ФГБОУ ВПО Тульский государственный университет Институт высокоточных систем им. В.П. Грязева факультет систем автоматического управления кафедра «Приборы управления» Инерциальные датчики и системы ориентации, навигации и стабилизации г. Орел, г. В. Я. Распопов
Ж.Б. Шарден. Мальчик с волчком г. 2
Ф. БоненбергерЛ. Фуко Гироскоп Ф. БоненбергераГироскоп Л. Фуко 3
Ученые и предложенные ими модели гироскопов Леонард Эйлер (1707 – 1783) Жосеф Луи Лагранж (1736 – 1813) София Васильевна Ковалевская (1850 – 1891) ЦМ 4
Географическая и связанная системы координат Географическая СКСвязанная СК 5
Основные типы гироскопов 6 Роторные гироскопы С механическим подвесом ротора Кориолисовые вибрационные гироскопы Гироскопы с кардановым подвесом Гироскопы с электростати- ческим подвесом С неконтактным подвесом ротора Гироскопы со сферическим шарикоподшип- никовым подвесом Гироскопы с упругим подвесом Гироскопы с газовым подвесом Гироскопы с жидкостным подвесом Гироскопы с объемным резонатором Гироскопы с кольцевым резонатором Оптические гироскопы Лазерные Волоконно- оптические Волновые твердотельные гироскопы Стержневые Камертонные Пластинчатые
Осевой акселерометр Маятниковый акселерометр Основные типы акселерометров 7
Акселерометр ДА-11 Общий вид Электрокинематическая схема 1 – инерционная масса (маятник); 2 – катушки преобразователя силы цепи обратной связи; 3 – магнит; 4 – магнитопровод; 5, 6 – подвижная и неподвижная катушки преобразователя перемещений; 7 – корпус; 8 – электромагнит возбуждения опор; 9 – камневая опора; 10 – керновая ось; Z B – виброперемещение опор 8
Акселерометр АТ-1104 Конструкция акселерометра АТ с кремниевым чувствительным элементом-маятником 1 – корпус; 2 – магнитопровод; 3 – магнит; 4 – наконечник из магнитомягкого материала; 5 – кронштейн крепления катушки; 6 – кремниевая пластина; 7 – подвижная часть кремниевой пластины – маятник; 8 – катушка; 9 – оптическое стекло; 10 – втулка; 11 – герметичная крышка Элементы маятниковой системы 1 – кремниевая пластина; 2 – чувствительный элемент (длина указана в мм); 3 – оптические стекла; 4 – кронштейн с катушкой Элементы конструкции магнитоэлектрической системы 1 – магнитопровод; 2 – катушка с кронштейном на маятнике; 3 – магнит в магнитопроводе; 4 – оптические стекла 9
Акселерометр ADXL-105 Микроструктура ЧЭ Кристалл с микроструктурой (в центре) и компонентами электроники (толстые линии – токоподводы) Конфигурация чувствительного элемента ММА в покое и при действии ускорения 10
Области распределения характеристик, определяющих класс точности акселерометров 11
Остаточная скорость ухода гироскопов различных типов 12
Гироскоп с электростатическим подвесом 1 – статор электропривода; 2 – электрод; 3 – газоотвод; 4 – ротор; 5 – корпус; 6 – датчик углового положения ротора Принципиальная схема гироскопа с электростатическим подвесом ротора Внешний вид 13
Поплавковый гироскоп Гироскоп трехстепенный поплавковый астатический ГПА-Л2-2 Гироскоп поплавковый астатический ГПА-200 Габаритные размеры, мм Ø118x75 Масса, кг, не более 0,95 Время готовности, мин., не более 10 Предельная температура, °С Пониженная -60 Повышенная +85 Средняя наработка на отказ, ч., не менее Габаритные размеры, мм Ø91 x 60 Масса, кг, не более 0,45 Время готовности, мин., не более 9 Предельная температура, °С Пониженная -60 Повышенная +85 Средняя наработка на отказ, ч., не менее
Лазерные гироскопы Активный интерферометр ЛГ а – схема распространения встречных волн; б -схема совмещения волн на выходе интерферометра (1 – зеркало; 2 – призма; 3 – ФЭУ) Частотная характеристика лазерного гироскопа а) б) 15
Лазерный гироскоп ГЛ-1 Чувствительный элемент трехосного лазерного гироскопа Лазерные гироскопы (конструкции) Раменский приборостроительный завод 16
Волоконно-оптические гироскопы (ВОГ) Принципиальная схема ВОГ а – с разомкнутым контуром; б – с замкнутым контуром; 1 – катушка; 2 – разветвитель N – число витков катушки; S B – средняя площадь витка катушки; L – длина оптоволокна; D – диаметр оптоволоконного контура Фаза Саньяка 17
Волоконно-оптические гироскопы (конструкция) Компоновка оптических элементов в корпусе ВОГ 1 – плата УФТ; 2 – фотодиод; 3 – СЛД; 4 – фазовые модуляторы; 5 – катушка волоконного контура; 6 - корпус Внешний вид ВОГ 18
Волновые твердотельные гироскопы (ВТГ, ТВГ) Прецессия стоячей волны во вращающемся резонаторе а – стоячая волна в резонаторе; б – положение стоячей волны при неподвижном резонаторе; в – положение стоячей волны при вращающемся резонаторе; Ω – скорость вращения; θ – угол прецессии стоячей волны; α – угол поворота резонатора К пояснению прецессии стоячей волны а – вибрирующий резонатор б – вращающийся резонатор 19
Волновые твердотельные гироскопы (конструкция) ТВГ - 3 (РПКБ)ТВГ - 4 (РПКБ) 20
Динамически настраиваемые гироскопы (ДНГ) Принципиальные схемы ДНГ а – без промежуточных элементов подвеса ротора; б – одноколенный (однорамочный) подвес; в – двухрамочный подвес; г – рамки подвеса; 1 – ротор; 2 – торсионы; 3 – вал; 4 – кольцо и рамки 21
Динамически настраиваемые гироскопы Общий вид ГВК-16 (РПКБ) МГ- 4 (РПКБ) ДНГ- 12 (ПНППК) ГВК - 18 (РПКБ) 22
Чувствительные элемент ММГ (ЦНИИ «Электроприбор») 23
Структурная схема бесплатформенной системы ориентации 24
Иллюстрация принципа работы БИНС 25
Определение скорости и координаты в БИНС Структурная схема северного канала БИНС 26
Инерциальная навигационная система И-21 ОАО «Раменский приборостроительный завод» - поплавковые гироскопы; - акселерометры навигационного класса. Применение: Погрешности определения (не более): Чувствительные элементы: - на нескольких типах ЛА, «РУСЛАН», «МРИЯ» координаты – 37 км за 10 час; составляющих путевой скорости – 12,6 км/ч; истинного курса – (0,2±0,025Т) град; крена, тангажа - ±0,1 град. 27
Лазерная инерциально-спутниковая система ЛИНС-2000 Раменское приборостроительное конструкторское бюро - лазерные гироскопы фирмы SAGEM (Франция); - акселерометры навигационного класса. Применение: Погрешности определения (2σ): Чувствительные элементы: - для новых и модернизированных самолетов и вертолетов. координаты – 1,85 км/час (автономно); – 30 м (режим СНС); составляющие путевой скорости – 1,0 м/с (автономно); – 0,2 м/с (режим СНС); истинный курс – 6,0 угл. мин/час; крен, тангаж – 6,0 угл. мин. 28
Система бесплатформенная курса и вертикали СБКВ-ПМ Пермская научно-производственная приборостроительная компания - динамически настраиваемые гироскопы; - акселерометры навигационного класса. Применение: Погрешности определения: Чувствительные элементы: региональные и среднемагистральные самолеты, вертолеты. координаты – 5 км за 30 мин (автономно); – 200 м (режим СНС); составляющие путевой скорости – 25 км/час (автономно); – 3,7 км/час (режим СНС); истинный курс – 1,5 град.; крен, тангаж – ± 0,5 град. 29
Бесплатформенная инерциальная навигационная система БИНС ТВГ-1Г Раменское приборостроительное конструкторское бюро - твердотельные волновые гироскопы; - акселерометры навигационного класса. Применение: Погрешности определения: Чувствительные элементы: для самолетов и вертолетов. координаты (σ) – 1,85 км/ч (автономно); составляющие путевой скорости – 1 м/с; истинный курс – 0,1±0,01 град/ч; крен, тангаж – 0,1 град. 30
Микромеханическая бесплатформенная инерциальная навигационная система БИНС-ММ - микромеханические гироскопы и акселерометры. Применение: Погрешности определения: Чувствительные элементы: - резервная навигационная система летательных аппаратов; - системы навигации автомобилей и роботов. координаты – 200 м за 3 мин. (автономно); – 30 м (режим СНС); составляющие путевой скорости – 3 м/с за 3 мин. (автономно); – 0,3 м/с (режим СНС); (путевой угол) курс – 2,0 град за 3 мин. (автономно); – 0,4 град (режим СНС); углы ориентации – 1,0 град за 3 мин. (автономно); – 0,5 град. (режим СНС). 31
1 – платформа; 2 – координатор цели; 3,4 – гироскопы; 5,6 – датчики углов; 7 – усилитель; 8 – программное устройство Принципиальная схема ГСН на базе двухосного индикаторного гиростабилизатора 32
3-D модели оптической ГСН на базе двухосного индикаторного гиростабилизатора с чувствительными элементами Чувствительный элемент - ДНГЧувствительный элемент - ММГ 33
Segway Спасибо за внимание! 34