Введение

Недорогой гироскоп на основе вибрации

Гироскоп с вибрационной структурой (VSG), определяемый IEEE как вибрационный гироскоп Кориолиса (CVG), – это гироскоп, использующий вибрирующую структуру для определения угловой скорости. Гироскоп с вибрирующей структурой функционирует аналогично гальтерам мух (насекомых отряда Двукрылые). В основе физического принципа лежит тенденция вибрирующего объекта продолжать колебания в одной и той же плоскости, даже если его основание вращается. Эффект Кориолиса вызывает воздействие силы со стороны объекта на его основание, и, измеряя эту силу, можно определить угловую скорость. Гироскопы с вибрационной структурой проще и дешевле традиционных вращающихся гироскопов с сопоставимой точностью. Недорогие гироскопы с вибрационной структурой, изготовленные по технологии микроэлектромеханических систем (MEMS), широко применяются в смартфонах, игровых устройствах, камерах и многих других областях.

Гироскоп цилиндрического резонатора (CRG)

Этот тип гироскопа был разработан компаниями GEC Marconi и Ferranti в 1980-х годах с использованием металлических сплавов с прикрепленными пьезоэлектрическими элементами и цельнокерамической пьезоэлектрической конструкцией. Впоследствии, в 90-х годах, CRG с магнитоэлектрическим возбуждением и считыванием были произведены американской компанией Inertial Engineering, Inc. в Калифорнии, а пьезокерамические варианты – компанией Watson Industries. Недавно запатентованный вариант от Innalabs использует цилиндрический резонатор, изготовленный из сплава типа Elinvar, с пьезокерамическими элементами для возбуждения и снятия сигнала с его основания. Эта прорывная технология обеспечила существенное увеличение срока службы изделия (MTBF > 500 000 часов); благодаря своей устойчивости к ударным нагрузкам (>300G), он может быть использован в "тактических" (средней точности) приложениях. Резонатор работает во втором гармоническом режиме резонанса. Коэффициент добротности (Q) обычно составляет около 20 000, что предопределяет его шум и угловые случайные блуждания. Стоячие волны представляют собой эллиптические колебания с четырьмя антинодами и четырьмя узлами, расположенными по окружности вдоль обода. Угол между двумя соседними антинодами и узлами составляет 45 градусов. Один из эллиптических резонансных режимов возбуждается до заданной амплитуды. При вращении устройства вокруг своей чувствительной оси (вдоль внутреннего стержня), возникающие силы Кориолиса, действующие на колеблющиеся массы резонатора, возбуждают второй резонансный режим. Угол между главными осями двух режимов также составляет 45 градусов. Контур обратной связи подавляет второй резонансный режим до нуля, а сила, необходимая для этого подавления, пропорциональна скорости вращения. Этот контур управления называется режимом восстановления равновесия сил. Пьезоэлектрические элементы на резонаторе создают силы и регистрируют вызванные движения. Эта электромеханическая система обеспечивает низкий уровень выходного шума и большой динамический диапазон, необходимые для сложных приложений, но подвержена сильным акустическим шумам и высоким перегрузкам.

Пьезоэлектрические гироскопы

Пьезоэлектрический материал может быть приведен в вибрацию, а поперечное движение, возникающее под действием силы Кориолиса, может быть измерено для создания сигнала, пропорционального угловой скорости.

Гироскоп настройки вилки

Этот тип гироскопа использует пару тестовых масс, приводимых в резонанс. Их смещение от плоскости колебаний измеряется для получения сигнала, связанного со скоростью вращения системы. Фредерик Уильям Мередит зарегистрировал патент на такое устройство в 1942 году, работая в Королевском авиационном заведении. Дальнейшие разработки были проведены в RAE в 1958 году Г. Х. Хант и А. Э. В. Хоббс, которые продемонстрировали дрейф менее 1°/ч или (2,78)°/с. Современные варианты тактических гироскопов используют двойные камертоны, такие как те, которые производятся американской компанией Systron Donner в Калифорнии и французской компанией Safran Electronics & Defense / Safran Group.

Резонатор для винных бокалов

Также называемый гироскопом полусферического резонатора или HRG, винный-стаканный резонатор использует тонкое полушарие из цельного материала, закрепленное толстым стеблем. Полушарие вместе со стеблем приводится в состояние колебаний за счет изгибного резонанса, а для определения вращения измеряются узловые точки. Существует два основных варианта реализации такой системы: один – на основе скоростного режима работы ("режим возврата к равновесию") и другой – на основе интегрирующего режима работы ("режим полного угла"). Обычно последний используется в сочетании с управляемым параметрическим возбуждением. Возможно использование обоих режимов с одним и тем же аппаратным обеспечением, что является уникальной особенностью этих гироскопов. Для монолитной конструкции (то есть полусферическая чаша и стебель(и) выполнены как единое целое), изготовленной из кварцевого стекла высокой чистоты, можно достичь коэффициента добротности Q более 30 50 миллионов в вакууме, что обеспечивает чрезвычайно низкий уровень случайных блужданий. Коэффициент Q ограничивается покрытием – чрезвычайно тонкой пленкой золота или платины, а также потерями, связанными с креплением. Такие резонаторы требуют точной настройки с помощью микроэрозии стекла ионным лучом или лазерной абляции. Инженеры и исследователи в ряде стран работают над дальнейшим улучшением этих сложных передовых технологий. Safran и Northrop Grumman – основные производители HRG.

Гироскоп с вибрационным колесом

Колесо приводится во вращение на часть оборота вокруг своей оси. Наклон колеса измеряется для получения сигнала, связанного с частотой вращения.

Гироскопы MEMS

Недорогие гироскопы на микроэлектромеханических системах (MEMS) с вибрирующей структурой стали широко доступны. Они упаковываются аналогично другим интегральным схемам и могут обеспечивать аналоговый или цифровой выход. Во многих случаях одно устройство включает в себя гироскопические датчики для нескольких осей. Некоторые устройства содержат несколько гироскопов и акселерометров (или гироскопы и акселерометры с несколькими осями) для получения выходного сигнала с шестью степенями свободы. Эти устройства называются инерциальными измерительными блоками, или ИМБ. Крупнейшими производителями являются Panasonic, Robert Bosch GmbH, InvenSense, Seiko Epson, Sensonor, Hanking Electronics, STMicroelectronics, Freescale Semiconductor и Analog Devices. Внутри гироскопы MEMS используют микролитографически изготовленные версии одного или нескольких из описанных выше механизмов (настройные вилки, вибрирующие колеса или резонирующие твердые тела различных конструкций, то есть аналогичные TFG, CRG или HRG, упомянутым выше). Гироскопы MEMS применяются в автомобильных системах предотвращения переворотов и системах подушек безопасности, стабилизации изображения и имеют множество других потенциальных областей применения.

Автомобильная промышленность

Автомобильные датчики рыскания могут быть созданы на основе гироскопов с вибрирующей структурой. Они используются для выявления отклонений в рыскании по сравнению с прогнозируемой реакцией при подключении в качестве входного сигнала к электронным системам стабилизации в сочетании с датчиком положения рулевого колеса. Более продвинутые системы теоретически могут обеспечивать обнаружение опрокидывания с использованием второго гироскопа с вибрирующей структурой, однако для этой цели экономичнее добавить продольные и вертикальные акселерометры к уже существующему поперечному.

Развлечения

Игра для Nintendo Game Boy Advance WarioWare: Twisted! использует пьезоэлектрический гироскоп для определения вращательных движений. Контроллер Sony SIXAXIS PS3 использует один MEMS гироскоп для измерения шестой оси (рыскания). Аксессуар Nintendo Wii MotionPlus использует многоосевые MEMS гироскопы производства InvenSense для расширения возможностей определения движения пульта Wii Remote. Большинство современных смартфонов и игровых устройств также оснащены MEMS гироскопами.

Увлечения

Гироскопы с вибрирующей структурой широко используются в радиоуправляемых вертолетах для стабилизации работы хвостового ротора и в радиоуправляемых самолетах для поддержания устойчивости в полете. Они также применяются в системах управления полетом многороторных летательных аппаратов, поскольку многороторы по своей природе аэродинамически нестабильны и не могут оставаться в воздухе без электронной стабилизации.

Промышленная робототехника

Epson Robots использует кварцевый MEMS-гироскоп QMEMS для обнаружения и контроля вибраций в своих роботах. Это позволяет роботам позиционировать рабочий орган с высокой точностью при движении на высокой скорости и резком торможении.

Фотография

Многие системы стабилизации изображения в видео- и фотокамерах используют гироскопы на вибрирующей структуре.

Ориентация космического аппарата

Колебания также могут быть индуцированы и управляемы в гироскопе на вибрирующей структуре для позиционирования космических аппаратов, таких как "Кассини-Гюйгенс". Эти небольшие полусферические резонаторные гироскопы, изготовленные из кварцевого стекла, работают в вакууме. Существуют также прототипы цилиндрических резонаторных гироскопов с эластической развязкой (CRG), изготовленные из монокристаллического сапфира высокой чистоты. Сапфир высокой чистоты обладает доброкачественным фактором Q на порядок выше, чем кварцевое стекло, используемое в HRG, однако этот материал твердый и обладает анизотропией. Они обеспечивают точное трехoсное позиционирование космического аппарата и отличаются высокой надежностью в течение многих лет, поскольку не содержат движущихся частей.

Другое

Segway Human Transporter использует вибрирующий структурный гироскоп, произведенный компанией Silicon Sensing Systems, для стабилизации платформы оператора.