ntvНаучно-технический вестник информационных технологий, механики и оптикиScientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics2226-14942500-0373Университет ИТМО10.17586/2226-1494-2024-24-1-133-143ntv-75Research ArticleМАТЕМАТИЧЕСКОЕ И КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕMODELING AND SIMULATIONОбеспечение режимов функционирования кориолисовых вибрационных гироскопов с низкодобротными резонаторамиProviding operating modes for Coriolis vibration gyroscopes with low-Q resonatorshttps://orcid.org/0000-0001-8997-0297МатвеевВ. В.MatveevV. V.

Матвеев Валерий Владимирович — доктор технических наук, доцент, ведущий научный сотрудник, заведующий кафедрой

 Тула, 300012

sc 56382006100

Valery V. Matveev — D.Sc., Associate Professor, Leading Researcher, Head of Department

Tula, 300012

 sc 56382006100

matweew.valery@yandex.ruhttps://orcid.org/0009-0009-4315-5997ЛихошерстВ. В.LikhosherstV. V.

Лихошерст Владимир Владимирович — кандидат технических наук, старший научный сотрудник, доцент

Тула, 300012

sc 57190385346, 

Vladimir V. Likhosherst — PhD, Senior Researcher, Associate Professor

 Tula, 300012

sc 57190385346

lvv_01@inbox.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1590-4278КаликановА. В.KalikanovA. V.

Каликанов Алексей Владимирович — младший научный сотрудник, ассистент кафедры

Тула, 300012

sc 5755680050

Alexey V. Kalikanov — Junior Researcher, Assistant

Tula, 300012

sc 5755680050

kalikanov.aleksei@mail.ruhttps://orcid.org/0009-0005-9731-3066ПогореловМ. Г.PogorelovM. G.

Погорелов Максим Георгиевич — кандидат технических наук, заведующий лабораторией, доцент

Тула, 300012

sc 55983327300

Maxim G. Pogorelov — PhD, Head of Laboratory, Associate Professor 

Tula, 300012

sc 55983327300

mgpogoreloff@yandex.ruhttps://orcid.org/0009-0002-2872-9322КирсановМ. Д.KirsanovM. D.

Кирсанов Максим Дмитриевич — младший научный сотрудник, ассистент

Тула, 300012

 sc 79539670944

 

Maxim D. Kirsanov — Junior Researcher, Associate Professor

 Tula, 300012

sc 79539670944

kirsanovMD@yandex.ruhttps://orcid.org/0009-0001-2649-8420ТелухинС. В.TelukhinS. V.

Телухин Сергей Владимирович — кандидат технических наук, доцент

Тула, 300012

 sc 56770129600

Sergey V. Telukhin — PhD, Associate Professor

Tula, 300012

sc 56770129600

teluhinserg@yandex.ruТульский государственный университетРоссияTula State UniversityRussian Federation202412122024241133143Copyright © Матвеев В.В., Лихошерст В.В., Каликанов А.В., Погорелов М.Г., Кирсанов М.Д., Телухин С.В., 20242024Матвеев В.В., Лихошерст В.В., Каликанов А.В., Погорелов М.Г., Кирсанов М.Д., Телухин С.В.Matveev V.V., Likhosherst V.V., Kalikanov A.V., Pogorelov M.G., Kirsanov M.D., Telukhin S.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ntv.elpub.ru/jour/article/view/75

Введение. Кориолисовые вибрационные гироскопы — класс перспективных инерциальных датчиков первичной информации, реагирующих на вращение основания резонатора посредством сил инерции Кориолиса, возникающих в вибрирующей оболочке. В настоящее время получили развитие два направления производства резонаторов таких гироскопов: из кварцевого стекла — материала с чрезвычайной малым внутренним трением и на основе обработки металлического сплава. При использовании первого направления, благодаря высокой добротности кварца, удается создавать интегрирующие гироскопы навигационного класса. Существующие образцы кориолисовых вибрационных гироскопов с металлическими резонаторами, как правило, представляют собой датчики угловой скорости. Проблема создания интегрирующего режима гироскопа с металлическим резонатором связана с низкой добротностью металлических сплавов, которая обычно не превышает 35 000. При таком значении добротности длительность функционирования гироскопа в режиме датчика угловых отклонений составит несколько секунд. В работе представлены способы обеспечения функционирования кориолисовых вибрационных гироскопов, включая режим интегрирующего гироскопа. Метод. Приведено математическое описание кориолисовых вибрационных гироскопов с цилиндрическим объемным резонатором на основе динамической модели доктора Д. Линча методом огибающих амплитуд колебаний. Математическая модель дополнена поправками, обеспечивающими компенсацию диссипации энергии колебаний резонатора для реализации интегрирующего режима гироскопа. Показаны условия полной компенсации рассеяния энергии колебаний. Представлено описание способов возбуждения стоячей волны в резонаторе с помощью вынуждающего периодического воздействия и путем создания автоколебаний. Показано, что длительность переходного процесса возбуждения определяется постоянной времени резонатора. Основные результаты. Приведены результаты экспериментальных исследований кориолисовых вибрационных гироскопов с низкодобротным металлическим резонатором, подтверждающие возможность реализации интегрирующего режима функционирования гироскопа. Первоначальное возбуждение колебаний резонатора осуществлялось автоколебательным контуром. Согласно результатам экспериментальных исследований, добротность металлического резонатора удалось повысить схемотехнически в 17 раз. В равной мере увеличено и время функционирования кориолисовых вибрационных гироскопов. Обсуждение. Теоретически и экспериментально показана возможность построения кориолисовых вибрационных гироскопов в режиме интегрирующего гироскопа на основе низкодобротного металлического резонатора. Решение данной проблемы основывалось на схемотехническом способе повышения добротности. Принципиально добротность резонатора может быть значительно повышена по сравнению с достигнутым в эксперименте показателем. Это обеспечит более длительное время функционирования кориолисовых вибрационных гироскопов в интегрирующем режиме.

Coriolis vibration gyroscopes are a class of promising inertial primary information sensors that respond to the rotation of the resonator base through Coriolis inertial forces arising in the vibrating shell. Currently, two directions for the production of resonators for such gyroscopes have been developed: from quartz glass, a material with extremely low internal friction, and based on the processing of a metal alloy. When using the first direction, thanks to the high quality factor of quartz, it is possible to create navigation-class integrating gyroscopes. Existing samples of Coriolis vibration gyroscopes with metal resonators, as a rule, are angular velocity sensors. The problem of creating an integrating mode of a gyroscope with a metal resonator is associated with the low quality factor of metal alloys which usually does not exceed 35,000. With this value of quality factor, the duration of operation of the gyroscope in the angular deviation sensor mode will be several seconds. The paper presents methods for ensuring the functioning of Coriolis vibration gyroscopes, including the integrating gyroscope mode. A mathematical description of Coriolis vibration gyroscopes with a cylindrical cavity resonator is given based on the dynamic model of Dr. D. Lynch using the method of envelope amplitudes of oscillations. The mathematical model is supplemented with corrections that provide compensation for the dissipation of the resonator oscillations energy to implement the integrating mode of the gyroscope. The conditions for complete compensation of vibration energy dissipation are shown. A description of methods for exciting a standing wave in a resonator using periodic forcing and by creating self-oscillations is presented. It is shown that the duration of the transient excitation process is determined by the time constant of the resonator. The results of experimental studies of Coriolis vibration gyroscopes with a low-Q metal resonator are presented confirming the possibility of implementing an integrating mode of operation of the gyroscope. The initial excitation of the resonator oscillations is carried out by a self-oscillating circuit. According to the results of experimental studies, the quality factor of the metal resonator was increased by a factor of 17. The operating time of Coriolis vibrating gyroscopes has been equally increased. The possibility of constructing Coriolis vibration gyroscopes in the integrating gyroscope mode based on a low-Q metal resonator has been shown theoretically and experimentally. The solution to this problem was based on a circuitry method for increasing the quality factor. In principle, the quality factor of the resonator can be significantly increased compared to the figure achieved in the experiment. This will ensure a longer operating time of Coriolis vibration gyroscopes in the integrating mode.

кориолисовый вибрационный гироскопнизкодобротный резонаторрежим функционированияспособы возбужденияCoriolis vibration gyroscopelow-Q resonatoroperating modeexcitation methodsРабота выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках государственного задания по теме FEWG-2022-0002.The work was supported financially by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation within the framework of the state assignment on the topic FEWG-2022-0002.ReferencesВавилов В.Д., Тимошенков С.П., Тимошенков А.С. Микро системные датчики физических величин: монография. М.: Техносфера, 2018. 550 с.Vavilov V.D., Timoshenkov S.P., Timoshenkov A.S. Microsystem Sensors of Physical Quantities. Moscow, Technosphera Publ., 2018, 550 p. (in Russian)Пешехонов В.Г. Перспективы развития гироскопии // Гироскопия и навигация. 2020. Т. 28. № 2(109). С. 3–10. https://doi.org/10.17285/0869-7035.0028Peshekhonov V.G. The author of precision gyroscope. Gyroscopy and Navigation, 2020, vol. 11, no. 2, pp. 188–192. https://doi.org/10.1134/s2075108720020042Лунин Б.С. Научно-технологические основы разработки полусферических резонаторов волновых твердотельных гироскопов: автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. М.: Изд-во МГУ, 2006. 32 с.Lunin B.S. Science and technology basis for the development of the hemispherical resonators for solid-state wave gyroscopes. Abstract of the dissertation for the degree of Doctor of Technical Sciences. Moscow, MSU, 2006, 32 p. (in Russian)Лунин Б.С., Матвеев В.А., Басараб М.А. Волновой твердотельный гироскоп. Теория и технология. М.: Радиотехника, 2014. 176 с.Lunin B.S., Matveev V.A., Basarab M.A. Solid-State Wave Gyroscope. Moscow, Radiotehnika Publ., 2014, 176 p. (in Russian)Распопов В.Я., Егоров С.В. Проектирование резонатора волнового твердотельного гироскопа и верификация конечно-элементной модели // Известия ТулГУ. Технические науки. 2021. № 10. С. 227–235.Raspopov V.Ya., Egorov S.V. Design and verification of the finite element model of a wave solid-state gyroscope resonator. Izvestiya Tula State University. Technical sciences, 2021, no. 10, pp. 227–235. (in Russian)Распопов В.Я., Лихошерст В.В. Волновые твердотельные гироскопы с металлическим резонатором // Гироскопия и навигация. 2023. Т. 31. № 1(120). С. 26–44.Raspopov V.Y., Likhosherst V.V. HRG with a metal resonator. Gyroscopy and Navigation, 2023, vol. 14, no. 1, pp. 14–26. https:// doi.org/10.1134/S2075108723010066Распопов В.Я., Волчихин И.А., Волчихин А.И., Ладонкин А.В., Лихошерст В.В., Матвеев В.В. Волновой твердотельный гироскоп с металлическим резонатором: монография / под ред. В.Я. Распопова. Тула: Изд-во ТулГУ, 2018. 189 с.Raspopov V.Ia., Volchikhin I.A., Volchikhin A.I., Ladonkin A.V., Likhosherst V.V., Matveev V.V. Solid-State Wave Gyroscope with a Metal Resonator. Tula, Tula State University, 2018, 189 p. (in Russian)Chikovani V.V., Yatsenko Yu.A., Barabashov A.S., Kovalenko V.A., Tewksbury P. A set of high accuracy low cost metallic resonator CVG // Proc. of the 20th International Technical Meeting of the Satellite Division of The Institute of Navigation (ION GNSS 2007). 2007. P. 1345–1350.Chikovani V.V., Yatsenko Yu.A., Barabashov A.S., Kovalenko V.A., Tewksbury P. A set of high accuracy low cost metallic resonator CVG. Proc. of the 20th International Technical Meeting of the Satellite Division of The Institute of Navigation (ION GNSS 2007), 2007, pp. 1345–1350.Acar C., Shkel A. MEMS Vibratory Gyroscopes: Structural Approaches to Improve Robustness. Springer, 2009. 256 p. https:// doi.org/10.1007/978-0-387-09536-3Acar C., Shkel A. MEMS Vibratory Gyroscopes: Structural Approaches to Improve Robustness. Springer, 2009, 256 p. https://doi.org/10.1007/978-0-387-09536-3Матвеев В.А., Липатников В.И., Алехин А.В. Проектирование волнового твердотельного гироскопа: учеб. пособие для студентов высш. техн. учеб. заведений. М.: Изд-во МГТУ им. Н Э. Баумана, 1998. 166 с.Matveev V.A., Lipatnikov V.I., Alekhin A.V. Design of the Solid State Wave Gyro. Moscow, Bauman Moscow State Technical University, 1998, 166 p. (in Russian)Климов Д.М., Журавлёв В.Ф., Жбанов Ю.К. Кварцевый полусферический резонатор (волновой твердотельный гироскоп). М.: Ким Л.А., 2017. 193 с.Klimov D.M., Zhuravlev V.F., Zhbanov Iu.K. Hemispherical Quartz Resonator (Solid-State Wave Gyroscope). Moscow, Kim L.A. Publ., 2017, 193 p. (in Russian)Lynch D.D. Coriolis vibratory gyroscope // IEEE Standard Specification Format Guide and Test Procedure for Coriolis Vibratory Gyros. IEEE std.1431 annex B. 2004. P. 56–66.Lynch D.D. Coriolis vibratory gyroscope. IEEE Standard Specification Format Guide and Test Procedure for Coriolis Vibratory Gyros. IEEE std.1431 annex B. 2004, pp. 56–66.Шарма Н.Г., Сундарараджан Т., Сингх Г.С. Гибридный резонатор твердотельного волнового гироскопа с высокой добротностью: конструкция с использованием термоупругого демпфирования, исследование чувствительности и определение характеристик // Гироскопия и навигация. 2021. Т. 29. № 1(112). С. 70–96. https://doi.org/10.17285/0869-7035.0057Sharma G.N., Sundararajan T., Gautam S.S. Thermoelastic damping based design, sensitivity study and demonstration of a functional hybrid gyroscope resonator for high quality factor. Gyroscopy and Navigation, 2021, vol. 12, no. 1, pp. 69–85. https://doi.org/10.1134/S2075108721010107Маслов А.А., Маслов Д.А., Ниналалов И.Г., Меркурьев И.В. Волновые твердотельные гироскопы: обзор публикаций // Гироскопия и навигация. 2023. Т. 31. № 1(120). С. 3–25.Maslov A.A., Maslov D.A., Ninalalov I.G., Merkuryev I.V. Hemispherical resonator gyros (an overview of publications). Gyroscopy and Navigation, 2023, vol. 14, no. 1, pp. 1–13. https://doi.org/10.1134/S2075108723010054Lynch D.D. Vibratory gyro analysis by the method of averaging // Proc. of the 2nd St. Petersburg conference on gyroscopic technology and navigation. St. Petersburg, 1995. P. 26–34.Lynch D.D. Vibratory gyro analysis by the method of averaging. Proc. of the 2nd St. Petersburg conference on gyroscopic technology and navigation. St. Petersburg, 1995, pp. 26–34.Северов Л.А., Золотарев С.К., Овчинникова Н.А., Панферов А.И., Пономарев В.К. Информационные характеристики микромеханических гироскопов на основе кремниевой технологии микроэлектромеханических систем // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2011. Т. 54. № 8. С. 12–22.Severov L.A., Zolotarev S.K., Ovchinnikova N.A., Panferov A.I., Ponomarev V.K. Data characteristics of the micromechanical gyroscopes based on silicon technology microelectromechanical systems. Journal of Instrument Engineering, 2011, vol. 54, no. 8, pp. 12–22. (in Russian)Пановко Я.Г. Введение в теорию механических колебаний: учеб. пособие для втузов. М.: Наука, 1971. 239 с.Panovko Ia.G. Introduction to Mechanical Vibration Theory. Moscow, Nauka Publ., 1971, 239 p. (in Russian)Кучерков С.Г. Использование интегрирующих свойств вибрационного микромеханического гироскопа с резонансной настройкой при построении датчика угловой скорости компенсационного типа // Гироскопия и навигация. 2002. № 2. С. 12–18.Kucherkov S.G. Using the integrating properties of a vibrating micromechanical gyroscope with resonant tuning when constructing a compensation-type angular velocity sensor. Giroskopiya i Navigatsiya, 2002, no. 2, pp. 12–18. (in Russian)Chikovani V. Secondary wave control system of the Coriolis vibratory gyroscope resonator // Electronics and Control Systems. 2013. N 3. P. 58–61. https://doi.org/10.18372/1990-5548.35.5805Chikovani V. Secondary wave control system of the Coriolis vibratory gyroscope resonator. Electronics and Control Systems, 2013, no. 3, pp. 58–61. https://doi.org/10.18372/1990-5548.35.5805Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика: Учеб. пособие. В 10 т. Т. 1. Механика / 4-е изд., испр. М.: Наука. гл. ред. физ.-мат. лит, 1988. 216 с.Landau L., Lifshitz E. Course of Theoretical Physics. Vol. 1. Mechanics. Elsevier, 1988, 224 p.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.