Содержание к диссертации
Введение 5
Глава 1. Проблемы, методы и задачи исследования температурно 15
и технологически возмущенных микромеханических гироскопов
1.1. Обзор современных научно-исследовательских достижений в 15 области исследования температурных и технологических погрешностей микромеханических гироскопов
1.2. Методы построения и исследования температурного и техно- 37 логического дрейфа математических моделей микромеханических гироскопов без активной системы термостабилизации и с системами терморегулирования
Выводы по главе 1 42
Глава 2. Математические модели температурно или технологически возмущенных микромеханических гироскопов на подвижном основании
Математическая модель температурно или технологически возмущенного камертонного микромеханического гироскопа на подвижном основании
2.2. Математическая модель температурно или технологически 60 возмущенного планарного микромеханического гироскопа на подвижном основании
2.3. Математическая модель температурно или технологически 66 возмущенного микромеханического гироскопа с кардановым подвесом чувствительного элемента на подвижном основании
2.4. Математическая модель температурно или технологически 74 возмущенного роторного микромеханического гироскопа на подвижном основании
Выводы по главе 2 80
Глава 3. Разработка программного обеспечения для автоматизи- 8 рованного исследования температурного и технологического дрейфа микромеханических гироскопов на подвижном основании. Компьютерные эксперименты и анализ результатов
3.1. Программный комплекс VisualResearchSystemForMMG для автоматизированного расчета, анализа и визуализации температурного или технологического дрейфа микромеханических гироскопов на подвижном основании
3.2. Исследование температурных и технологических погрешностей камертонного микромеханического гироскопа на подвижном основании
3.3. Исследование температурных и технологических погрешностей планарного микромеханического гироскопа на подвижном основании
3.4. Исследование температурных и технологических погрешно- ПО стей микромеханического гироскопа с кардановым подвесом чувствительного элемента на подвижном основании
Исследование температурных и технологических погрешностей роторного микромеханического гироскопа на подвижном основании
Выводы по главе 3 135
Глава 4. Математические модели систем терморегулирования микромеханических гироскопов
4.1. Математические модели реверсивной и нагревательной систем терморегулирования для микромеханических гироскопов
4.2. Математическое моделирование и аналитическое исследова- 143
ние реверсивной системы терморегулирования микромеханического гироскопа
4.3. Математическое моделирование и аналитическое исследование нагревательной системы терморегулирования микромеханического гироскопа
Выводы по главе 4 156
Заключение и основные выводы по диссертации 158
Литература 162
Введение к работе
Актуальность работы.
Микромеханические гироскопы (ММГ) являются одними из самых перспективных датчиков инерциальной информации для широкого круга подвижных объектов (навигационное оборудование, автомобильная промышленность, военная техника, бытовая электроника, робототехника и интеллектуальные сис-темы)[30,57,58,78,87,93].
Достоинствами ММГ являются их сверхмалые массы (доли граммов) и габариты (единицы и доли миллиметров), низкая себестоимость и энергопотребление. Механическая часть датчиков полностью интегрируется с сервисной электроникой и позволяет создавать сборки на одном чипе объемом в несколько кубических сантиметров и энергопотреблением в доли ватт [21,25,43,44].
Одним из главных недостатков этих приборов является их низкая точность - современные ММГ демонстрируют стабильность систематического дрейфа на уровне сотен градусов в час без термостабилизации (гироскоп VSG фирмы British Aerospace Systems & Equipment, Gyrostar ENV-05 D-02 фирмы MURATA MANUFACTURING CO LTD) [58].
Важными причинами, влияющими на точность микромеханических гироскопов, как показывают проведенные исследования [17,26,30,31], являются такие факторы, как технологические несовершенства изготовления датчиков, внешние и внутренние температурные воздействия, имеющие сложный детерминировано - случайный характер, наличие подвижного основания, а также взаимодействие и взаимовлияние этих факторов.
При эксплуатации в реальных условиях микромеханические датчики инерциальной информации могут испытывать вибрации с амплитудами до 10g и с частотами до 2 кГц [58], рабочая температура окружающей среды для ММГ может изменяться в пределах от -40°С до +85°С.
Изменение температурного поля и наличие температурных градиентов приводят к погрешностям прибора вследствие изменения геометрических размеров и упругих свойств конструкции. Исследования, проведенные ранее на математических моделях, не учитывающих поступательные и угловые движения и вибрации основания, показали, что микромеханические инерциальные датчики достаточно чувствительны к температурным возмущениям [22 ,25,27]. На их тепловой (температурный) дрейф существенное влияние оказывают изменения абсолютной температуры, приводящие к нарушениям резонансной настройки и к возникновению дополнительных моментов инерционных, упругих и кориолисовых сил инерции относительно измерительной оси (оси чувствительности) прибора.
В дальнейшем под температурным (тепловым) дрейфом микромеханического гироскопа понимается дрейф (уход), обусловленный в общем случае нестационарными детерминированными и (или) случайными внешними и (или) внутренними тепловыми воздействиями на гироскоп. Параметры микромеханического гироскопа в этом случае будут зависеть от таких воздействий и ММГ будем называть температурно возмущенным гироскопом.
Под технологическим дрейфом будем понимать дрейф гироскопа, обусловленный технологическим несовершенством изготовления элементов микромеханического гироскопа, в силу чего его параметры имеют отклонения от номинальных значений. В этом случае ММГ будем называть технологически возмущенным.
Важным и актуальным при разработке и создании современных точных микромеханических гироскопов является вопрос [6,7 ,8 ,23 ,24 ,33,69] автоматизированного исследования температурного и технологического дрейфа гироскопов с помощью математических моделей и специализированного алгоритмического и программного обеспечения. Такое обеспечение позволяет получать качественные и количественные оценки параметров дрейфа и вырабатывать ре 1 При указании литературы звездочками отмечены работы автора комендации по его минимизации на стадии проектирования прибора не проводя трудоемких, длительных и дорогостоящих экспериментальных работ.
Также, важным и весьма актуальным представляется изучение вопросов, связанных с теоретическими и практическими аспектами создания систем терморегулирования (СТР) микромеханических гироскопов.
Вопросам применения систем терморегулирования посвящено много работ, в которых говорится о важности применения активной термостабилизации и приводятся результаты экспериментов, показывающие, что применение СТР позволяет уменьшить стабильность систематического дрейфа как минимум на порядок и существенно повысить точность прибора [9 ,11 ,22 ,27,75,80 ]. Вместе с тем недостаточно освещаются теоретические и практические аспекты создания систем терморегулирования, такие как выбор типа СТР, выбор оптимальных законов регулирования, мощности СТР и местоположения термодатчиков. Также недостаточно исследовано влияние функционирования системы терморегулирования на выходные характеристики микромеханического гироскопа в условиях детерминированных (ступенчатых и гармонических) и случайных температурных воздействий.
Так, наряду с многочисленными работами по инструментальным погрешностям ММГ [30,31,32,81], сравнительно мало работ, исследующих такие вопросы, как влияние на выходные характеристики гироскопа технологического разброса параметров ММГ от номинальных значений, тем более отсутствуют работы, в которых еще и учитывают, как эти технологические погрешности проявляются при поступательном и угловом движениях основания датчика.
Таким образом, задача построения и автоматизированного исследования математических моделей микромеханических датчиков с учетом их температурных и технологических погрешностей и движения основания, а также задачи построения и исследования математических моделей систем терморегулирования микромеханических гироскопов представляются чрезвычайно важными и актуальными.
Эти задачи не могут быть решены без разработки и применения современных ресурсосберегающих компьютерных программных систем, обеспечивающих автоматизацию и наглядную визуализацию исследований температурного и технологического дрейфа ММГ на подвижном основании.
В настоящее время работ, посвященных разработке таких специализированных программных комплексов совершенно недостаточно.
Целью настоящей диссертационной работы является решение основной научно-технической проблемы повышения точности и эффективности функционирования микромеханических гироскопов камертонного, карданового, планарного и роторного типов на основе построения и автоматизированного исследования математических моделей их температурных или технологических погрешностей, учитывающих поступательные и угловые движения основания гироскопов и наличие систем активной термостабилизации.
Для решения этой научно-технической проблемы необходимо решить следующие задачи:
1. Обзор состояния современных достижений в области исследования температурных или технологических погрешностей ММГ, построения и автоматизированного исследования соответствующих математических моделей и программного обеспечения.
2. Построение математических моделей температурно или технологически возмущенных микромеханических гироскопов различных конструктивных схем на подвижном основании без активной системы термостабилизации.
3. Разработка специализированного алгоритмического и программного обеспечения для автоматизированного исследования построенных математических моделей.
4. Проведение математического моделирования и компьютерных экспериментов с помощью разработанного программного обеспечения, получение качественных и количественных оценок температурного и технологического
дрейфа различных конструктивных схем микромеханических гироскопов, анализ результатов.
5. Построение математических моделей систем активной термостабилизации реверсивного и нагревательного типов, обеспечивающих заданные температурные режимы чипов с ММГ.
6. Аналитическое и численное исследование построенных математических моделей систем терморегулирования микромеханических гироскопов, получение количественных и качественных оценок их функционирования с системами терморегулирования в условиях детерминированных и случайных температурных воздействий и выявление условий возникновения возможных переходных нерегулярных режимов в системах активной термостабилизации микромеханических гироскопов.
7. Выработка рекомендаций по минимизации температурного и технологического дрейфа рассмотренных типов микромеханических гироскопов.
Объектами исследования являются - температурно или технологически возмущенные микромеханические гироскопы на подвижном основании, получившие наибольшее распространение или имеющие широкие перспективы коммерческого использования: камертонный, планарный, роторный микромеханические гироскопы и микромеханический гироскоп с кардановым подвесом чувствительного элемента.
- Связанные тепловые и механические процессы, протекающие в температурно или технологически возмущенных микромеханических гироскопов.
Методы исследования базируются на теории возмущенных нелинейных динамических систем с гироскопами, методах теории тепловых балансов и терни нелинейных колебаний, численных методах решения дифференциальных уравнений, методах теории объектно-ориентированного программирования. Программное обеспечение разработано на языке программирования C++ с ис пользованием Microsoft Foundation Class Library (MFC) в программной среде
Microsoft Visual Studio .NET 2003.
Научная новизна
1. Построены математические модели основных типов (камертонного, планарного, карданового и роторного) микромеханических гироскопов, учитывающие как температурные возмущения и технологические погрешности, так и поступательные и угловые движения и вибрации основания датчика.
2. Разработаны специализированные алгоритмы, реализованные в программном комплексе для автоматизированного исследования построенных моделей, который зарегистрирован в Отраслевом фонде алгоритмов и программ [73 ] и в Национальном информационном фонде [74 ].
3. С помощью разработанных специализированных алгоритмов и программного обеспечения проведены исследования построенных математических моделей, в результате которых получены новые качественные и количественные оценки температурного и технологического дрейфа рассмотренных конструктивных схем ММГ на подвижном основании.
4. Построены и исследованы математические модели микромеханических гироскопов с активными системами терморегулирования реверсивного и нагревательного типов.
5. В результате аналитических и численных исследований построенных моделей систем терморегулирования получены новые данные по условиям возможного возникновения феномена детерминированного хаоса в выходном сигнале микромеханических датчиков с системами терморегулирования;
6. Выработаны рекомендации по минимизации температурного и технологического дрейфа ММГ и выбору параметров систем терморегулирования с целью обеспечения оптимальных характеристик поддержания заданных температурных режимов.
Достоверность результатов обеспечивается корректностью постановки задач, строгостью применяемых методов исследования, совпадением результа
тов теоретических исследований с результатами математического моделирования и компьютерных экспериментов, сопоставлением полученных результатов с результатами других авторов. Практическая ценность:
1. Разработан программный комплекс VisualResearchSystemForMMG для компьютерного исследования, визуализации полученных результатов и анализа температурного и технологического дрейфа микромеханических гироскопов рассмотренных типов [73 , 74 ].
Возможность варьирования всеми независимыми параметрами математической модели, как номинальными, так и их технологическими или температурными возмущениями, обеспечивает гибкость и унифицированность разработанного комплекса.
Использование комплекса VisualResearchSystemForMMG позволяет автоматизировано исследовать поведение всех рассмотренных типов температурно или технологически возмущенных ММГ при действии различных возмущений на стадии разработки датчика, что существенно ускоряет и удешевляет процесс проектирования и создания микромеханических гироскопов и позволяет минимизировать серии трудоемких, длительных экспериментальных исследований.
2. Проведены расчеты конкретных конструктивных схем температурно и технологически возмущенных ММГ, получены качественные и количественные оценки температурного и технологического дрейфа всех рассмотренных схем микромеханических гироскопов (камертонного, планарного, роторного и карданового) на подвижном основании.
3. В результате численного и аналитического исследования ММГ с активными системами терморегулирования выработаны рекомендации по выбору параметров систем терморегулирования для поддержания заданного температурного режима, выявлены условия и определены сочетания параметров при которых возможно возникновение феномена детерминированного хаоса в выходном сигнале системы терморегулирования.
4. Ряд разработанных положений, методик, моделей, алгоритмов и программный комплекс используются, в силу их компактности и инженерно-технического характера, в учебном процессе в вузах, при курсовом и дипломном проектировании.
5. В конечном итоге, полученные новые результаты позволяют существенно (в несколько раз) повысить точность и эффективность работы температурно или технологически возмущенных микромеханических датчиков инерци-альной информации.
Внедрение результатов
Результаты работы использованы в Институте проблем точной механики РАН в исследованиях по теме: "Анализ и синтез возмущенных динамических систем" по заданиям Президиума РАН. Результаты работы использованы в виде применения программного комплекса VisualResearchSystemForMMG для решения научных и учебно-исследовательских задач по анализу температурных и технологических погрешностей микромеханических гироскопов. Также результаты работы использованы в разработке новой техники в ЗАО "Гирооптика", г. Санкт-Петербург.
На защиту выносятся:
1. Математические модели микромеханических гироскопов камертонного, планарного, карданового и роторного типов, учитывающие как температурные и технологические возмущения, так и поступательные и угловые движения и вибрации основания.
2. Результаты аналитического исследования построенных математических моделей, математического моделирования и компьютерных экспериментов по исследованию влияния поступательного и углового движения и вибраций основания на температурный и технологический дрейф микромеханических гироскопов.
3. Разработанный программный комплекс "VisualResearchSystemForMMG" для автоматизированного исследования динамических характеристик
основных типов температурно или технологически возмущенных ММГ на подвижном основании.
4. Математические модели систем "Микромеханический гироскоп -Система терморегулирования реверсивного типа" и "Микромеханический гироскоп - Система терморегулирования нагревательного типа".
5. Условия возникновения и результаты численного исследования феномена детерминированного хаоса в выходном сигнале инерциальной информации микромеханического гироскопа с использованием построенных математических моделей и разработанного специализированного программного обеспечения.
Апробация работы. Основные результаты докладывались и обсуждались: на IX Международной Санкт-Петербургской конференции по интегрированным навигационным системам. 27-29 мая, 2002, ЦНИИ "Электроприбор", г. Санкт-Петербург; на Международной конференции по проблемам и перспективам прецизионной механики и управления в машиностроении. 14-19 октября, 2002 года, ИПТМУ РАН, г. Саратов; на V конференции молодых ученых, 11-13 марта, 2003 г., ЦНИИ " Электроприбор", Санкт-Петербург; на Федеральной итоговой научно-технической конференции творческой молодежи России по естественным, техническим, гуманитарным наукам. 15-20 декабря, 2003г., Москва; на Всероссийском конкурсе на лучшие научно-технические и инновационные работы студентов по естественным, техническим и гуманитарным наукам (2003 г.); на VI конференции молодых ученых, 11-13 марта, 2004 г., ЦНИИ " Электроприбор", Санкт-Петербург; на выездной школе-семинаре молодых ученых, 27 сентября - 1 октября 2004 г., ЦНИИ " Электроприбор".
Работа заняла первое место в открытом конкурсе на лучшие научно-технические и инновационные работы по естественным наукам учащейся молодежи вузов России (4 декабря 2003 г.) и ее автор удостоен диплома I степени за лучшую научно-техническую и инновационную работу по естественным наукам.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, получены 2 свидетельства о регистрации программного обеспечения.
