Механический и лазерный гироскоп

[Введите текст]

Цель контрольной работы — произвести сравнительный анализ конструктивных решений, характерных при построении электронно-оптических и электромеханических гироскопов.

Решаемые задачи:

Характеристика электромеханических гироскопов.

Характеристика электронно-оптических гироскопов.

Построение с использованием САПР конструкций рассмотренных гироскопов.

Электромеханические чувствительные элементы инерциальных навигационных систем (ИНС)

Гироскоп с магнитным подвесом сферического ротора (МСГ). Это еще один тип гироскопа с неконтактным подвесом ротора. Принцип построения такого гироскопа аналогичен ЭСГ, но в нем в качестве поддерживающих сил в подвесе ротора использованы силы магнитного взаимодействия ферритового ротора с полями, создаваемыми статорами магнитного подвеса.

Рис. 1 — Схема МСГ Схема МСГ показана на рис. 1.

Достоинствами такого гироскопа являются относительная простота реализации пассивного резонансного магнитного подвеса, отсутствие высоких напряжений в системе подвеса, возможность создания корректируемого гироскопа для малогабаритных карданных систем с автокомпенсацией. Подобный тип гироскопа разрабатывается только в России.

К недостаткам МСГ следует отнести малую перегрузочную способность, большое время готовности, проблемы безаварийных посадок ротора.

Поплавковые гироскопы (ПГ). Этот класс гироскопов в 60−80-х годах являлся основным типом ЧЭ, наиболее широко использовавшимся в системах гироскопической стабилизации, навигации и управления.

Принцип подвеса носителя кинетического момента (ротора гиромотора) использует архимедовы силы с непрерывной, гладко распределенной эпюрой поддерживающих сил. Для создания ПГ необходимо разработать камеру с установленным в ней гиромотором, поместить эту камеру в вязкую жидкость, плотность которой равна удельной плотности камеры, снабдить это устройство датчиком угла поворота камеры относительно корпуса гироскопа и датчиком момента.

Для прецизионных ПГ необходима система статирования температуры поддерживающей жидкости. В большинстве применений используются двухстепенные ПГ с цилиндрической поплавковой камерой, которые в зависимости от схемы включения, могут работать как интегрирующие гироскопы, используемые в качестве ЧЭ систем гироскопической стабилизации или, при введении упругой связи при угловом рассогласовании с корпусом, как датчики угловой скорости. Трехстепенные ПГ представляют собой позиционные гироскопы и используются в карданных системах гиростабилизации.

Схема двухстепенного ПГ показана на рис. 2.

Рис. 2 — Схема двухстепенного ПГ Эти приборы отличаются высокой надежностью, устойчивостью к механическим перегрузкам, возможностью создания прецизионного управления гироскопом, большим ресурсом. Модели дрейфа таких гироскопов достаточно хорошо изучены и практически используются. К недостаткам таких приборов следует отнести их высокую чувствительность к изменениям внешнего температурного поля, сложность изготовления и, соответственно, достаточно высокую стоимость. Реально достижимая точность ПГ (стабильность дрейфа при горизонтально расположенной оси кинетического момента) без особых усилий и затрат на отработку гироскопов может находиться в пределах 0,002−0,005 град/ч.

Гироскоп с электростатическим подвесом сферического ротора (ЭСГ). Этот тип гироскопа — несомненный лидер в ряду прецизионных гироскопов, точностные характеристики которого подтверждены в последние десятилетия практической реализацией в карданных системах. Практическая задача создания ЭСГ сводится к формированию такого подвеса, созданию систем разгона ротора, демпфирования его нутационных колебаний, стабилизации скорости вращения и съема информации об угловом положении ротора в корпусной (связанной) системе координат. Схема ЭСГ представлена на рис. 3.

Рис. 3 — Схема ЭСГ Здесь показаны две возможные раздельно или совместно применяемые системы считывания информации об угловом положении ротора. Несмотря на кажущуюся простоту построения ЭСГ, практическая реализация его принципов требует привлечения и разработки многих технологий высокого уровня. Поэтому такие гироскопы реально разработаны только в США, России и Франции. Потенциальная точность ЭСГ обусловлена влиянием на его погрешности относительно малого числа физических факторов, а также большой стабильностью его параметров. Это позволило с достаточно хорошим приближением решить важную для каждого типа гироскопов задачу — создание модели его дрейфа.

Точность таких приборов в карданных системах с автокомпенсацией и алгоритмической компенсацией с использованием моделей дрейфа в ближайшие годы может приблизится к 10−6 град/ч.

К недостаткам ЭСГ следует отнести их относительно малую стойкость к механическим перегрузкам, большое время готовности, трудности в создании управляемого ЭСГ с точностями коррекции на уровне точности гироскопа. Несмотря на значительные успехи в решении проблемы безаварийной посадки ротора при сбоях в каналах подвеса, эксплуатация ЭСГ требует внимательного отношения к системе его питания. Среди ЭСГ различных классов более перспективен ЭСГ со сплошным ротором, который обладает потенциально большей точностью и на базе которого проще создать бескарданную инерциальную навигационную систему.

Гироскопы на воздушном подвесе (ГВП). Этот класс гироскопов использует для подвеса носителя кинетического момента газодинамическую (на принципе самоподдержания) или газостатическую (с поддувом от автономного источника — компрессора или баллона) опору (здесь не рассматривается применение газодинамических опор для поддержания роторов гироскопов других типов, например, поплавкового, где они могут быть использованы в качестве опоры гиромотора в поплавковой камере). В ГВП газодинамические опоры используются для подвесов в осях чувствительности этих приборов. Поэтому основным требованием к формированию таких подвесов является минимальное и стабильное моментное воздействие на ротор гироскопа. Одной из последних разработок ГВП следует, видимо, считать разработку закрытого шарового гироскопа на обращенной (расположенной внутри ротора) опоре. Конструктивная схема такого прибора показана на рис. 4.

Рис. 4 — Схема ГВП Разработка такого прибора в России завершена в 80-х годах. Он предназначен для использования в качестве чувствительного элемента карданных систем и способен обеспечить точности на уровне тысячных градуса в час. Достоинствами этого гироскопа являются достаточная перегрузочная способность и точность системы коррекции через его датчик момента. Основной недостаток его — заметная величина момента, связывающего ротор с корпусом. Это приводит к малым значениям параметра, называемого «постоянной времени гироскопа», и ограничивает его точность в следящих системах гиростабилизации. Дальнейшее развитие разработок такого типа приборов с целью, например, повышения их точности, видимо, неперспективно.

Механические и динамически настраиваемые (ДНГ) гироскопы. Принципы работы классических механических гироскопов не нуждаются в особых пояснениях. Эти гироскопы просты по принципам построения, их разработка, изготовление и эксплуатация не требуют относительно сложных технологий.

Они отличаются высокой надежностью и стойкостью к широкому спектру механических и климатических возмущений. Динамически настраиваемые гироскопы — один из видов вибрационных гироскопов, использующих информацию об амплитуде и фазе вибрации тела (ротора гироскопа) относительно одной или двух его осей при воздействии на него угловой скорости вращения основания. Широчайший класс механических и динамически настраиваемых гироскопов, видимо, достиг своих пределов в основных технических характеристиках.

Их дальнейшие разработки для повышения точности, уменьшения массогабаритных параметров и т. д. потребуют неоправданных затрат. Такие гироскопы еще будут некоторое время применяться в системах стабилизации и управления средней точности и малой стоимости, но постепенно их вытеснят лазерные, волоконно-оптические, ВТГ и микромеханические гироскопы.

Электронно-оптические гироскопы

Лазерные (ЛГ) и волоконно-оптические (ВОГ) гироскопы. Эти гироскопы используют эффекты наложения встречных световых волн, относительный сдвиг фазы которых зависит от скорости вращения основания.

Отметим несомненные достоинства ЛГ: малое время готовности, относительно низкая чувствительность к перегрузкам, уникальная разрешающая способность системы съема информации, простота сопряжения выходной информации с ЭВМ.

Дальнейшие перспективы развития оптических гироскопов связаны с более динамичным развитием ВОГ. При этом предстоит решить ряд сложных задач в области совершенствования оптических и волоконно-оптических материалов и узлов; миниатюризация таких приборов встретит проблему деградации оптических свойств оптического волокна при его изгибах с малым радиусом. Основная проблема в создании оптических гироскопов — минимизация влияния эффекта захвата встречных волн, приводящего к нечувствительности гироскопа к малым угловым скоростям вращения основания. На рис. 5. показана упрощенная схема ВОГ.

Рис. 5 — Схема ВОГ Реально создаваемые гироскопы, в том числе и трехосные модули из них, обладают значительно более сложной структурой.

Микромеханические гироскопы

Микромеханические гироскопы (ММГ). Появление этих приборов обозначило революционный процесс в развитии инерциальной технологии. Идея их создания базируется на использовании гибридно-интегральных технологий в конструкциях, например, вибрационных гироскопов. Заметим здесь, что эти же идеи послужили базой для создания микроакселерометов. Одними из первых разработчиков этого направления, получивших практические результаты следует считать специалистов лаборатории им. Ч. Дрейпера. На рис. 6 показана структурно-конструктивная схема вибрационного (камертонного) ММГ, разработанного в этой лаборатории.

навигационный система гироскоп Рис. 6 — Структура ММГ К числу уникальных характеристик таких устройств относятся сверхмалые (единицы миллиметров) габариты, устойчивость к механическим (цо 100 000 g) и тепловым (от -40 до +85°С) воздействиям, малое энергопотребление и, конечно, чрезвычайно низкая стоимость (десятки USD на одну ось измерений). Это определяет широкие возможности использования ММГ на самых разных подвижных объектах: от снарядов до подвижных роботов, вплоть до установки «на каждое колесо автомобиля». Комплексирование таких гироскопов и акселерометров, поддержанных микропроцессорами с приемными устройствами спутниковых навигационных систем, позволило создать сверхминиатюрные навигационные системы, в которых гироскопы фактически играют роль фильтра, поддерживая на коротких интервалах времени навигационную информацию.

Характерна динамика развития ММГ. Если первые образцы таких приборов, которые были изготовлены во второй половине 90-х годов, демонстрировали точность около 6 000 000 град/ч, то в 1991 г. наблюдалась погрешность около 100 000 град/ч, а в 1995 -порядка 1000 град/ч. В настоящее время рассматривается возможность достижения точности таких гироскопов на уровне сотых долей градуса в час. Эргономические показатели ММГ обусловили тенденцию роста не только гражданского, но и военного использования таких гироскопов. В 1996 г. военное применение нашли уже около 10% (в стоимостном выражении) изготовленных гироскопов.

Заключение

Приведена характеристика рассмотренных типов гироскопов.

Выделены основные свойства данных чувствительных элементов Построены конструктивные решения для рассмотренных типов гироскопов.

1. Бычков С. И., Лукьянов Д. П., Бакаляр А. И. Лазерный гироскоп. Под ред. проф. С. И. Бычкова. М., 1975. 424 с.

2. САПР Pro Engineer.

Приложение 1

Механический гироскоп

Приложение 2

Электронно-оптический гироскоп