.Шулера [32-34] и др.Расширение традиционных областей применения гироскопов ипоявление новых обусловило появление потребности в недорогих,миниатюрныхдатчикахСовременноеразвитиеугловойскоростимикроэлектронныхневысокойтехнологийточности.позволилоиспользовать их для создания миниатюрных вибрационных гироскопов,получивших название микромеханических.
Микромеханические датчикипервичнойинформациипозволяютсоздаватьмалогабаритныеинерциальныенавигационныесистемы,интегрированныеспутниковыминавигационнымисистемамиисообеспечивающиминеобходимую точность определения положения и ориентации различных6подвижных объектов: аэрокосмических летательных аппаратов, морскихсудов, наземных транспортных средств, робототехнических комплексов.
Кнетрадиционным применениям микромеханических гироскопов можноотнести системы виртуальной реальности (датчики первичной информациио параметрах движения оператора, которые используются для управлениявычислительнымпроцессом),интеллектуальныеигрушки,самонаводящиеся снаряды и пули. Актуальность и перспективностьразработки недорогих и миниатюрных гироскопов привела к тому, чтобольшинство ведущих приборостроительных компаний мира занялисьсозданием микромеханических гироскопов и акселерометров.Чувствительныеэлементымикромеханическихгироскоповпредставляют собой плоские миниатюрные конструкции с габаритнымиразмерами от 10 до 1000 мкм, некоторые элементы которых могутсовершать колебания в двух взаимно перпендикулярных направлениях.Такимобразом,большинствосовременныхмикромеханическихгироскопов относятся к осцилляторным вибрационным гироскопам ссосредоточенными параметрами.
Вибрационные гироскопы обладаютрядомпреимуществпосравнениюстрадиционнымиэлектромеханическими датчиками. К таким преимуществам можно отнестипростоту конструкции чувствительного элемента и отсутствие трущихсяподвижных деталей, так как колебания элементов совершаются за счетупругихдеформациймикроэлектронныхторсионовтехнологийилимассовогобалок.Использованиеизготовленияпозволяетвыпускать такие приборы в большом количестве, что значительно снижаетих себестоимость.Патенты на различные технические решения в области разработокмикромеханическихчувствительныхэлементовполученытакимифирмами, как Draper Laboratory Inc., Rockwell International, Systron Donner,Analog Devices, SAGEM, Murata и др.71.1.
Обзор публикаций по исследованиям и разработкаммикромеханических гироскоповРассмотримрезультатыпоосновныеопубликованныеисследованияминанастоящийразработкаммоментмикромеханическихгироскопов и конструкциям их чувствительных элементов.Однойизгироскоповнаиболееявляетсяраннихкардановыйконструкциймикромеханическихмикромеханическийгироскоп,разработанный специалистами фирмы The Charles Stark Draper Laboratory[35, 36].
Эта конструкция состоит из внешней и внутренней кардановыхрамок, соединенных посредством упругих торсионов. Входными являютсяугловые колебания наружной рамки, а выходными - угловые колебаниявнутренней кардановой рамки.Габариты чувствительного элемента карданового микромеханическогогироскопа по наружной рамке составляют приблизительно 15151 мкм.Чувствительный элемент изготавливается из пластинки кварца иликремния толщиной 1 мкм травлением с использованием фотолитографии.К 1994 году точность карданового микромеханического гироскопадостигала приблизительно 300 /час.
Результаты разработки датчикаугловой скорости на кардановом чувствительном элементе освещались вдокладах [37-39], где вопросы динамики чувствительных элементов незатрагивались.Базовыевопросыдинамикикардановогомикромеханического гироскопа и создания математической моделидвижения его чувствительного элемента рассматривались в работах [40,41],гдебылиполученылинеаризованныеуравнениядвижениячувствительного элемента, проанализированы собственные частоты ивлияние соотношений инерционных параметров на его частотныехарактеристики. В докладе [42] рассматривались принцип действия иосновные погрешности вибрационного карданового гироскопа. Вопросы,8связанныесисследованиемперекрестнойчувствительности,температурными погрешностями и анализом нелинейных уравненийдвижения чувствительного элемента, не затрагивались.Другой разработкой фирмы The Charles Stark Draper Laboratory вобласти создания микромеханических гироскопов стал прибор, которыйполучил название камертонного микромеханического гироскопа [43-46].Чувствительный элемент камертонного гироскопа состоит из двухинерционных масс, размещенных в рамке упругого подвеса.
Принципдействия прибора основан на измерении амплитуд угловых колебанийрамки или поступательных колебаний инерционных масс, которыевызываются силами инерции Кориолиса [44]. Современные камертонныемикромеханическиегироскопыпоказываютстабильностьсистематического дрейфа на уровне 0,5 /с в диапазоне температур 40…+85С без температурной стабилизации и на уровне 1 /час состабилизацией температуры [45]. В указанных работах описывалсяпринцип действия гироскопа, особенности технологии его изготовления,желаемыединамикиидостигнутыекамертонногоматематическоймоделихарактеристики.чувствительногодвижениянаВопросыэлемента,вращающемсяисследованияпостроенияоснованииипогрешностей гироскопа в этих работах не рассматривались. Уравнениядвижения традиционных камертонных гироскопов и принцип действияприводились в монографиях [20] и [26].
Динамика пьезоэлектрическихштыревых гироскопов исследовалась в работе [47], а вопросы технологииизготовления микромеханических гироскопов освещались в докладах [48,49].Камертоннаядифференциальнойсхемапривлекаетсхемыизмерениявозможностьюугловойпримененияскоростью.Однако,последующие конструкции камертонных гироскопов не используютупругую связь между инерционными массами, и не используют их9совместного вращения вместе с рамкой [50]. Хотя гироскоп называетсякамертонным, две инерционные массы, выполненные в одном корпусе,совершаютпоступательныеперемещениявдвухнезависимыхнаправлениях.Рассмотренныеконструкциимикромеханическихгироскоповхарактерны тем, что информация об измеряемой переносной угловойскорости заключена в амплитуде угловых колебаний чувствительногоэлемента.Снижениеразрешающейспособностигироскопаприуменьшении линейных размеров чувствительных элементов, в своюочередь, снижает степень дальнейшей миниатюризации прибора.Позднее стали публиковаться сообщения о микромеханическихгироскопах, в которых чувствительный элемент совершает поступательныеколебания.
В работе [51] проводится сравнительная характеристикаконструкцийдвухмикромеханическихгироскопов:сугловымипервичными (возбуждаемыми) и вторичными (выходными) колебаниями, испоступательнымипервичнымиивторичнымиколебаниямичувствительного элемента. Показано, что потенциальная разрешающаявозможность гироскопа с поступательными колебаниями значительновыше. Приведены уравнения движения чувствительных элементов обоихприборов.
Рассмотрены, но аналитически не обоснованы принципыпостроения компенсационных вибрационных гироскопов, и принципыуправления собственной частотой для поддержания резонанса. Длягироскопа с угловыми колебаниями чувствительного элемента рассмотренапогрешность, которая названа левитацией, и обусловлена работой системывозбуждения.Вработемикромеханических[54]такжегироскопов.рассмотреныЧувствительныйконструкцииэлементдвухпервойпредставляет собой инерционную массу, закрепленную в упругом подвесе,который позволяет ей совершать поступательные колебания в двух10взаимно-перпендикулярных направлениях.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
