Датчик угловых скоростей на базе волнового твердотельного гироскопа с металлическим резонатором для систем ориентации, стабилизации и навигации

Описаны методики и результаты испытаний волнового твердотельного гироскопа (ВТГ) — датчика угловых скоростей (ДУС), разработанного на кафедре "Приборы управления" ТулГУ и изготовленного серийным заводом АО "Мичуринский завод "Прогресс" по отработанной им технологии.

Металлический резонатор ВТГ-ДУС изготовлен из элинварного сплава и имеет разнотолщинную цилиндрическую конструкцию, нижняя часть которой с меньшей толщиной стенки выполняет роль подвеса для верхнего цилиндра, собственно резонатора, имеющего конусную форму, обеспечивающую лучшую локализацию колебаний на его торцевой кромке.

Технологические дефекты изготовления, разночастотность и разнодобротность, устранены балансировкой "по массе", основанной на удалении избыточного металла в определенных точках на торцевой кромке резонатора.

Электронный модуль обеспечивает вторую моду первичных и вторичных, возникающих при вращении, колебаний кромки резонатора и создает сигнал компенсации кориолисовой и квадратурной составляющих выходного сигнала в узлах. Поскольку максимальные амплитуды сигналов возбуждения и компенсации не превышают 10 В, то при больших механических воздействиях контур компенсации может не отработать возросший сигнал, и ВТГ-ДУС теряет работоспособность. Полное время отработки сигнала компенсации не превышает 1 мкс при максимальной потребляемой мощности электронного модуля, не превышающей 4 Вт.

При испытаниях на механические и температурные воздействия использовались нормы, характерные для аналогичных датчиков угловых скоростей, применяемых на борту летательных аппаратов. Определены стабильность нулевого сигнала и масштабного коэффициента при одновременном воздействии на ВТГ-ДУС измеряемой скорости и температуры. Получены значения случайного блуждания и нестабильности нулевого сигнала по графикам отклонений Аллана. Установлено, что ВТГ-ДУС обладает ударной прочностью и восстанавливает измерительную способ-ость после удара. Испытания на вибростойкость выявили резонансные частоты и диапазоны частот, в которых испытываемый образец ВТГ-ДУС может применяться без существенной доработки.

1. Bryan G. H. On the Beats in the Vibrations of a Revolving Cylinder or Bell // Proc. of Cambridge Phil. Soc. 1890, Nov. 24. Vol. VII. Pt. III. P. 101—111.

2. Линч Д. Взгляд компании "НОРТРОП ГРУММАН" на развитие инерциальных технологий // Гироскопия и навигация. 2008. № 3. С. 102—106.

3. Lynch D. D. Vibratory gyro analysis by the method of averaging // Proceedings of the 2nd St. Petersburg conference on gyroscopic technology and navigation. St. Petersburg. 1995. P. 26—34.

4. Lynch D. D. Coriolis vibratory gyroscope // IEEE standard specification format guide and test procedure for Coriolis vibratory gyros. IEEE std.1431 annex B. 2004. P. 56—66.

5. Журавлев В. Ф., Климов Д. М. Волновой твердотельный гироскоп. М.: Наука, 1985. 125 с.

6. Матвеев В. А., Липатников В. И., Алехин А. В. Проектирование волнового твердотельного гироскопа. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 1997. 165 с.

7. Распопов В. Я., Волчихин И. А., Волчихин А. И., Ладонкин А. В., Лихошерст В. В., Матвеев В. В. Волновой твердотельный гироскоп с металлическим резонатором. Тула: Издательство ТулГУ, 2018. 189 с.

8. US Patent№ US 2006/0266116 A1, 30.11.2006. Coriolis force gyroscope with high sensitivity // United States Patent 7281425 B2, 2007 / Valery V. Chikovani, Kiev (UA); Yuri A. Yatzenko, Kiev (UA); Vladimir A. Kovalenko, Kiev (UA).

9. C hikovani V. Secondary wave control system of the Coriolis vibratory gyroscope resonator // Electronics and Control Systems. 2013. N. 3. P. 58—61.

10. Chikovani V. V., Yatsenko Yu. A., Barabashov A. S., Kovalenko V. A., Tewksbury P.A Set of High Accuracy Low Cost Metallic Resonator CVG // Proceedings of the 20th International Technical Meeting of the Satellite Division of The Institute of Navigation (ION GNSS 2007), Fort Worth, TX, September 2007. P. 13 45 —135 0.

11. Распопов В. Я., Алалуев Р. В., Ладонкин 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. DOI 10.17285/0869-7035.0019.

12. IEE Std 1421-2004.Standart Specification Form Guide and Test Procedure for Coriolis Vibratory Gyros, 2004.