ОДНООСНЫЙ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ГИРОСКОП

Полезная модель относится к области приборостроения - микромеханическим гироскопам авиационно-космических пилотажных систем управления, используемых в качестве датчиков угловых скоростей [1-5].
Известны устройства для измерения угловых скоростей летательных аппаратов: механические с вращающимся ротором, оптические - с вращающимся лучом света, ядерные - с использованием спин-эффекта электронов и атомного ядра, микромеханические - с вибрирующей чувствительной массой. [4, 5].
Известно устройство, в котором микромеханический датчик гироскопа выполнен в виде двухмассной системы. Каждая масса совершает независимые друг от друга встречные колебания. В результате сложения в выходном сигнале двух независимых сигналов, создаваемых встречно перемещающимися массами, происходит компенсация влияния линейных ускорений [3].
Основным недостатком такого устройства является остаточная нескомпенсированность влияния линейных ускорений на выходной сигнал гироскопа за счет неидентичности датчиков, которая, по данным зарубежных фирм составляет величину порядка 0,2 град/c/g [3].
Наиболее близким техническим решением, т.е. прототипом предложенного устройства, является устройство, содержащее одноосный микромеханический датчик угловых скоростей с аналоговым выходным информационным сигналом и базовое основание [2].
Основным недостатком такого устройства является существенная зависимость его выходного сигнала от действия линейных ускорений в плоскости, перпендикулярной оси чувствительности Z.
Техническим результатом заявленной полезной модели является повышение точности измерений микромеханического гироскопа с линейными колебаниями чувствительного элемента.
Сущность заявленного в полезной модели одноосного микромеханического гироскопа, содержащего одноосный микромеханический датчик угловых скоростей с аналоговым выходным информационным сигналом и базовое основание заключается в том, что в него дополнительно введены двухосный микромеханический акселерометр с аналоговыми выходными информационными сигналами, многоканальный аналогово-цифровой преобразователь, первый вычислитель и цифро-аналоговый преобразователь, причем двухосный микромеханический акселерометр установлен на базовом основании совместно с одноосным микромеханическим датчиком угловых скоростей так, что оси чувствительности акселерометра лежат в плоскости, перпендикулярной оси чувствительности микромеханического датчика угловых скоростей, при этом выход одноосного микромеханического датчика угловых скоростей, первый и второй выходы двухосного микромеханического акселерометра соответственно через аналогово-цифровой преобразователь соединены с первым, вторым и третьим входами первого вычислителя, выход которого через цифро-аналоговый преобразователь подключен к потребителю.
Техническая реализация заявленного устройства осуществляется на аппаратно-программном комплексе с использованием элементной базы компьютерной техники и микроэлектроники.
На фиг.1 представлена функциональная схема заявленного микромеханического гироскопа, где: базовое основание - 1 одноосный микромеханический датчик угловых скоростей - 2, двухосный микромеханический акселерометр - 3, аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) - 4, первый вычислитель 5, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) - 6
Работает устройство следующим образом.
На общем базовом основании 1 (фиг.1) жестко закреплены одноосный микромеханический датчик угловых скоростей 2 и двухосный микромеханический
акселерометр 3 причем двухосный микромеханический акселерометр установлен на базовом основании так, что оси его чувствительности X, Y лежат в плоскости, перпендикулярной оси чувствительности Z микромеханического датчика угловых скоростей.
z
х
у.
z
х
х
y
y
х
у
ω
ω
ω
ω
На выходах микромеханического датчика угловых скоростей 2 и двухосного микромеханического акселерометра 3 формируют аналоговые электрические сигналы линейных скоростей  Ω (в направлении оси Z) и линейных ускорений α и α (в направлении осей Х и Y), которые через N - входовой аналогово-цифровой преобразователь 4 (N - число обрабатываемых сигналов, например, для данного случая N=3) подключены к соответствующим входам вычислителя 5, выполненного, например, на микропроцессоре, в котором для каждого отсчета поступающих сигналов вычисляют компенсированное значение линейной скорости по формуле:  Ω= Ω-К α-К α, где: К  и К  - коэффициенты зависимости угловой скорости от величины действующего в направлении каждой оси линейного ускорения.
Сигнал, соответствующий вычисленному значению линейной скорости, с выхода вычислителя 5 через цифро-аналоговый преобразователь 6 подают на вход потребителя.
ω
ω
х
у
Числовые значения коэффициентов К  и К  определяют для каждой конкретной пары «микромеханический датчик - акселерометр» экспериментально на этапе калибровки, для чего измеряют значения угловой скорости и линейных ускорений для четырех положений устройства в пространстве
2
Z1
x1
- при совпадении вектора ускорения силы тяжести g=9,8174 м/с с направлением оси чувствительности Х двухосного акселерометра 3( Ω, a=g),
Z2
х2
- при направлении оси чувствительности Х акселерометра 3 в сторону противоположную направлению вектора ускорения силы тяжести ( Ω, а=-g),
2
Z3
y1
- при совпадении вектора ускорения силы тяжести g=9,8174 м/с с направлением оси чувствительности Y двухосного акселерометра 3( Ω,a=g),
Z4
Y2
- при направлении оси чувствительности Y акселерометра 3 в сторону противоположную направлению вектора ускорения силы тяжести ( Ω, a=-g),
По результатам измерений рассчитывают коэффициенты влияния линейных ускорений, действующих на гироскоп по осям Х и Y, по формулам:
ω
x
Z1
Z2
x1
x2
x
К =( Ω- Ω)/(a-a)=Δ Ω/2g [град*с/м],
ω
y
Z3
Z4
y1
y2
y
K =( Ω- Ω)/(a-a)=Δ Ω/2g [град*с/м],
х
у
где: Δ Ω [град/с] и Δ Ω [град/с] - приращения угловой скорости, вызванные действием линейных ускорений по оси Х и Y.
Результаты экспериментальных исследований показали, что использование заявленного изобретения позволит более чем на порядок уменьшить погрешность измерения угловой скорости, обусловленной воздействием на гироскоп линейных ускорений, что приведет к повышению точности систем управления авиационно-космическими аппаратами и, соответственно, к повышению безопасности полетов.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Суминов В.М., Галкин В.И. Состояние и перспективы развития микромеханических гироскопов: Научные труды «МАТИ» - Российский государственный технологический университет им. К.Э.Циолковского. Вып. 10 (82). - М: ИЦ МАТИ, 2006. - С.154-160.
2. Распопов В.Я. Микромеханические приборы, - Учебное пособие 2-е изд., Тульский государственный университет. Российский государственный технологический университет им. К.Э.Циолковского. Тула: «Гриф и К», 2004.
3. Техническое описание микромеханического датчика ADXRS 150 фирмы Analog Devices, http://www/analog.com
4. Браславский Д.А., Логунов С.С., Пельпер Д.С. Авиационные приборы и автоматы. - М., Машиностроение, 1978.
5. Пешехонов В.Г. Ключевые задачи современной автономной навигации, «Гироскопия и навигация», 1966, №1, с48