novtexmechМехатроника, автоматизация, управлениеMekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie1684-64272619-1253Commercial Publisher «New Technologies»10.17587/mau.23.440-447novtexmech-1234Research ArticleДИНАМИКА, БАЛЛИСТИКА И УПРАВЛЕНИЕ ДВИЖЕНИЕМ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВDYNAMICS, BALLISTICS AND CONTROL OF AIRCRAFTИсследование функционирования блока электроники и резонатора волнового твердотельного гироскопа в режиме датчика угловой скоростиInvestigation of the Functioning of the Electronics Unit and the Resonator of a Wave Solid-State Gyroscope in the Mode Angular Velocity SensorРаспоповВ. Я.RaspopovV. Ya.

д-р техн. наук, проф., 

г. Тула

D., Professor,

Tula, 300012

info@tsu.tula.ruЛихошерстВ. В.LikhosherstV. V.

канд. техн. наук, доц., 

г. Тула

Tula, 300012

lvv_01@inbox.ruЕгоровС. В.EgorovS. V.

аспирант, г. Тула;

начальник цеха, г. Мичуринск

Tula, 300012

022@mzp.suТульский государственный университетРоссияTula State UniversityRussian FederationТульский государственный университет; АО "Мичуринский завод "Прогресс"РоссияTula State UniversityRussian Federation202213082022238440447Copyright © Commercial Publisher «New Technologies», 20222022Commercial Publisher «New Technologies»Commercial Publisher «New Technologies»https://mech.novtex.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://mech.novtex.ru/jour/article/view/1234

Описаны принципы работы волнового твердотельного гироскопа на примере конструкции металлического резонатора цилиндрической формы, в котором создание колебаний и съем сигнала осуществляются с помощью пьезоэлементов, расположенных на основании резонатора. Рассмотрен режим позиционного возбуждения первичных колебаний и формирование сигнала обратной связи для обеспечения работы резонатора в режиме датчика угловой скорости.

Приведена блок-схема последовательности преобразования сигнала, снимаемого с пьезоэлементов осей узлов и пучностей, для организации обратных связей. Рассмотрены подходы к построению контуров управления амплитудой и фазой колебаний для создания первичных колебаний и компенсации амплитуды колебаний оси узла. Наличие этих контуров позволяет обеспечить работу волнового твердотельного гироскопа в режиме датчика угловых скоростей. Для всех участков преобразования сигнала составлено математическое описание вычислительных процессов исходя из условия реализации вычислительных процедур цифровым вычислителем. Составлены математические зависимости, необходимые для коррекции выходного сигнала — обеспечения его линейности и стабильности в интервале температур эксплуатации и диапазоне измеряемых угловых скоростей. Приведены результаты испытаний, подтверждающие работоспособность волнового твердотельного гироскопа в режиме датчика угловой скорости.

Рассмотрен подход к построению модели резонатора на основе метода конечных элементов. Показан подход к верификации конечно-элементной модели путем сопоставления результатов экспериментального исследования характеристик резонатора с результатами моделирования. 

The principles of operation of a wave solid-state gyroscope are described using the example of a cylindrical metal resonator design, in which oscillations are created and a signal is picked up by means of piezoelectric elements located on the base of the resonator. The mode of positional excitation of primary oscillations and the formation of a feedback signal to ensure the operation of the resonator in the mode of an angular velocity sensor are considered. A block diagram of the conversion sequence of the signal taken from the piezoelectric elements of the axes of nodes and antinodes for the organization of feedbacks is given. Approaches to the construction of control loops for the amplitude and phase of oscillations to create primary oscillations and compensate for the amplitude of oscillations of the node axis are considered. The presence of these circuits makes it possible to ensure the operation of a wave solid-state gyroscope in the mode of an angular velocity sensor. For all areas of signal conversion, a mathematical description of computational processes has been compiled, based on the condition for the implementation of computational procedures by a digital computer. Mathematical dependences necessary for correcting the output signal — ensuring its linearity and stability in the range of operating temperatures and the range of measured angular velocities are compiled. The results of tests confirming the operability of a wave solid-state gyroscope in the mode of an angular velocity sensor are presented. An approach to constructing a resonator model based on the finite element method is considered. An approach to the verification of a finite element model is shown by comparing the results of an experimental study of the characteristics of the resonator with the simulation results.

волновой твердотельный гироскопрезонатормодальный анализрезонансные частотынастройкакалибровкаwave solid-state gyroscoperesonatormodal analysisresonant frequenciestuningcalibrationСтатья подготовлена при финансовой поддержке Гранта правительства Тульской области в сфере науки и техники "Разработка датчика угла крена на базе волнового твердотельного гироскопа" №ДС 1264 от 25.10.2021 г.The article was prepared with the financial support of the Grant of the Government of the Tula region in the field of science and technology "Development of a roll angle sensor based on a wave solid-state gyroscope" No. DS 1264 dated 10.25.2021.ReferencesЛунин Б. С., Матвеев В. А., Басараб М. А. Волновой твердотельный гироскоп. Теория и технология. М.: Радиотехника, 2014. 176 с.Lunin B. S., Matveev V. A., Basarab M. A. Wave solid-state gyroscope. Theory and technology, Moscow, Radio engineering, 2014, 176 p. (in Russian).Lynch D. D. Vibration-induced drift in the hemispherical resonator gyro // Proc. Annual Meeting of the Institute of Navigation. 23—25 June 1987. Dayton, Ohio. P. 34—37.Lynch D. D. Vibration-induced drift in the hemispherical resonator gyro, Proc. Annual Meeting of the Institute of Navigation, June 23—25, 1987, Dayton, Ohio, pp. 34—37.Журавлев В. Ф., Климов А. М. Волновой твердотельный гироскоп. М.: Наука, 1985.Zhuravlev V. F., Klimov A. M. Wave solid-state gyroscope, Moscow, Science, 1985 (in Russian).Егармин Н. Е., Юрин В. Е. Введение в теорию вибрационных гироскопов. М.: Бином, 1993. 111 с.Egarmin N. E., Yurin V. E. Introduction to the theory of vibrational gyroscopes, Moscow, Binom, 1993, 111 p. (in Russian).Распопов В. Я., Лихошерст В. В. Датчик угловых скоростей на базе волнового твердотельного гироскопа с металлическим резонатором для систем ориентации, стабилизации и навигации // Мехатроника, автоматизация, управление. 2021. Т. 22, № 7. С. 374—382.Raspopov V. Ya., Likhosherst V. V. Angular velocity sensor based on a wave solid-state gyroscope with a metal resonator for orientation, stabilization and navigation systems, Mekhatronika, avtomatizatsiya, upravlenie, 2021, vol. 22, no. 7, pp. 374—382 (in Russian).Матвеев В. А., Липатников В. И., Алехин А. В. Проектирование волнового твердотельного гироскопа. М.: Издво МГТУ им. Н. Э. Баумана, 1997. 165 с.Matveev V. A., Lipatnikov V. I., Alekhin A. V. Design of wave solid-state gyroscope, Moscow, Publishing house of MSTU im. N. E. Bauman, 1997, 165 p. (in Russian).Линч Д. Взгляд компании "Нортроп Грумман" на развитие инерциальных технологий // Гироскопия и навигация. 2008. № 3. С. 102—106.Lynch D. View of the company "Northrop Grumman" on the development of inertial technologies, Gyroscopy and Navigation, 2008, no. 3, pp.102—106 (in Russian).Жанруа А., Буве А., Ремилье Ж. Волновой твердотельный гироскоп и его применение в морском приборостроении // Гироскопия и навигация. 2013. № 4 (83). С.45—54.Jeanroy A., Bouvet A., Remilier J. Wave solid-state gyroscope and its application in marine instrumentation, Gyroscopy and Navigation, 2013, no. 4 (83), pp. 45—54 (in Russian).Распопов В. Я., Волчихин И. А., Волчихин А. И., Ладонкин А. В., Лихошерст В. В., Матвеев В. В. Волновой твердотельный гироскоп с металлическим резонатором / Под ред. В. Я. Распопова. Тула: Изд-во ТулГУ, 2018. 189 с.Raspopov V. Ya., Volchikhin I. A., Volchikhin A. I., Ladonkin A. V., Likhosherst V. V., Matveev V. V. Wave solid-state gyroscope with a metal resonator, Tula, TulGU Publishing House, 2018, 189 p. (in Russian).Распопов В. Я., Алалуев Р. В., Ладокин А. В., Лихошерст В. В., Шепилов С. И. Настройка и калибровка волнового твердотельного гироскопа с металлическим резонатором работающего в режиме датчика угловой скорости // Гироскопия и навигация. 2020. Т. 28, № 1. С. 31—41.Raspopov V. Ya., Alaluev R. V., Ladokin A. V., Likhosherst V. V., Shepilov S. I. Adjustment and calibration of a wave solid-state gyroscope with a metal resonator operating in the mode of an angular velocity sensor, Gyroscopy and Navigation, 2020, vol. 28, no. 1, pp. 31—41 (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.