Solid-state Wave Gyroscope Research Articles

Development of an Algorithm to Suppress Frequency Splitting of an Axisymmetric Resonator of a Wave Solid-State Gyroscope with Optical Detection

This paper describes a mode of functioning of a wave solid-state gyroscope with a quartz resonator used as a sensing element. The components of the gyroscope errors are considered, associated with mass distribution inhomogeneity in the resonator with an axisymmetric structure, vibrations of the gyroscope base, defects in resonator excitation systems, and inaccuracies in the installation of electrodes to receive information about the resonator micromotion. Sources of these errors cause the splitting of the natural frequency of the resonator. The greatest influence on the gyroscope accuracy is exerted by an error due to inhomogeneity of the mass distribution in the resonator. To reduce this error, we propose to use compensatory impact on the gyroscope, produced in the electronic balancing unit and based on the analysis of the gyroscope output signals. An algorithm to operate this unit has been developed and studied, which enables us to increase the accuracy of gyroscope measurements.

Research of influence of technological admissions on characteristics of a solid-state wave gyroscope

The route of design and technique of simulation of a wave solid-state gyroscope with the ring resonator are developed. Simulation of dependences of gyroscope characteristics on design data and their optimization for the job of the necessary mode of movement, in particular, of resonance frequency of excitation of the second mode are executed. The technique of compensation of the mass defects resulting from admissions on technological operations of production of a wave solid-state gyroscope (technological defects) and leading to the shift of initial provision of nodal points is presented.

Development of an algorithm for suppressing frequency splitting of an axisymmetric resonator of a wave solid-state gyroscope with optical detection

Development of an algorithm for suppressing frequency splitting of an axisymmetric resonator of a wave solid-state gyroscope with optical detection

Компенсация погрешностей волнового твердотельного гироскопа с электростатическими датчиками управления

Компенсация погрешностей волнового твердотельного гироскопа с электростатическими датчиками управления

Model of Determination of Defect Difference in Q-Factor of a Solid-State Wave Gyroscope

Рассматривается чувствительный элемент, его геометрические особенности и погрешности, влияющие на тактико-технические характеристики изделия. Проведен анализ, который показал, что основной вклад в собственный уход угла вносят такие погрешности, как упруго-массовые дефекты кварцевого резонатора, неточность сборки конструкции, ошибки в системе съемки и управления, геометрические погрешности резонатора. Оценено влияние таких погрешностей, как разночастотность и разнодобротность на окончательные характеристики навигационного прибора. Твердотельный волновой гироскоп является сложной измерительной системой [1], в его состав входит управляющая компонента, которая уменьшает влияние некоторых неидеальностей прибора. Актуальной задачей является совершенствование управляющей компоненты и повышение точности всей измерительной системы. Перспективным направлением является применение адаптивных систем автоматического управления, поскольку существует необходимость индивидуально подстраиваться под каждый чувствительный элемент: настраивать резонансную частоту чувствительного элемента, выполнять захват собственной частоты колебаний, формировать сигналы рассогласования амплитуды колебаний и т. д. При изменении массогабаритных параметров резонатора, играющих важную роль в измерительном тракте прибора, необходимо проводить изменение параметров системы управления, что увеличивает временные и трудовые затраты. Для повышения эффективности отработки системы автоматического управления, сокращения времени доведения прибора до требуемого уровня качества необходимо разработать математическую модель системы управления. Рассматривается идеальное осесимметричное тело, жестко защемленное за ножку резонатора. В данной статье рассматривается модель контура автоматического подавления разнодобротности для пуш-пульной системы управления твердотельного волнового гироскопа [2]. Сделано предположение о возможности применения результатов имитационного моделирования для дальнейшей реализации контура подавления разнодобротности в составе навигационного блока.

Approaches to the Calculation of Technical Characteristics of a Solid-State Wave Gyroscope

В настоящее время к чувствительным элементам навигационных систем предъявляются жесткие требования, для выполнения которых необходимо постоянно совершенствовать датчики первичной информации (гироскопы, акселерометры) по таким параметрам, как массогабаритные характеристики, точность, надежность, длительный рабочий ресурс. Эти требования стимулируют разработку новых типов гироскопов. К одному из таких новых типов приборов относится твердотельный волновой гироскоп. Для повышения точностных параметров реального изделия и сокращения сроков подготовки производства необходимо разработать математическую модель. Рассматриваются два подхода. Первый - аналитический, второй - численный. При получении аналитического решения предлагаемая математическая модель для полусферического чувствительного элемента создается на основе метода масс. Реальная пространственная конструкция ЧЭ приводится к плоскому кольцу для упрощения задачи и сокращения времени расчета. Применены допущения о жесткой связи определенного числа одинаковых масс по окружному направлению и упругой связи в радиальном направлении. Рассматривается идеальный случай. Проводятся аналитические преобразования с определенными допущениями для упрощения конечной зависимости. Второй подход к созданию математической модели основан на применении теорий собственных колебаний и метода перемещений для объемных тел при условии их упругого деформирования. Рассматривается идеальное осесимметричное тело, жестко защемленное за ножку резонатора. Материал ЧЭ считается изотропным и не учитывает историю обработки заготовки. Исследована с помощью полнофакторного эксперимента основная характеристика ЧЭ - собственная частота в зависимости от конструктивных факторов, чему и посвящена данная статья. Сделано предположение о возможности применения результатов численного эксперимента в аналитической модели для приближенных расчетов.

Measurement Calculation System “Solid-state Resonator Gyroscope”

В статье идет речь об измерительном приборе - твердотельном волновом гироскопе. Работа прибора основана на эффекте инертности стоячих волн. Твердотельный волновой гироскоп рассматривается с двух сторон: как самостоятельный измерительно-вычислительный комплекс и как датчик некоторой инерциальной системы. Структура твердотельного волнового гироскопа представлена в виде взаимосвязанных элементов: резонатор, измерительная компонента, управляющая компонента, вычислительная компонента. Анализируется структура прибора, рассматриваются его подсистемы и их связи. Исследуются различные типы конструкций резонатора, вопросы математического моделирования резонатора. Рассматриваются явления, ухудшающие точность прибора, такие как дрейф волны, нелинейность и шум выходного сигнала. Анализируются причины появления дрейфа. Одна из основных причина дрейфа - конструкционное демпфирование. Изучаются вопросы моделирования резонатора с учетом конструкционного демпфирования. Описываются различные типы датчиков и систем съема на их основе. Рассматривается измерительная компонента как система для наблюдения эффекта Брайана. Обосновывается необходимость формирование сигналов в системе съема для дополнительного наблюдения деформации резонатора в месте крепления. Рассматриваются вопросы управления динамикой резонатора. Приводятся различные контуры управления, которые позволяют получить необходимые характеристики прибора. Описываются точностные параметры. Анализируются зависимости точностных параметров твердотельного волнового гироскопа от различных факторов. Описываются направления повышения точности твердотельного волнового гироскопа и систем на его основе. Ставится общая задача повышения точности прибора за счет учета конструкционного демпфирования в модели резонатора, измерения величин, характеризующих конструкционное демпфирование, и решения задачи редукции ТВГ к идеальному измерительному прибору.

Basics of Simulation Solid-state Wave Gyroscope Resonator

Рассматривается основной элемент твердотельного волнового гироскопа - кварцевый резонатор. Обсуждаются вопросы изучения резонатора твердотельного волнового гироскопа с помощью конечно-элементного моделирования в программе Ansys. Описываются этапы подготовки модели с помощью стандартных средств программы: Engineering Data, Design Modeler, Modal. Приводится простая конструкция резонатора в виде полусферы на ножке. Рассматриваются факторы, влияющие на расчетные значения резонансных частот. Приводятся параметры резонатора, использованные при моделировании. Приводятся основные результаты расчетов: резонансные частоты и соответствующие им моды колебаний. Изучаются вопросы точности расчетов, приводится зависимость расчетных значений от количества элементов в разбиении резонатора на конченые элементы. Точность расчетов оценивается по отклонению частот для мод одной формы - для идеальной осесимметричной оболочки одной частоте соответствует две моды. Приводятся результаты измерений резонансных частот экспериментальных образцов, конструкция которых совпадает с конструкцией модели. Анализируются экспериментальные значения. Сравниваются расчетные и экспериментальные значения, объясняется их различие. Анализируются факторы, влияющие на значение резонансной частоты второй формы колебаний резонатора. Даются оценки точности и адекватности модели, полученной в Ansys.

Идентификация параметров волнового твердотельного гироскопа при медленно меняющейся частоте вынужденных колебаний

Идентификация параметров волнового твердотельного гироскопа при медленно меняющейся частоте вынужденных колебаний

Влияние несовершенств формы на колебания кольцевого резонатора волнового твердотельного гироскопа

Влияние несовершенств формы на колебания кольцевого резонатора волнового твердотельного гироскопа

Линеаризация колебаний резонатора волнового твердотельного гироскопа и сил электростатических датчиков управления

Линеаризация колебаний резонатора волнового твердотельного гироскопа и сил электростатических датчиков управления

How the reference voltage of electromagnetic control sensors affects the drift of wave solid-state gyroscopes

Oscillation dynamics of a wave solid-state gyroscope with a resonator in the form of a thin elastic rotary shell mounted on a movable base is considered. A new mathematical model of the gyroscope, describing nonlinear interrelated electromagnetic and mechanical oscillations in the case that the coils of electromagnetic sensors carry voltage has been developed. Analytical estimation and numerical evaluation of the gyroscope errors have been performed.

A novel ring vibrating gyroscope based on side piezo-electrodes

Solid-state wave gyroscope is one kind of high-performance vibrating gyroscopes. The present work develops a new type of solid-state wave gyroscope—a ring vibrating gyroscope driven by piezo-electrodes located on the sidewall of the structure. It has advantages of large vibrating amplitude, high energy conversion efficiency and compact structure. The working principle of the piezoelectric ring vibrating gyroscope is based on the inertia effect of the standing wave in the axisymmetric resonator caused by Coriolis force. The finite element method (FEM) analysis has been implemented to characterize the ring type resonator. The prototypal gyroscope was manufactured and has been trimmed by mechanical way. The harmonic response of the ring vibrating gyroscope has been tested. The resonating frequency of the ring type resonator is 3715.6 Hz and the frequency split of the two working modes before trimming was about 5 Hz and was reduced to sub −0.01 Hz after trimming procedure. The Q-factor of the ring type resonator was 2504. Then, the turntable experiment was implemented. The measured scale factor k is 9.24 mV/[(°)∙s] and the full scale range of the gyroscope is larger than ±300 (°)/s.

Термоупругие потери в конструкционных материалах резонаторов волновых твердотельных гироскопов

Термоупругие потери в конструкционных материалах резонаторов волновых твердотельных гироскопов

Расщепление собственных частот кольцевого резонатора твердотельного волнового гироскопа, вызванное возмущением формы

Расщепление собственных частот кольцевого резонатора твердотельного волнового гироскопа, вызванное возмущением формы

A Novel Cupped Solid-State Wave Gyroscope

Aiming at improving the Q-factor and simplifying the fabricating process of the cupped solid-state wave Gyroscope, a novel cupped solid-state wave gyroscope based on piezoelectric effect is presented in this paper. The sensor has a novel cupped metallic resonator comprises of a cone shell and eight thin flat beams. The working principle of the gyroscope is validated by FEM. Compared with conventional solid-stated gyroscopes, the novel structural features improve the Q-factor and simplify the fabricating process of the gyroscope. The prototypal gyroscope is fabricated and tested, the work mode frequency is about 3979Hz, and the Q-factor is over 8000 in atmosphere. The side-lobes in the output signal’s FFT curve validate the novel design scheme.

Atomic functions in the problem of evaluating the Rayleigh functions and the precession coefficient for the resonator of a wave solid-state gyroscope

Atomic functions in the problem of evaluating the Rayleigh functions and the precession coefficient for the resonator of a wave solid-state gyroscope