Γυροσκόπιο MEMS

Ένα γυροσκόπιο δονούμενης δομής (VSG), που ορίζεται από το IEEE ως δονητικό γυροσκόπιο Coriolis ( CVG ),  είναι ένα γυροσκόπιο που χρησιμοποιεί μια δονούμενη (σε αντίθεση με την περιστρεφόμενη) δομή ως αναφορά προσανατολισμού του. Ένα γυροσκόπιο δονούμενης δομής λειτουργεί όπως τα αλτέρια των μυγών ( έντομα της τάξης των διπτέρων ).

Η υποκείμενη φυσική αρχή είναι ότι ένα δονούμενο αντικείμενο τείνει να συνεχίζει να δονείται στο ίδιο επίπεδο ακόμα κι αν το στήριγμά του περιστρέφεται. Το φαινόμενο Coriolis προκαλεί την άσκηση δύναμης από το αντικείμενο στο στήριγμά του και μετρώντας αυτή τη δύναμη μπορεί να προσδιοριστεί ο ρυθμός περιστροφής.

Τα γυροσκόπια δονούμενης δομής είναι απλούστερα και φθηνότερα από τα συμβατικά περιστρεφόμενα γυροσκόπια παρόμοιας ακρίβειας. Τα φθηνά γυροσκόπια δονούμενης δομής που κατασκευάζονται με τεχνολογία μικροηλεκτρομηχανικών συστημάτων (MEMS) χρησιμοποιούνται ευρέως σε smartphones, συσκευές παιχνιδιών, κάμερες και πολλές άλλες εφαρμογές.

 Θεωρία λειτουργίας 
Θεωρήστε δύο μάζες απόδειξης που ταλαντώνονται στο επίπεδο (όπως στο γυροσκόπιο MEMS) σε συχνότητα                       Το φαινόμενο Coriolis προκαλεί επιτάχυνση στις μάζες απόδειξης ίση με                       , όπου                       είναι η ταχύτητα και                       είναι ένας γωνιακός ρυθμός περιστροφής. Η ταχύτητα εντός του επιπέδου των μαζών δοκιμής δίνεται από                       , αν η θέση εντός επιπέδου δίνεται από    Η κίνηση εκτός επιπέδου  , που προκαλείται από την περιστροφή, δίνεται από:όπου

                         είναι η μάζα της αποδεικτικής μάζας,          
                         είναι μια σταθερά ελατηρίου στην εκτός επιπέδου κατεύθυνση,          
                         είναι το μέγεθος ενός διανύσματος περιστροφής στο επίπεδο και κάθετο στην κινούμενη απόδειξη κίνησης μάζας.          

Μετρώντας, μπορούμε έτσι να προσδιορίσουμε τον ρυθμό περιστροφής                       . 

 Υλοποιήσεις 
 Κυλινδρικό γυροσκόπιο συντονισμού (CRG) 
Αυτός ο τύπος γυροσκοπίου αναπτύχθηκε από την GEC Marconi και την Ferranti τη δεκαετία του 1980 χρησιμοποιώντας μεταλλικά κράματα με προσαρτημένα πιεζοηλεκτρικά στοιχεία και μονοκόμματο πιεζοκεραμικό σχεδιασμό. Στη συνέχεια, τη δεκαετία του '90, CRG με μαγνητοηλεκτρική διέγερση και ένδειξη κατασκευάστηκαν από την αμερικανική Inertial Engineering, Inc. στην Καλιφόρνια, και πιεζοκεραμικές παραλλαγές από την Watson Industries. Μια πρόσφατα κατοχυρωμένη με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας παραλλαγή από την Innalabs χρησιμοποιεί έναν κυλινδρικό συντονιστή κατασκευασμένο από κράμα τύπου Elinvar με πιεζοκεραμικά στοιχεία για διέγερση και αποσύνδεση στο κάτω μέρος του.

Αυτή η τεχνολογία έδωσε σημαντικά αυξημένη διάρκεια ζωής του προϊόντος (MTBF > 500.000 ώρες). Με την αντοχή της σε κραδασμούς (>300g), θα πρέπει να είναι κατάλληλη για «τακτικές» (μέσης ακρίβειας) εφαρμογές.

Ο συντονιστής λειτουργεί σε συντονισμένη λειτουργία δεύτερης τάξης. Ο συντελεστής Q είναι συνήθως περίπου 20.000, ο οποίος προκαθορίζει τον θόρυβο και τις γωνιακές τυχαίες διαδρομές του. Τα στάσιμα κύματα είναι ελλειπτικά ταλαντώσεις με τέσσερις αντίκόμβους και τέσσερις κόμβους που βρίσκονται περιφερειακά κατά μήκος του χείλους.

Η γωνία μεταξύ δύο γειτονικών αντικόμβων είναι 45 μοίρες. Μία από τις ελλειπτικές συντονιστικές λειτουργίες διεγείρεται σε ένα προκαθορισμένο πλάτος. Όταν η συσκευή περιστρέφεται γύρω από τον ευαίσθητο άξονά της (κατά μήκος του εσωτερικού της στελέχους), οι προκύπτουσες δυνάμεις Coriolis που ασκούνται στα δονούμενα στοιχεία μάζας του συντονιστή διεγείρουν τη δεύτερη συντονιστική λειτουργία. Η γωνία μεταξύ των κύριων αξόνων των δύο λειτουργιών είναι επίσης 45 μοίρες.

Ένας κλειστός βρόχος μηδενίζει τη δεύτερη λειτουργία συντονισμού και η δύναμη που απαιτείται για την ακύρωση αυτής της λειτουργίας είναι ανάλογη με τον ρυθμό περιστροφής εισόδου. Αυτός ο βρόχος ελέγχου ονομάζεται λειτουργία επανεξισορρόπησης δύναμης.

Τα πιεζοηλεκτρικά στοιχεία στο αντηχείο παράγουν δυνάμεις και κινήσεις που προκαλούνται από αισθητήρες. Αυτό το ηλεκτρομηχανικό σύστημα παρέχει τον χαμηλό θόρυβο εξόδου και το μεγάλο δυναμικό εύρος που απαιτούν οι απαιτητικές εφαρμογές, αλλά υποφέρει από έντονους ακουστικούς θορύβους και υψηλές υπερφορτώσεις.

 Πιεζοηλεκτρικά γυροσκόπια 
Ένα πιεζοηλεκτρικό υλικό μπορεί να υποστεί δόνηση και η πλευρική κίνηση λόγω της δύναμης Coriolis μπορεί να μετρηθεί για να παραχθεί ένα σήμα που σχετίζεται με τον ρυθμό περιστροφής. 

 Γυροσκόπιο διαπασών 
Αυτός ο τύπος γυροσκοπίου χρησιμοποιεί ένα ζεύγος δοκιμαστικών μαζών που οδηγούνται σε συντονισμό. Η μετατόπισή τους από το επίπεδο ταλάντωσης μετριέται για να παραχθεί ένα σήμα που σχετίζεται με τον ρυθμό περιστροφής του συστήματος.

Ο Φρέντερικ Γουίλιαμ Μέρεντιθ κατοχύρωσε δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για μια τέτοια συσκευή το 1942, ενώ εργαζόταν στο Βασιλικό Ίδρυμα Αεροσκαφών . Περαιτέρω ανάπτυξη πραγματοποιήθηκε στο RAE το 1958 από τους GH Hunt και AEW Hobbs, οι οποίοι απέδειξαν μετατόπιση μικρότερη από 1°/h ή (2,78 × 10−4 )°/s.

Οι σύγχρονες παραλλαγές των τακτικών γυροσκοπίων χρησιμοποιούν διπλά διαπασών όπως αυτά που παράγονται από τον Αμερικανό κατασκευαστή Systron Donner στην Καλιφόρνια και τον Γάλλο κατασκευαστή Safran Electronics & Defense / Safran Group. 

 Αντηχείο 
Ονομάζεται επίσης ημισφαιρικό γυροσκόπιο συντονισμού ή HRG, ένας συντονιστής γυαλιού χρησιμοποιεί ένα λεπτό ημισφαίριο στερεάς κατάστασης αγκυρωμένο από ένα παχύ στέλεχος. Το ημισφαίριο με το στέλεχος του οδηγείται σε καμπτικό συντονισμό και τα κομβικά σημεία μετρώνται για την ανίχνευση της περιστροφής. Υπάρχουν δύο βασικές παραλλαγές ενός τέτοιου συστήματος: η μία βασίζεται σε ένα καθεστώς ρυθμού λειτουργίας ("λειτουργία δύναμης για επαναφορά ισορροπίας") και μια άλλη παραλλαγή που βασίζεται σε ένα καθεστώς ολοκλήρωσης λειτουργίας ("λειτουργία πλήρους γωνίας"). Συνήθως, το τελευταίο χρησιμοποιείται σε συνδυασμό με μια ελεγχόμενη παραμετρική διέγερση. Είναι δυνατή η χρήση και των δύο καθεστώτων με το ίδιο υλικό, το οποίο είναι ένα μοναδικό χαρακτηριστικό αυτών των γυροσκοπίων.Για ένα μονοκόμματο σχέδιο (δηλαδή, το ημισφαιρικό κύπελλο και το στέλεχος/τα αποτελούν ένα μονολιθικό μέρος) κατασκευασμένο από γυαλί χαλαζία υψηλής καθαρότητας , είναι δυνατό να επιτευχθεί ένας συντελεστής Q μεγαλύτερος από 30-50 εκατομμύρια στο κενό, επομένως οι αντίστοιχοι τυχαίοι περίπατοι είναι εξαιρετικά χαμηλοί. Το Q περιορίζεται από την επίστρωση, μια εξαιρετικά λεπτή μεμβράνη χρυσού ή πλατίνας, και από τις απώλειες των εξαρτημάτων.  Τέτοιοι συντονιστές πρέπει να λεπτορυθμίζονται με μικροδιάβρωση δέσμης ιόντων του γυαλιού ή με αφαίρεση με λέιζερ. Μηχανικοί και ερευνητές σε διάφορες χώρες εργάζονται για περαιτέρω βελτιώσεις αυτών των εξελιγμένων τεχνολογιών αιχμής. 

Οι Safran και Northrop Grumman είναι οι κύριοι κατασκευαστές HRG . 

 Γυροσκόπιο με δονούμενο τροχό 
Ένας τροχός κινείται για να περιστραφεί ένα κλάσμα μιας πλήρους περιστροφής γύρω από τον άξονά του. Η κλίση του τροχού μετριέται για να παραχθεί ένα σήμα που σχετίζεται με τον ρυθμό περιστροφής.  

 Γυροσκόπια MEMS 
Τα φθηνά γυροσκόπια μικροηλεκτρομηχανικών συστημάτων (MEMS) με δονούμενη δομή έχουν γίνει ευρέως διαθέσιμα. Αυτά συσκευάζονται παρόμοια με άλλα ολοκληρωμένα κυκλώματα και μπορούν να παρέχουν είτε αναλογικές είτε ψηφιακές εξόδους. Σε πολλές περιπτώσεις, ένα μόνο μέρος περιλαμβάνει γυροσκοπικούς αισθητήρες για πολλαπλούς άξονες. Ορισμένα μέρη ενσωματώνουν πολλαπλά γυροσκόπια και επιταχυνσιόμετρα (ή γυροσκόπια και επιταχυνσιόμετρα πολλαπλών αξόνων ), για να επιτύχουν έξοδο που έχει έξι πλήρεις βαθμούς ελευθερίας . Αυτές οι μονάδες ονομάζονται αδρανειακές μονάδες μέτρησης ή IMU. Οι Panasonic , Robert Bosch GmbH , InvenSense , Seiko Epson , Sensonor , Hanking Electronics, STMicroelectronics , Freescale Semiconductor και Analog Devices είναι σημαντικοί κατασκευαστές.

Εσωτερικά, τα γυροσκόπια MEMS χρησιμοποιούν μικρολιθογραφικά κατασκευασμένες εκδόσεις ενός ή περισσότερων από τους μηχανισμούς που περιγράφονται παραπάνω (διαπασών ρύθμισης, δονούμενους τροχούς ή συντονισμένα στερεά διαφόρων σχεδίων, δηλαδή παρόμοια με τα TFG, CRG ή HRG που αναφέρθηκαν παραπάνω). 

Τα γυροσκόπια MEMS χρησιμοποιούνται σε συστήματα πρόληψης ανατροπής αυτοκινήτων και αερόσακων, σταθεροποίηση εικόνας και έχουν πολλές άλλες πιθανές εφαρμογές.  

 Εφαρμογές των γυροσκοπίων   

 Αυτοκινητοβιομηχανία 
Οι αισθητήρες εκτροπής αυτοκινήτων μπορούν να κατασκευαστούν γύρω από γυροσκόπια δονούμενης δομής. Αυτά χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση καταστάσεων σφάλματος στην εκτροπή σε σύγκριση με μια προβλεπόμενη απόκριση όταν συνδέονται ως είσοδος σε ηλεκτρονικά συστήματα ελέγχου ευστάθειας σε συνδυασμό με έναν αισθητήρα τιμονιού.  Τα προηγμένα συστήματα θα μπορούσαν ενδεχομένως να προσφέρουν ανίχνευση ανατροπής με βάση ένα δεύτερο VSG, αλλά είναι φθηνότερο να προστεθούν διαμήκη και κάθετα επιταχυνσιόμετρα στο υπάρχον πλευρικό γυροσκόπιο για τον σκοπό αυτό.

 Ψυχαγωγία 
Το παιχνίδι WarioWare: Twisted! για το Nintendo Game Boy Advance χρησιμοποιεί ένα πιεζοηλεκτρικό γυροσκόπιο για την ανίχνευση περιστροφικής κίνησης. Το χειριστήριο Sony SIXAXIS PS3 χρησιμοποιεί ένα μόνο γυροσκόπιο MEMS για τη μέτρηση του έκτου άξονα (yaw). Το αξεσουάρ Nintendo Wii MotionPlus χρησιμοποιεί γυροσκόπια MEMS πολλαπλών αξόνων που παρέχονται από την InvenSense για την ενίσχυση των δυνατοτήτων ανίχνευσης κίνησης του Wii Remote .  Τα περισσότερα σύγχρονα smartphone και συσκευές παιχνιδιών διαθέτουν επίσης γυροσκόπια MEMS.

 Χόμπι 
Τα γυροσκόπια με δονούμενη δομή χρησιμοποιούνται συνήθως σε τηλεκατευθυνόμενα ελικόπτερα για να βοηθήσουν στον έλεγχο του ουραίου στροφείου του ελικοπτέρου και σε τηλεκατευθυνόμενα αεροπλάνα για να βοηθήσουν στη διατήρηση σταθερής στάσης κατά τη διάρκεια της πτήσης. Χρησιμοποιούνται επίσης σε ελεγκτές πτήσης πολλαπλών έλικων , καθώς οι πολλαπλοί έλικες είναι εγγενώς αεροδυναμικά ασταθείς και δεν μπορούν να παραμείνουν στον αέρα χωρίς ηλεκτρονική σταθεροποίηση.

 Βιομηχανική ρομποτική 
Η Epson Robots χρησιμοποιεί ένα γυροσκόπιο MEMS χαλαζία, που ονομάζεται QMEMS, για την ανίχνευση και τον έλεγχο των κραδασμών στα ρομπότ της. Αυτό βοηθά τα ρομπότ να τοποθετούν τον ακραίο ενεργοποιητή του ρομπότ με υψηλή ακρίβεια σε κίνηση υψηλής ταχύτητας και γρήγορης επιβράδυνσης. 

 Φωτογραφία 
Πολλά συστήματα σταθεροποίησης εικόνας σε βιντεοκάμερες και φωτογραφικές μηχανές χρησιμοποιούν γυροσκόπια δονούμενης δομής.

 Προσανατολισμός διαστημοπλοίου 
Η ταλάντωση μπορεί επίσης να προκληθεί και να ελεγχθεί στο γυροσκόπιο δονούμενης δομής για την τοποθέτηση διαστημοπλοίων όπως το Cassini-Huygens .  Αυτά τα μικρά ημισφαιρικά γυροσκόπια συντονισμού κατασκευασμένα από γυαλί χαλαζία λειτουργούν στο κενό. Υπάρχουν επίσης πρωτότυπα ελαστικά αποσυνδεδεμένων κυλινδρικών γυροσκοπίων συντονισμού (CRG)  κατασκευασμένα από μονοκρυσταλλικό ζαφείρι υψηλής καθαρότητας . Το λευκοζαφείρι υψηλής καθαρότητας έχει συντελεστή Q μια τάξη τιμής υψηλότερο από το γυαλί χαλαζία που χρησιμοποιείται για HRG, αλλά αυτό το υλικό είναι σκληρό και έχει ανισοτροπία . Παρέχουν ακριβή τοποθέτηση 3 αξόνων του διαστημοπλοίου και είναι εξαιρετικά αξιόπιστα με την πάροδο των ετών, καθώς δεν έχουν κινούμενα μέρη.

 Αλλος 
Το Segway Human Transporter χρησιμοποιεί ένα γυροσκόπιο με δονούμενη δομή κατασκευασμένο από την Silicon Sensing Systems για τη σταθεροποίηση της πλατφόρμας χειριστή. 

 Εξωτερικοί σύνδεσμοι 
 Proceedings of Anniversary Workshop on Solid-State Gyroscopy (May 19–21, 2008. Yalta, Ukraine). - Kyiv-Kharkiv. ATS of Ukraine. 2009. - . See also the next meetings at: International Workshops on Solid-State Gyroscopy .
 Silicon Sensing – Case Study: Segway HT
 Apostolyuk V.  Theory and Design of Micromechanical Vibratory Gyroscopes
 Prandi L., Antonello R., Oboe R., and Biganzoli F. Automatic Mode-Matching in MEMS Vibrating Gyroscopes Using Extremum Seeking Control //IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2009. Vol.56. - P.3880-3891..  
 Prandi L., Antonello R., Oboe R., Caminada C., and Biganzoli F. Open-Loop Compensation of the Quadrature Error in MEMS Vibrating Gyroscopes //Proceedings of 35th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society – IECON-2009. 2009.  

Κατηγορία:Προσανατολισμός