novtexmechМехатроника, автоматизация, управлениеMekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie1684-64272619-1253Commercial Publisher «New Technologies»10.17587/mau.20.299-307novtexmech-630Research ArticleДИНАМИКА, БАЛЛИСТИКА И УПРАВЛЕНИЕ ДВИЖЕНИЕМ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВDYNAMICS, BALLISTICS AND CONTROL OF AIRCRAFTДвухосевой твердотельный микрогироскоп на поверхностных акустических волнах*Two-Axis Solid-State Microgyroscope on Surface Acoustic WavesСизовВ. П.SizovV. P.

Доктор технических наук, профессор 

Ростов-на-Дону

valpalsiz@yandex.ruПогореловВ. А.PogorelovV. N.

Доктор технических наук, доцент

Ростов-на-Дону; Москва

Corresponding author: Pogorelov Vadim A., Ph. D., Associate Professor

Rostov-on-Don, 344038

vadim.pogorelov.rnd@gmail.comВахтинЮ. В.VakhtinYu. V.

Начальник отдела

Ростов-на-Дону

wyw_rost@mail.ruФГУП "Ростовский-на-Дону научно-исследовательский институт радиосвязи"РоссияRostov-on-Don Research Institute of Radio CommunicationRussian FederationФГУП "Ростовский-на-Дону научно-исследовательский институт радиосвязи"; Российский университет дружбы народовРоссияRostov-on-Don Research Institute of Radio Communication; People’s Friendship University of Russia (RUDN) UniversityRussian Federation201924052019205299307Copyright © Commercial Publisher «New Technologies», 20192019Commercial Publisher «New Technologies»Commercial Publisher «New Technologies»https://mech.novtex.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://mech.novtex.ru/jour/article/view/630

Статья посвящена разработке двухосевого твердотельного микрогироскопа (ТМГ) на поверхностных акустических волнах (ПАВ). Предлагаемый гироскоп относится к классу недорогих чувствительных элементов, обладающих высокой устойчивостью к действию перегрузок на длительном интервале времени. Данное преимущество делает приоритетным использование ТМГ на ПАВ в системах навигации и управления объектами, функционирующими в условиях действия перегрузок, достигающих 65 000 g. На сегодняшний день известен целый ряд принципов построения ТМГ на ПАВ: ТМГ на стоячих ПАВ и ТМГ на бегущих ПАВ. В статье исследуется первый тип гироскопов. Общим недостатком существующих ТМГ на стоячих ПАВ является возможность их использования для измерения угловой скорости только относительно одной оси. В связи с этим в статье предложена оригинальная схема двухосевого ТМГ на стоячих ПАВ. Ее применение потребовало исследования влияния вращения основания на параметры упругих волн, распространяющихся в конструкции из слоя на подложке и построения моделей падающих и отраженных волн. Приведены результаты численного моделирования, показывающие влияние вращения основания на комплексные коэффициенты отражения объемных волн от слоя на подложке, фазовую скорость и частоту, а также амплитуду колебаний частиц, участвующих в переносе ПАВ, и форму эллиптической траектории движения частиц. Дан сравнительный анализ ТМГ на ПАВ с существующими микромеханическими гироскопами и рассмотрены основные технологические процессы производства ТМГ на ПАВ.

This article focuses on the development of a two-axis solid state micro gyroscope (SMG) on surface acoustic waves (SAW). The described gyroscope belongs to the category of inexpensive sensing elements featuring a high degree of longtime overload stability. This advantage seems to make SAW SMGs a priority choice for navigation and control systems functioning in severe overload environments of up to 65,000 g. As of today SAW SMGs are designed according to a number of known principles. Such SMGs may also operate on standing SAWs or traveling SAWs. This article addresses the first gyro type. Unfortunately, the existing standing SAW SMGs share a common limitation of measuring angular rates in relation to one axis only. This research attempts to introduce an innovative two-axis standing SAW SMG. The influence of the basis rotation on the parameters of the elastic waves traveling within the substrate layer was carefully studied. Incident and reflected wave models were also elaborated. The numerical simulation results demonstrate the effects of the basis rotation on the complex factors of the volume waves reflected by the substrate layer and on the phase velocity and frequency thereof as well as on the oscillation amplitude of the particles involved in SAW transition, and on the elliptical particle movement path configuration. Also, the SAW SMG is compared to the existing micromechanical gyroscopes, and the basic SAW SMG production technologies are reviewed.

твердотельный микрогироскоп на поверхностных акустических волнахупругие волныmicromechanical gyroscopeacoustic wavessurface acoustic wavesРУДН (Программа "5-100")RUDN University (Program 5-100")ReferencesПешехонов В. Г. Проблемы и перспективы современной гироскопии // Изв. ВУЗ. Приборостроение. 2000. Т. 43, № 1—2. С. 49—55.Peshekhonov V. G. Problemy i perspektivy sovremennoj giroskopii (Problems and Prospects of Modern Gyroscopics), Izv. VUZ. Priborostroenie, 2000, vol. 43, no. 1—2, pp. 49—55 (in Russian).Волынцев А. А., Дудко Л. А., Казаков Б. А., Козлов В. В. и др. Опыт создания высокоточных поплавковых гироприборов, применяемых в системах угловой ориентации и стабилизации космических аппаратов и станций // Гироскопия и навигация. 2004. № 1 (44). С. 45—57.Volyncev A. A., Dudko L. A., Kazakov B. A., Kozlov V. V. et al. Opyt sozdaniya vysokotochnyh poplavkovyh giropriborov, primenyaemyh v sistemah uglovoj orientacii i stabilizacii kosmicheskih apparatov i stancij (The Experience of Creating High Precision Floated Gyroscopes for Use in Angular Orientation and Stabilization of Space Vehicles), Giroskopiya i Navigaciya, 2004, no. 1 (44), pp. 45—57 (in Russian).Доронин В. П., Мезенцев А. П., Новиков Л. З., Решетников В. И. и др. Гироскопические чувствительные элементы для систем управления ориентацией и стабилизации орбитальных космических аппаратов // VIII Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам. СПб.: ЦНИИ "Электроприбор". 2001. С. 17—29.Doronin V. P., Mezencev A. P., Novikov L. Z., Reshetnikov V. I. et al. Giroskopicheskie chuvstvitel’nye ehlementy dlya sistem upravleniya orientaciej i stabilizacii orbital’nyh kosmicheskih apparatov (Gyroscopic Sensing Elements for Orbit Space Vehicles’ Orientation Stabilization Control Systems), VIII Sankt-Peterburgskaya mezhdunarodnaya konferenciya po integrirovannym navigacionnym sistemam, SPb., CNII "Ehlektropribor", 2001, pp. 17—29 (in Russian).Barbour N., Anderson R., Connelly J., Hanson D., Kourepenis A., Sitomer J., Ward P. Inertial MEMS System Applications // RTO lecture series 232. 2004. Preprints.Barbour N., Anderson R., Connelly J., Hanson D., Kourepenis A., Sitomer J., Ward P. Ward Inertial MEMS System Applications / RTO lecture series 232 (2004) pre-prints.Coskren D., Easterly T., PolutchkoR. Low-Cost GPS/INS Guidance for Navy Munitions Launches, GPS World, Vol 16, Issue 9, September 2005.Coskren D., Easterly T., Polutchko R. Low-Cost GPS/ INS Guidance for Navy Munitions Launches, GPS World, Vol. 16, Iss. 9, September 2005.Гришин Ю. Пути совершенствования артиллерийского вооружения основных боевых кораблей ВМС США // Зарубежное военное обозрение. 2011. № 4. С. 78—83.Grishin Yu. Puti sovershenstvovaniya artillerijskogo vooruzheniya osnovnyh boevyh korablej VMS SSHA (Ways of Improving of US Navy Main Battleship Artillery Armaments), Zarubezhnoe Voennoe Obozrenie, 2011, no. 4, pp. 78—83 (in Russian).Русинов В. Артиллерийские боеприпасы повышенной точности: история, состояние, развитие // Зарубежное военное обозрение. 2012. № 6. С. 48—53.Rusinov V. Artillerijskie boepripasy povyshennoj tochnosti: istoriya, sostoyanie, razvitie (Increased Accuracy Artillery Munitions: History, Current State, Development), Zarubezhnoe Voennoe Obozrenie, 2012, no. 6, pp. 48—53 (in Russian).Русинов В. Артиллерийские боеприпасы повышенной точности: история, состояние, развитие // Зарубежное военное обозрение. 2012. № 7. С. 44—50.Rusinov V. Artillerijskie boepripasy povyshennoj tochnosti: istoriya, sostoyanie, razvitie (Increased Accuracy Artillery Munitions: History, Current State, Development) Zarubezhnoe Voennoe Obozrenie, 2012, no. 7, pp. 44—50 (in Russian).Ильин С. Управляемое авиационное оружие малого калибра // Зарубежное военное обозрение. 2012. № 12. С. 59—64.Il’in S. Upravlyaemoe aviacionnoe oruzhie malogo kalibra (Guided Small Caliber Aviation Weapons), Zarubezhnoe Voennoe Obozrenie, 2012, no. 12, pp. 59—64 (in Russian).Калиничев Б. Основные направления развития за рубежом реактивных систем залпового огня // Зарубежное военное обозрение. 2015. № 11. С. 51—59.Kalinichev B. Osnovnye napravleniya razvitiya za rubezhom reaktivnyh sistem zalpovogo ognya (Main Guidelines of MultipleLaunch Rocket System Development in Foreign Countries), Zarubezhnoe Voennoe Obozrenie, 2015, no. 11, pp. 51—59 (in Russian).Распопов В. Я. Микромеханические приборы. Тула: Изд. Тул. гос. университета, 2002. 389 с.Raspopov V. Ya. Mikromekhanicheskie pribory (Micromechanical Instruments), Tula, Tul. gos. universitet. 2002, 389 p. (in Russian).Лукьянов Д. П., Филатов Ю. В., Шевченко С. В., Шевелько М. М. и др. Современное состояние и перспективы развития твердотельных микрогироскопов на поверхностных акустических волнах // Гироскопия и навигация. 2011. № 3(74). С. 75—87.Luk’yanov D. P., Filatov Yu. V., Shevchenko S. V., Shevel’ko M. M. et al. Sovremennoe sostoyanie i perspektivy razvitiya tverdotel’nyh mikrogiroskopov na poverhnostnyh akusticheskih volnah (Current State and Development Prospects of Solid State Gyroscopes on Surface Acoustic Waves), Giroskopiya i Navigaciya, 2011, no. 3(74), pp.75—87 (in Russian).Kurosawa M., Fukuda Y., Takasaki M., Higuchi T. A surface-acoustic-wave gyro sensor // Sensors Actuators, vol. A66, no. 1, pp. 33—39, 1998.Kurosawa M., Fukuda Y., Takasaki M., Higuchi T. A surface-acoustic-wave gyro sensor // Sensors Actuators, vol. A66, no. 1, pp. 33—39, 1998.Патент № 2543706, Россия, 2015. Микроакустомеханический гироскоп / Вахтин Ю. В., Мирошниченко И. П., Сизов В. П., Погорелов В. А.Patent № 2543706, Rossiya, 2015. Mikroakustomekhanicheskij giroskop (Micro-Acoustic-Mechanical Gyroscope), Vahtin YU. V., Miroshnichenko I. P., Sizov V. P., Pogorelov V. A. (in Russian).Patent № 6516665 B1, US, 2003. Micro-electro-mechanical gyroscope / V. K. Varadan, P. B. Xavier, W. D. Suh, J. S. Kollakompil et al.Patent № 6516665 B1, US, 2003. Micro-electro-mechanical gyroscope, V. K. Varadan, P. B. Xavier, W. D. Suh, J. S. Kollakompil et al. (in Russian).Новацкий В. Теория упругости. М.: Мир, 1975. 872 с.Novackij V. Teoriya uprugosti (Theory of elasticity), Moscow, Mir, 1975, 872 p. (in Russian).Сизов В. П., Погорелов В. А., Вахтин Ю. В. Влияние вращения на параметры упругих волн, распространяющихся в подложке твердотельного гироскопа на акустических волнах // Гироскопия и навигация. 2015. № 4(91). С. 77—90.Sizov V. P., Pogorelov V. A., Vahtin Yu. V. Vliyanie vrashcheniya na parametry uprugih voln, rasprostranyayushchihsya v podlozhke tverdotel’nogo giroskopa na akusticheskih volnah (Influence of Rotation on the Acoustic Wave Parameters of the Acoustic Waves Traveling in the Solid State Acoustic Gyroscope Substrate), Giroskopiya i Navigaciya, 2015, no. 4(91), pp. 77—90 (in Russian).Шутилов В. А. Основы физики ультразвука. Л.: Издательство Ленинградского университета, 1980. 280 с.Shutilov V. A. Osnovy fiziki ul’trazvuka.(Fundamentals of Ultrasound Physics), Leningrad, Izdatel’stvo leningradskogo universiteta, 1980, 280 p. (in Russian).Wang W., Oh H., Lee K., Yoon S., Yang S. Enhanced Sensitivity of Novel Surface Acoustic Wave Microelectromechanical System-Interdigital Transducer Gyroscope // JJAP. 2009. № 48.Wang W., Oh H., Lee K., Yoon S., Yang S. Enhanced Sensitivity of Novel Surface Acoustic Wave Microelectromechanical System-Interdigital Transducer Gyroscope, JJAP, 2009, no. 48.Лукьянов Д. П., Распопов В. Я., Филатов Ю. В. Прикладная теория гироскопов. СПб.: ГНЦ РФ ОАО "Концерн "ЦНИИ "Электроприбор", 2015. 316 с.Luk’yanov D. P., Raspopov V. Ya., Filatov Yu. V. Prikladnaya teoriya giroskopov (The Gyroscope Applied Theory), SPb., GNC RF OAO "Koncern "CNII "EHlektropribor", 2015, 316 p. (in Russian).

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