Operating in the Mode of a Compensation-type Angular Rate Sensor
EDN: DFNQDO
Abstract
The paper considers the dynamics of the wave solid-state gyroscope (WSG) operating in the mode of a compensation-type angular rate sensor (ARS). The mathematical model of the resonator forced oscillations is applied. The Krylov-Bogolyubov averaging method is used to study the WSG dynamics in slow variables measured by the gyroscope electronic circuit. A formula is derived to determine the scale factor of an imperfect gyroscope resonator in the operation mode under discussion. It is shown that in this case, the value of the measured angular rate and the scale factor of the gyroscope depend on the feedback coefficient, the range of measured angular rates, anisotropy of the resonator’s elastic and damping properties, and other parameters. Numerical simulation of the information readout process in the WSG operating mode has been carried out. Formulas for the scale factor relative errors caused by changes in the gyroscope parameters are obtained. Numerical examples are given.
About the Authors
A. A. Maslov
Moscow Power Engineering Institute
Russian Federation
Russian Federation
Moscow
D. A. Maslov
Moscow Power Engineering Institute
Russian Federation
Russian Federation
Moscow
I. V. Merkuryev
Moscow Power Engineering Institute
Russian Federation
Russian Federation
Moscow
References
1. Пешехонов В.Г. Высокоточная навигация без использования информации глобальных навигационных спутниковых систем // Гироскопия и навигация. 2022. Т. 30. №1 (116). С. 3–11. DOI 10.17285/0869-7035.0084.
2. Переляев С.Е. Современное состояние волновых твердотельных гироскопов. Перспективы развития в прикладной гироскопии // XXX Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам. СПб., 2023. С. 204–207.
3. Маслов А.А., Маслов Д.А., Ниналалов И.Г., Меркурьев И.В. Волновые твердотельные гироскопы: обзор публикаций // Гироскопия и навигация. 2023. Т. 31. №1 (120). C. 3–25. EDN: BJLSLM. DOI: 10.1134/S2075108723010054.
4. Журавлев В.Ф., Климов Д.М. Волновой твердотельный гироскоп. М.: Наука, 1985. 125 с.
5. Климов Д.М., Журавлев В.Ф., Жбанов Ю.К. Кварцевый полусферический резонатор (волновой твердотельный гироскоп). М.: Изд-во «Ким Л.А.», 2017. 194 с.
6. Loper, E., Lynch, D.D., The HRG: a new low-noise Inertial Rotation Sensor, Proc. 16th Joint ServicesData Exchange for Inertial Systems, Los Angeles, USA, 16–18 Nov. 1982, pp. 432–433.
7. Rozelle, D.M., The hemispherical resonator gyro: From wineglass to the planets, Proc. 19th AAS/AIAA Space Flight Mechanics Meeting, 2009, 134, pp. 1157–1178.
8. Foloppe, Y., Lenoir, Y., HRG Crystal™ DUAL CORE: Rebooting the INS Revolution, DGON Inertial Sensors and Systems (ISS), 2019, pp. 1–24, doi: 10.1109/ISS46986.2019.8943660.
9. Мейер Д., Розелле Д. Инерциальная навигационная система на основе миниатюрного волнового твердотельного гироскопа // Гироскопия и навигация. 2012. №3. С. 45–54.
10. Жанруа А., Буве А., Ремиллье Ж. Волновой твердотельный гироскоп и его применение в морском приборостроении // Гироскопия и навигация. 2013. №4. С. 24–34.
11. Chikovani, V.V., Yatsenko, Yu. A., Kovalenko, V.A., Scherban, V.I., Digitally controlled High Accuracy Metallic Resonator CVG, Proc. Symposium Gyro Technology, Stuttgart, 2006, pp. 4.0–4.7.
12. Wu, X. et al., Cylindrical Vibratory Gyroscope, Springer Nature Singapore Pte Ltd., 2021, 202 p., https://doi.org/10.1007/978-981-16-2726-2.
13. Tao, Y., Pan, Y., Liu, J., Jia, Y., Yang, K., Luo, H., A Novel Method for Estimating and Balancing the Second Harmonic Error of Cylindrical Fused Silica Resonators, Micromachines (Basel), 2021, Apr. 1;12(4):380, doi: 10.3390/mi12040380.
14. Ranji, A.R., Damodaran, V., Li, K., Chen, Z., Alirezaee, S., Ahamed, M.J., Recent Advances in MEMS-Based 3D Hemispherical Resonator Gyroscope (HRG)-A Sensor of Choice, Micromachines (Basel), 2022, Oct. 5; 13(10):1676, doi: 10.3390/mi13101676.
15. Asadian, M.H., Wang, D., Shkel, A.M., Fused quartz dual-shell resonator gyroscope, Journal of Microelectromechanical Systems, 2022, 31, 533–54.
16. Li, C., Wang, Y., Ahn, C.K., Zhang, C., Wang, B., Milli-Hertz Frequency Tuning Architecture Towards High Repeatable Micromachined Axi-Symmetry Gyroscopes, IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2022, 1–10, https://doi.org/10.1109/TIE.2022.3192672.
17. Sun, J., Yu, S., Xi, X., Lu, K., Shi, Y., Wu, X., Xiao, D., Zhang, Y., Investigation of Angle Drift Induced by Actuation Electrode Errors for Whole-Angle Micro-Shell Resonator Gyroscope, IEEE Sens. J., 2022, 22, 3105–3112.
18. Матвеев В.А., Лунин Б.С., Басараб М.А., Чуманкин Е.А. Балансировка металлических резонаторов волновых твердотельных гироскопов низкой и средней точности // Наука и образование. 2013. №6. С. 251–266.
19. Распопов В.Я., Лихошерст В.В. Волновые твердотельные гироскопы с металлическим резонатором // Гироскопия и навигация. 2023. Т. 31. №1 (120). C. 25-44. EDN: BQEDWV.
20. Распопов В.Я., Алалуев Р.В., Ладонкин А.В., Лихошерст С.И., Шепилов В.В. Настройка и калибровка волнового твердотельного гироскопа с металлическим резонатором, работающего в режиме датчика угловой скорости // Гироскопия и навигация. 2020. Т. 28. №1. С. 31–41.
21. Тимошенков С.П., Анчутин С.А., Плеханов В.Е., Кочурина Е.С., Тимошенков А.С., Зуев Е.В. Разработка математического описания кольцевого микрогироскопа // Нано- и микросистемная техника. 2014. Т. 5. С. 18–25.
22. Косторной А.Н. Кольцевой микромеханический гироскоп: дис. … канд. техн. наук. Москва, 2018. 130 с.
23. Журавлев В.Ф., Переляев С.Е. Волновой твердотельный гироскоп – инерциальный датчик нового поколения с комбинированным режимом функционирования // Инновационные, информационные и коммуникационные технологии. 2016. №1. С. 425–431.
24. Шишаков К.В. Твердотельные волновые гироскопы: волновые процессы, управление, системная интеграция. Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2018. 264 с.
25. Трутнев Г.А. Нелинейность масштабного коэффициента волнового твердотельного гироскопа // Интеллектуальные системы в производстве. 2018. Т. 16. № 4. С. 138–143. DOI:10.22213/2410-9304-2018-4-138-144. EDN: YSUFJZ.
26. Некрасов А.В. Нейросетевой алгоритм калибровки волнового твердотельного гироскопа: дис. … канд. техн. наук. Москва: НИУ «МАИ», 2010. 153 с.
27. Джашитов В.Э., Панкратов В.М. Математические модели термоупругого напряженно-деформированного состояния температурных и технологических погрешностей волнового твердотельного датчика инерциальной информации // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2010. № 3. С. 55–63.
28. Северов Л.А., Пономарев В.К., Панферов А.И., Овчинникова Н.А. Структура и характеристики волнового микромеханического датчика угловой скорости с кольцевым резонатором // Гироскопия и навигация. 2014. №3. С. 59–72.
29. Северов Л.А., Пономарев В.К., Панферов А.И., Овчинникова Н.А. Основные характеристики и балансировка микромеханических датчиков угловой скорости на основе кольцевого резонатора // Известия ТулГУ. Технические науки. 2016. №10. С. 41–52.
30. Маслов А.А., Маслов Д.А., Меркурьев И.В. Масштабный коэффициент волнового твердотельного гироскопа в режиме датчика угловой скорости // XXIX Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам. 2022. С. 176–179.
31. Маслов Д.А., Меркурьев И.В. Компенсация погрешностей и учет нелинейности колебаний вибрационного кольцевого микрогироскопа в режиме датчика угловой скорости // Нелинейная динамика. 2017. Т. 13. №2. С. 227–241. DOI: 10.20537/nd1702006.
32. Меркурьев И.В., Подалков В.В. Динамика микромеханического и волнового твердотельного гироскопов. Москва: ФИЗМАТЛИТ, 2009. 228 с.
33. Маслов А.А., Маслов Д.А., Меркурьев И.В. Нелинейные эффекты в динамике волнового твердотельного гироскопа с плоскими электродами // Гироскопия и навигация. Т. 31. №4 (123). 2023. C. 64–77. EDN BPZTEA.
34. Маслов Д.А., Меркурьев И.В. Влияние нелинейных свойств электростатических датчиков управления на динамику цилиндрического резонатора волнового твердотельного гироскопа // Изв. РАН. МТТ. 2021. №6. С. 88–110. DOI: 10.3103/S002565442106011X.
35. Маслов А.А., Маслов Д.А., Меркурьев И.В. Способ определения параметров волнового твердотельного гироскопа. Патент 2544308(РФ). 2015. Бюл. №14.
36. Маслов А.А., Маслов Д.А., Меркурьев И.В. Учет нелинейности колебаний резонаторов при идентификации параметров волновых твердотельных гироскопов разных типов // Изв. РАН. МТТ. 2022. №6. С. 28–40. DOI: 10.3103/S0025654422060073.
37. Боголюбов Н.Н., Митропольский Ю.А. Асимптотические методы в теории нелинейных колебаний. Москва: Наука, 1974. 503 с.
38. Лунин Б.С., Матвеев В.А., Басараб М.А. Волновой твердотельный гироскоп. Теория и технология. М.: Радиотехника, 2014. 176 с.
Review
For citations:
Maslov A.A., Maslov D.A., Merkuryev I.V. Operating in the Mode of a Compensation-type Angular Rate Sensor. Gyroscopy and Navigation. 2024;32(4):3-14. (In Russ.) EDN: DFNQDO
Views:
17
Email this article 