МИНИСТЕРСТВО ОБР АЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКО Й Ф ЕДЕРАЦИИ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ И ССЛЕДО ВАТЕЛЬС КИЙ УНИВЕР СИТЕТ

«МО СКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ »

На правах рукописи

СБЫТОВА ЕКАТЕРИНА СЕРГЕЕВНА

ДИНАМИКА МИКРОМ ЕХАНИЧЕСКОГО Г ИРОСКОПА

С РЕЗОНАТ ОРОМ В ВИДЕ УПР УГИХ ПЛАСТИН

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

01.02.01 – Теоретическая механика

Научный руководитель:

доктор технических наук профессор Подалков В.В.

Москва – Содержание ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ДИНАМИКА МИКРОМЕХАНИЧЕСКОГО ГИРОСКОПА C

РЕЗОНАТОРОМ В ВИДЕ УПРУГИХ ПЛАСТИН В ЛИНЕЙНОЙ

ПОСТАНОВКЕ ЗАДАЧИ

§1.1. Уравнения движения чувствительного элемента микромеханического гироскопа

§1.2. Влияние разночастотности на угловую скорость прецессии гироскопа, установленного на неподвижном основании

§1.3. Режим свободных малых колебаний чувствительного элемента микромеханического гироскопа в случае медленно меняющихся условий функционирования

§1.4. Решение дифференциальных уравнений движения, описывающих вынужденные колебания чувствительного элемента в случае медленно меняющихся условий функционирования

ГЛАВА 2. ДИНАМИКА МИКРОМЕХАНИЧЕСКОГО ГИРОСКОПА В

НЕЛИНЕЙНОЙ ПОСТАНОВКЕ ЗАДАЧИ ПРИ ПОСТОЯННОЙ, МАЛОЙ

ПО СРАВНЕНИЮ С СОБСТВЕННОЙ ЧАСТОТОЙ КОЛЕБАНИЙ

УГЛОВОЙ СКОРОСТИ ОСНОВАНИЯ

§2.1. Уравнения движения микромеханического гироскопа с учетом нелинейных эффектов

§2.2. Решение системы в новых переменных при линейной постановке исходной задачи

§2.3. Влияние нелинейности на прецессию гироскопа, установленного на неподвижном основании

§2.4. Влияние нелинейности на прецессию гироскопа, установленного на подвижном основании

ГЛАВА ВЫНУЖДЕННЫЕ НЕЛИНЕЙНЫЕ КОЛЕБАНИЯ

3.

МИКРОМЕХАНИЧЕСКОГО ГИРОСКОПА С РЕЗОНАТОРОМ В ВИДЕ

УПРУГИХ ПЛАСТИН

§3.1. Исследование устойчивости стационарных режимов на неподвижном основании

§3.2. Исследование устойчивости стационарных режимов на подвижном основании

ГЛАВА 4. ДИНАМИКА МИКРОМЕХАНИЧЕСКОГО ГИРОСКОПА В

НЕЛИНЕЙНОЙ ПОСТАНОВКЕ ЗАДАЧИ ПРИ ПРОИЗВОЛЬНОЙ

ПОСТОЯННОЙ УГЛОВОЙ СКОРОСТИ ОСНОВАНИЯ

§4.1. Приведение системы дифференциальных уравнений к «нормальным»

координатам

§4.2. Построение решения системы уравнений в «нормальных» координатах

§4.3. Уход гироскопа в условиях немалой угловой скорости основания..... ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Перед человечеством всегда стояла проблема определения направления в пространстве. Издавна главным ориентиром мореплавателей и путешественников были небесные тела – Солнце и звезды. Первыми навигационными приборами можно считать астролябию, конструкция которой была описана еще в IV в. н.э., и компас, появившийся в Китае в XI веке.

опубликовано «Описание машины для объяснения законов вращения Земли вокруг своей оси и изменения направления последней». Главной частью этой «машины» был вращающийся массивный шар в кардановом подвесе. Именно это устройство можно назвать первым гироскопом, хотя сам термин гироскоп был предложен позднее Леоном Фуко, французским физиком, астрономом и механиком, в 1852 г. усовершенствовавшим это устройство и использовавшим его как прибор, демонстрирующий вращение Земли вокруг своей оси.

На данный момент известно множество конструкций гироскопов, в основу которых положены различные явления и физические принципы [50]:

поплавковые гироскопы [23, 71], динамически настраиваемые [74] и волоконно-оптические [89], волновые твердотельные гироскопы (ВТГ) [38, 56], основанные на эффекте инертности упругих волн, и вибрационные (ВГ) [16], основанные на свойстве камертона сохранить плоскость колебаний своих ножек.

Предложенный в 1851 г. Л. Фуко прибор для доказательства вращения Земли, представляющий собой сферический маятник (маятник Фуко), можно считать одним из прототипов вибрационного гироскопа. Простейшими типами ВГ являются гироскопы балочного и камертонного типа [3, 77, 81].

ВГ можно разделить на два класса: роторные и осцилляторные (ОВГ) [16]. В свою очередь ОВГ делятся на ОВГ с сосредоточенными параметрами [17, 106] и на ОВГ с распределенными параметрами (это, например, уже упомянутые гироскопы балочного и камертонного типа и их конструктивное обобщение – ОВГ пластиночного типа [9]).

В настоящее время развитие получают микромеханические гироскопы (ММГ) – одноосные вибрационные гироскопы, изготовленные на базе кремниевых технологий. Они являются одной из составных частей МЭМС – микроэлектромеханических систем, объединяющих в себе механические и электрические электронные компоненты [77, 91].

поступательные перемещения, гироскопы RR-типа (rotate-rotate) – в них ИМ совершает вращательные перемещения, и LR (RL)-типа – в них имеют место различные комбинации поступательных и вращательных перемещений ИМ.

являются простота конструкции, малые габаритные размеры, малый вес и низкое энергопотребление, а также отсутствие вращающихся частей, что улучшает их эксплуатационные характеристики и уменьшает требования к обслуживанию.

Микромеханические гироскопы находят применение в различных позиционирования микроинструментов в хирургии, в интеллектуальных системах протезирования; в автомобилестроении для создания систем навигации в комплексе с другими источниками информации; в оборонной промышленности в системах управления боеприпасами и боевыми роботами, в беспилотных летательных аппаратах; в бытовой технике в мобильных телефонах, игровых консолях и различных тренажерах и др. [18, 77].

Разработка МЭМС ведется такими зарубежными компаниями как Bosch (http://www.bosch-sensortec.com/), Analog Devices (http://www.analog.com/), STMicroelectronics (http://www.st.com/), Northrop Grumman Corporation (http://www.draper.com/) и др. [21, 22, 92] (рис. 1, 2).

Рис. 1. Трехосный датчик угловой скорости BMG160 фирмы Bosch Рис. 2. Динамически настраиваемый гироскоп G-2000 фирмы Northrop Как показано в [28], разработка отечественных микромеханических приборов постепенно выходит на мировой уровень. К числу предприятий, занятых теоретическими работами в этом направлении, относятся ОАО «Раменское приборостроительное конструкторское бюро» (Раменское, (Москва), «Гирооптика» (СанктПетербург), ГНЦ РФ ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» (СанктПетербург) (рис. 3). В настоящее время ключевым моментом стала техническая реализация достигнутых теоретических результатов.

Рис. 3. Микромеханический гироскоп ММГ-2 производства высокотехнологический сектор не готов к полномасштабному внедрению инноваций. Поэтому крайне необходимо создавать точные математические модели микромеханических приборов, с тем чтобы на этапе конструирования и непосредственного воплощения в виде МЭМС-систем на основе аналитических зависимостей повысить точность гироскопических датчиков и навигационных систем на их основе и улучшить, как следствие, их технические характеристики, и, тем самым, осуществить переход к «МЭМС высокого уровня» [2].

В связи с этим, в работе ставятся следующие задачи:

1. Разработка новой математической модели движения чувствительного элемента микромеханического гироскопа в виде четырех упругих пластин, учитывающей геометрию конструкции и различные виды граничных условий.

вынужденных колебаний.

3. Разработка методики компенсации уходов гироскопа, вызванных чувствительного элемента микромеханического гироскопа.

направлениям развития науки, технологий и техники в Российской Федерации» по направлению «Транспортные и космические системы»;

работа направлена на развитие технологий, входящих в «Перечень критических технологий Российской Федерации» по направлениям «Технологии информационных, управляющих, навигационных систем» и «Технологии наноустройств и микросистемной техники».

микромеханического гироскопа. В работе использовались методы теоретической механики, методы малого параметра, многих масштабов, теория дифференциальных уравнений и специальных функций, методы использованием системы символьных вычислений Mathematica.

подтверждается источниками, на которых базируются выводы данной работы.

Обзор предшествующих исследований. Существенный вклад в теорию инерциальной навигации, чье интенсивное развитие пришлось на И.В. Новожилов, В.А. Матвеев, В.Э Джашитов, В.М. Панкратов и др.

Теоретические основы вибрационных гироскопов были изложены в работах таких авторов, как Л.И. Брозгуль, А.Ю. Ишлинский, Д.С. Пельпор, В.А. Матвеев, М.А. Павловский, А.В. Збруцкий, В.Я. Распопов, А.С. Неаполитанский, Б.В. Хромов и др. [16, 43, 70, 73, 74, 75, 77].

В статье В.Ф. Журавлева [37] показано, что фактически идея маятника Фуко реализована в таких гироскопах, как кольцевой гироскоп [38], волновой твердотельный гироскоп [56], квапазон (Quapason™) [77] и некоторых других. При этом «все принципиальные вопросы теории подобного датчика инерциальной информации могут рассматриваться в рамках одних и тех же уравнений, аналогичных уравнениям классического маятника Фуко». Именно поэтому весь класс таких приборов назван автором обобщенным маятником Фуко. В данной статье также получено, что принципиальной является погрешность вследствие нелинейности системы, вызывающая дополнительную прецессию. Показано, что работоспособный гироскоп поддерживающих постоянной амплитуду r и равной нулю квадратуру k – это соответственно большая и малая оси эллипса, описываемого маятником в плоскости xy.

В работах [32, 34] того же автора исследуется влияние погрешностей на динамику обобщенного маятника Фуко и ставится задача их идентификации.

В [34] рассматриваются свободные колебания маятника при наличии упругой анизотропии и анизотропии демпфирования. Показано, что величина дефекта от упругой анизотропии равна половине разности квадратов собственных частот, при этом главные оси жесткости могут быть определены по траектории маятника. В случае анизотропии демпфирования траектория разворачивающийся до совпадения большей полуоси с главной осью наименьшей диссипации. При этом определить положение главных осей жесткости по наблюдению предельного поведения управляемого по амплитуде маятника невозможно. В [32] решена задача компенсации дефектов при наличии тестового гармонического возбуждения. Вычислена погрешность идентификации в случае неточной информации об амплитуде и частоте возбуждения. Показано, что качество идентификации можно повысить, если стабилизировать частоту возбуждения.

В статье [3] исследуется динамика ММГ камертонного типа, представляющего собой тонкий упругий стержень один край которого жестко закреплен на подвижном основании, а второй свободен. Найдено аналитическое решение нелинейной системы дифференциальных уравнений движения чувствительного элемента гироскопа на вращающемся основании в режиме свободных колебаний.

Статьи [67, 72] посвящены технической реализации балочного чувствительности прибора от разности собственных частот, описаны преимущества и недостатки данной конструкции.

[26] инерциальной информации, который состоит из чувствительного элемента, прикрепленного к корпусу с помощью одного или двух упругих элементов.

Описана математическая модель температурных и технологических погрешностей. Показано, что данный датчик весьма чувствителен к этим видам дефектов.

В работах [24, 25] В.Э. Джашитовым и В.М. Панкратовым продолжено исследование этого микродатчика. В [24] изучено влияние переменных и постоянных поступательных и угловых вибраций. На основе численного эксперимента установлено, что наибольшее влияние оказывают поступательные вибрации по оси вторичных колебаний и угловые вибрации по оси измеряемой угловой скорости. Комбинация вибраций приводит к искажению выходного сигнала, изменению его амплитуды и появлению постоянных смещений во вторичных колебаниях. Постоянные угловые ускорения приводят к уменьшению с течением времени амплитуд первичных и вторичных колебаний. Статья [25] посвящена влиянию тепловых воздействий. Компьютерный эксперимент проведен для трех тепловых режимов: ступенчатое изменение температуры окружающей среды и основания при отсутствии внутренних источников тепла, тепловыделение температуры окружающей среды и основания. Показано, что наличие даже незначительного тепловыделения внутренних источников в экстремальных эксплуатационных условиях может привести к недопустимым перегревам прибора и, как следствие, к его неработоспособности.

технологических погрешностей на дрейф ММГ камертонного типа со следующими конструкциями чувствительного элемента: две чувствительные массы, колеблющиеся в упругом подвесе; ММГ с кардановым подвесом чувствительного элемента; ММГ с дополнительной рамкой. На основе представленных математических моделей показано, что наибольшее число факторов, вызывающих температурный (или технологический) дрейф, возникает в ММГ камертонного типа.

В работе С.П. Тимошенкова и др. [85] представлены результаты разработки нового варианта конструкции микромеханического гироскопа LL-типа, чувствительного элемента гироскопа и дать оценку чувствительности прибора.

В статье А.М. Лестева и А.В. Ефимовской [46] исследуется влияние нелинейных факторов (нелинейных сил упругости) на динамику ММГ LLтипа. Определены условия устойчивости периодических движений инерционной массы. Показано, что конструкция ММГ, содержащая две инерционные массы, обладает большей стабильностью технических характеристик, чем конструкция с одной инерционной массой.

В работах И.Е. Лысенко, А.В. Лысенко [48, 49] описана конструкция и принцип функционирования одномассового микромеханического гироскопаакселерометра LR-типа с двумя осями чувствительности. Получены уравнения движения его чувствительных элементов. Предложена методика выделения сигналов, несущих информацию исключительно о колебаниях чувствительных элементов под действием сил инерции Кориолиса.

Основные вопросы теории создания волновых твердотельных гироскопов нашли отражение в работах [19, 31, 36, 38, 56].

В монографии В.Ф. Журавлева и Д.М. Климова [38] приведен вывод уравнений кольцевого резонатора и исследуются динамические свойства упругого нерастяжимого и растяжимого кольца. Показано, что во вращающемся нерастяжимом кольце возбужденная форма колебаний поворачивается относительно инерциального пространства на угол, пропорциональный угловой скорости вращения кольца в своей плоскости (или, если угловая скорость есть медленная функция времени, то интегралу от этой функции), где коэффициент пропорциональности зависит от номера формы. Для растяжимого кольца рассматриваемый коэффициент зависит также от размеров кольца и характеристик его материала. Показано, что нелинейности, связанные с чисто геометрическими обстоятельствами, вносят погрешность в скорость прецессии стоячей волны колебаний, а диссипация в линейной постановке задачи приводит со временем только к уменьшению ее амплитуды.

В статьях В.Ф. Журавлева [31, 35, 36] отражены основные моменты теории ВТГ. В [36] изложены математическая формулировка эффекта инертности упругих волн, лежащего в основе этого гироскопа, и принципы управления волнами и их стабилизации. Сформулирована теорема о существовании единственной системы координат, в которой при некоторых начальных условиях колебания кольца воспринимаются как стоячие волны. В [35] на базе полученной в [39] электрической модели ВТГ обсуждаются два алгоритма управления квадратурой (с помощью электростатических сил и электростатических компонент жесткости). Установлено, что разночастотность и разнодобротность приводят к уходу, имеющему постоянную составляющую и четвертую и восьмую гармоники по углу поворота основания. В [31] объектом исследования являются такие механические дефекты изготовления ВТГ, как неоднородность материала, переменность толщины резонатора и отклонение его формы от полусферы, неравномерность упругих характеристик. Получены аналитические формулы для максимального ухода при этих дефектах, из которых видно, что уход пропорционален произведению квадратуры на относительную величину дефекта.

Монография И.В. Меркурьева и В.В. Подалкова [56] посвящена нелинейным моделям микромеханического и волнового твердотельного гироскопов. Для кольцевого резонатора показано, что нелинейные упругие свойства материала и ненулевые значения квадратурной волны колебаний приводят к дополнительной прецессии волновой картины колебаний и уходу гироскопа. Показано, что в режиме вынужденных колебаний может возникнуть до девяти стационарных режимов колебаний. Для резонатора ВТГ, выполненного в виде оболочки вращения, приведены зависимость масштабного коэффициента от неоднородности толщины резонатора и поправки к собственной частоте, в одномодовом приближении решена задача определения ухода гироскопа. Также исследовано влияние упругой анизотропии типа гексагонального и кубического кристалла и диссипации на динамику ВТГ. В статьях [4, 19] продолжены исследования по этому вопросу. Предложена методика калибровки параметров математической модели, основанная на методах разделения движений и наблюдаемости.

Н.В. Каленовой в статьях [44, 45] рассматривается резонатор ВТГ с массовым дефектом оболочки при угловой вибрации его основания.

Показано, что по реакции волны на данный вид внешнего воздействия могут быть определены параметры массового дефекта, распределенного по поверхности резонатора.

Статьи М.А. Басараба, В.А. Матвеева и др. [8, 51] посвящены использованием сети Хопфилда. Описаны возможные альтернативные балансировки ВТГ путем удаления точечных масс, позволяющий сократить время балансировочного процесса и избежать сложных расчетов при определении удаляемых масс.

В работах Л.Я. Банах и А.Н. Никифорова [6, 7] рассмотрено поведение роторных гироскопических систем. Определен квазиустойчивый режим, вызванный действием сухого трения на кольце. Рассмотрены особенности виброгашения колебаний на одной заданной частоте.

В статье С.П. Тимошенкова, В.Е. Плеханова и др. [86] проводится анализ влияния анизотропии материала и наличия упругого подвеса кольцевого резонатора численным методом конечных элементов. Приводятся методика и численное моделирование балансировки кольца.

В статьях [12, 13, 87] поведение ВТГ предлагается описывать не в терминах теории оболочек, что приводит к дифференциальным уравнениям в частных производных, а в виде восьмиточечной (или шестнадцатиточечной [87]) колебаниями, определения ухода неидеального резонатора, влияния угловой и линейной вибрации.

беспилотных летательных аппаратов. Описана информационноизмерительная система ориентации с косоугольным измерительным базисом.

Приведен алгоритм получения углов рыскания и тангажа.

Результаты испытаний инерциального измерительного модуля на базе микромеханических акселерометров представлены в статьях [14, 15].

Произведено уточнение математической модели погрешностей для ММГ:

углы неортогональности (характеризуют несовпадение измерительных осей каждого ММГ с осями модуля) вводятся как функционалы угловой скорости.

Описан алгоритм коррекции влияния линейного ускорения на показания ММГ по данным с микромеханических акселерометров.

Вопросам проектирования микромеханических гироскопов, подбора конструкционных материалов и описанию технологии изготовления посвящен ряд работ [1, 5, 30, 47, 52, 76, 83]. Анализ шумов, обусловленных механической и электронной частями ММГ, проведен в [78]. Возможности обеспечения стойкости ММГ в условиях постоянных ускорений, линейной и угловой вибрации, а также при ударных воздействиях рассмотрены в [29].

Способ экспериментального определения масштабного коэффициента, передача сигналов стоячей волны и компенсация методических ошибок ВТГ с дифференцированием описаны в [40 - 42].

Ряд вышеизложенных научных задач нашел отражение в работах зарубежных авторов, таких как V. Apostolyuk, K. Najafi, F. Ayazi, A. Trusov, A. Shkel и др. [93 - 108].

Новыми научными результатами и положениями, выносимыми на защиту, являются теоретические вопросы проектирования новых типов микромеханических гироскопов, что дает возможность улучшить точностные характеристики датчиков инерциальной информации за счет создания точных математических моделей и аналитического представления уходов, позволяющего применить алгоритмические методы компенсации систематических погрешностей в электронном контуре управления.

Теоретическая и практическая значимость результатов работы.

Модели, алгоритмы и обобщения, содержащиеся в диссертации, могут быть полезны для проектирования новых датчиков инерциальной информации и улучшения характеристик уже существующих приборов. В частности, на основе полученных аналитических формул может осуществляться компенсация уходов гироскопов в электронном контуре управления.

Результаты диссертации были выполнены при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проекты 09-01-00756-а, 09-08-01184а, 12-01-00939-а, 12-08-01255-а), а также Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (программа «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» У.М.Н.И.К., 2011-2012 гг.).

Апробация работы. Основные результаты диссертационного исследования были представлены на · заседаниях научного семинара кафедры теоретической механики и мехатроники МЭИ (Москва, 2010-2013 гг.);

"Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" (Москва, 2010 г.);

(Санкт-Петербург, 2011 г.);

· XXXV академических чтениях по космонавтике (Москва, 2011 г.);

· международной научно-практической конференции «Мобильные роботы и мехатронные системы» (Москва, 2011 г.);

· XIII конференции молодых ученых «Навигация и управление движением»

(Санкт-Петербург, 2011 г.);

· конкурсе «Участник молодежного научно-инновационного конкурса»

(«У.М.Н.И.К.»), проводимом при поддержке фонда содействия развитию (Москва, 2011-2012 гг.);

· XVIII международной научно-технической конференции "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" (Москва, 2012 г.);

· XII всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи НТТМ-2012 (Москва, 2012 г.);

"Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" (Москва, 2013 г.);

· XXXVII академических чтениях по космонавтике (Москва, 2013 г.).

· 695-ом заседании семинара «Механика систем» имени академика А.Ю. Ишлинского при Научном совете РАН по механике систем под (Москва, 2013 г.).

Публикации. По результатам работы опубликовано 10 публикаций, в том числе 2 статьи [55, 58] в издании, рекомендованном ВАК Минобрнауки РФ, 1 реферат доклада [68] на конференции молодых ученых и 7 тезисов докладов на конференциях [53, 54, 57, 60, 61, 63, 64]. Зарегистрирована программа на ЭВМ [20]. Исследования в области МЭМС представлены также в [59, 62, 65, 82].

Личный вклад автора в совместных публикациях заключается в разработке новых математических моделей движения чувствительного элемента осцилляторного вибрационного гироскопа и проведении численных экспериментов, иллюстрирующих динамику микромеханического прибора, с использованием современных программных средств.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего наименований. Общий объем работы составляет 128 страниц и содержит иллюстрации.

микромеханического гироскопа с резонатором в виде четырех упругих пластин в линейной постановке задачи. Гироскоп помещен на основание, которое вращается с угловой скоростью, малой по сравнению с собственной частотой колебаний. В 1.1 с помощью вариационного принципа Гамильтона– Остроградского получена система интегро-дифференциальных уравнений, описывающих динамику прибора. Приведены функции нормального прогиба при различных граничных условиях для пластин. Применяя процедуру Бубнова-Галеркина, получены дифференциальные уравнения для разночастотности на угловую скорость прецессии гироскопа, помещенного на неподвижное основание. В 1.3 рассмотрена динамика гироскопа в режиме свободных колебаний в случае медленного изменения собственной частоты колебаний и угловой скорости вращения основания. В 1.4 получено точное решение дифференциальных уравнений для медленных переменных в режиме вынужденных колебаний при медленном изменении собственной частоты колебаний, угловой скорости вращения основания, амплитуды и частоты внешнего воздействия. Приведена оценка точности измерения угловой скорости основания.

микромеханического гироскопа при постоянных параметрах математической модели. В 2.1 приведены нелинейные дифференциальные уравнения для обобщенных координат системы. С целью получения их точного решения осуществлен переход к новым переменным. В 2.2 приведено решение системы в новых переменных при линейной постановке исходной задачи. В 2. установленного на неподвижном основании. Получена аналитическая формула для тангенса угла прецессии гироскопа. В 2.4 показано, что решение исходной системы дифференциальных уравнений в новых переменных можно свести к эллиптическому интегралу. Изложена методика вычисления эллиптических интегралов данной задачи, получены аналитические формулы для тангенса угла прецессии гироскопа. Приведена оценка точности измерения угла поворота основания.

В третьей главе рассмотрены нелинейные вынужденные колебания микромеханического гироскопа с резонатором в виде четырех упругих пластин. В 3.1 исследована устойчивость по Ляпунову стационарных режимов, когда гироскоп помещен на неподвижное основание. Показано, что при определенных частотах внешнего воздействия существуют несколько асимптотически устойчивых стационарных режимов. В изучена устойчивость по Ляпунову стационарных режимов, когда гироскоп помещен на основание, вращающееся с постоянной угловой скорость, малой по отношению к собственной частоте колебаний резонатора. Показано, что в системе существует несколько устойчивых стационарных режимов, а увеличение угловой скорости основания приводит к изменению амплитудночастотной характеристики, при этом наблюдается явление срыва колебаний и скачков амплитуд.

В четвертой главе исследована динамика микромеханического гироскопа, помещенного на основание, вращающееся с произвольной постоянной угловой скоростью. С использованием формализма Лагранжа получены нелинейные дифференциальные уравнения для обобщенных координат системы. В 4.1 описана методика перехода от исходных переменных к так называемым «нормальным» координатам. В 4.2 приведено точное решение системы дифференциальных уравнений в «нормальных»

координатах. В 4.3 получена аналитическая формула для тангенса угла прецессии гироскопа. Приведена оценка точности прибора.

Работа выполнена на кафедре теоретической механики и мехатроники Национального исследовательского университета "МЭИ" под руководством профессора В.В. Подалкова, которому автор глубоко признателен за постановку интересных задач и плодотворные обсуждения рассматриваемых в настоящей работе вопросов.

Также автор от души благодарит всех преподавателей кафедры теоретической механики и мехатроники, особенно заведующего кафедрой И.В. Меркурьева, за обсуждение результатов работы, а также Г.В. Панкратьеву за совместную работу над материалами второй главы.

Глава 1. Динамика микромеханического гироскопа c резонатором в виде упругих пластин в линейной постановке задачи В первой главе исследована динамика микромеханического гироскопа с резонатором в виде четырех упругих пластин в линейной постановке задачи. Гироскоп помещен на основание, которое вращается с угловой скоростью, малой по сравнению с собственной частотой колебаний. В 1.1 с помощью вариационного принципа Гамильтона–Остроградского получена система интегро-дифференциальных уравнений, описывающих динамику прибора. Приведены функции нормального прогиба при различных граничных условиях для пластин. Применяя процедуру Бубнова-Галеркина, получены дифференциальные уравнения для обобщенных координат системы. В 1.2 исследовано влияние разночастотности на угловую скорость прецессии гироскопа, помещенного на неподвижное основание. В 1. рассмотрена динамика гироскопа в режиме свободных колебаний при медленно меняющихся условиях функционирования, таких как собственная частота и угловая скорость вращения основания. В 1.4 получено точное решение дифференциальных уравнений для медленных переменных в режиме вынужденных колебаний при медленном изменении собственной частоты, угловой скорости вращения основания, амплитуды и частоты внешнего воздействия. Приведена оценка точности измерения угловой скорости основания.

Основные материалы данной главы опубликованы в [57, 58, 61].

§1.1. Уравнения движения чувствительного элемента микромеханического гироскопа чувствительный элемент которого – четыре одинаковые упругие пластины 1, закрепленные в рамке 2, соединенной упругими торсионами 3 с основанием гироскопа (рис. 1.1). Геометрические размеры прямоугольных пластин обозначим через a и b. Под действием электростатической системы управления резонатор совершает периодическое движение, измерение которого позволяет определить вращение основания гироскопа в инерциальном пространстве.

Рис. 1.1. Конструктивная схема микромеханического гироскопа с Введем связанную с подвижной рамкой систему координат, при этом ось является осью чувствительности гироскопа. Будем предполагать, что основание вращается вокруг оси с угловой скоростью, в общем случае являющейся некоторой функцией времени.

Для описания колебаний пластины введем функцию прогиба поверхности тонкой упругой пластины w = w(t, x, y), зависящую от времени t и координат x и y, связанных с пластиной. Пусть – малый угол поворота рамки относительно основания гироскопа. В этом случае кинетическая энергия системы «упругие пластины – рамка» имеет вид:

где – плотность материала пластины, h – ее толщина, J0 – момент инерции рамки относительно оси. В (1.1) интегрирование проводится по площади срединной поверхности S пластин, точкой обозначено дифференцирование по времени t, V – вектор абсолютной скорости точки пластины:

где Таким образом, имеем Потенциальная энергия системы имеет вид:

где – цилиндрическая жесткость пластины, E – модуль Юнга, 0 – коэффициент Пуассона, с0 – жесткость упругих торсионов рамки.

Введем действие по Гамильтону Здесь t1, t2 – начальный и конечный моменты времени, в которых вариации w, равны нулю.

Согласно принципу Гамильтона–Остроградского [88], вариация от действия по Гамильтону U равна нулю. Таким образом, подставляя в (1.4) выражения для кинетической и потенциальной энергий (1.2), (1.3) и варьируя, получаем Так как вариации w, не зависят друг от друга, то выражения, стоящие при них в (1.5), следует приравнять к нулю. Таким образом, получаем систему интегро-дифференциальных уравнений, описывающих динамику гироскопа:

внутреннее трение по модели Кельвина–Фойгта [84] и введены обозначения – коэффициент внутренних потерь при колебаниях пластин, – вязкоупругий модуль материала пластин, характеризующий внутреннее трение в материале, – коэффициент вязкого трения торсионов. Полагая, что резонатор находится в вакуумированной полости, внешними потерями при колебаниях будем пренебрегать.

Для дальнейшего исследования будем предполагать, что угловая скорость основания мала по сравнению с характерной частотой собственных колебаний чувствительного элемента, то есть, Рассмотрим следующие граничные условия для пластин.

Заделка по четырем сторонам. Функция нормального прогиба w имеет вид [88]:

середине пластины; 1.

Здесь – искомая функция формы колебаний, характеризующая прогиб в нормального прогиба w середине пластины; 1.

Здесь – искомая функция формы колебаний, характеризующая прогиб в Консольное закрепление пластин (см. рис. 1.2). Предполагая в первом приближении цилиндрический изгиб, имеем следующую функцию нормального прогиба конце пластины; 1.

Здесь – искомая функция формы колебаний, характеризующая прогиб на sh cos = 1 [88].

В (1.9) r1 = 1.8751 – первый корень трансцендентного уравнения Рис. 1.2. Конструктивная схема микромеханического гироскопа в случае Применяя процедуру Бубнова-Галеркина, получим дифференциальные уравнения для обобщенных координат системы, сохраняя в правой части слагаемые одного порядка малости:

квадраты собственных частот колебаний резонатора на неподвижном коэффициенты при гироскопических слагаемых в математической модели движения.

значения параметров системы, При этом для граничных условий 1-3 имеем соответственно следующие Числовой пример. Рассмотрим гироскоп, чувствительный элемент которого представляет собой квадратные пластины размером a = b = 10 мм и толщиной h = 1 мм, изготовленные из плавленого кварца. Для данного коэффициент Пуассона 0 = 0.17. Обобщенный момент инерции примем конструкции микромеханического гироскопа, является совмещение частот собственных колебаний. Поэтому жесткость торсионов с0 подбирается так, закрепление пластин) имеем с0 = 206.5 Нм, = 59317 рад/с (или 9441 Гц), чтобы 1 = 2 =. Таким образом, для граничных условий 3 (консольное §1.2. Влияние разночастотности на угловую скорость прецессии гироскопа, установленного на неподвижном основании Рассмотрим случай, когда резонатор находится на неподвижном основании ( = 0). Без учета нелинейных слагаемых уравнения (1.10) примут следующий вид:

Пусть собственные частоты близки, но не равны, то есть =, = = 2, где 1. Итак, имеем систему уравнений Решение для и с точностью до величин первого порядка малости будем искать в следующем виде где А1, А2, В1, В2 – постоянные, определяемые начальными условиями.

Перейдем от переменных и к медленным переменным p1, q1, p2, q Ван-дер-Поля посредством замены через постоянные А1, А2, В1, В2 и следующим образом Сравнивая (1.13) и (1.14), получаем, что p1, q1, p2, q2 определяются Поведение гироскопа удобно представить в орбитальных координатах,, r, k [37], переход к которым осуществляется по формулам Поясним, что означают переменные,, r, k. На неподвижном основании ( = 0) в плоскости любая фазовая траектория представляет собой эллипс с полуосями |r| и |k|, повернутый на угол (рис. 1.3);

представляет собой фазу, характеризующую изменение частоты колебаний.

Рис. 1.3. Фазовая траектория на подвижном основании Из соотношений (1.16) получим следующие зависимости:

Величина есть сумма квадратов амплитуд колебаний по двум обобщенным координатам. Х = 0 означает, что происходит только колебание пластин (возникает так называемая «стоячая волна» колебаний).

Введем следующие обозначения:

Тогда выражение для угла прецессии будет:

а для угловой скорости прецессии Для оптимального функционирования гироскопов требуется, чтобы амплитуда вторичных колебаний (в нашем случае – по второй обобщенной координате ) была минимальной, то есть должно быть много меньше.

Тогда угловая скорость прецессии определяется следующей формулой Таким образом, на неподвижном основании при линейной постановке задачи, когда неточно совмещены частоты колебаний по двум обобщенным координатам, возникает прецессия волновой картины колебаний гироскопа, погрешностям в измерении угла поворота основания в режиме свободных колебаний. Вязкое трение не влияет на прецессию гироскопа, а приводит к медленному изменению амплитуд колебаний.

§1.3. Режим свободных малых колебаний чувствительного элемента микромеханического гироскопа в случае медленно меняющихся условий функционирования Для исследования свободных колебаний в линейной постановке задачи Рассматриваться будет одночастотная система, то есть = =, в пренебрежем квадратичными и кубическими слагаемыми в системе (1.10).

которой собственная частота = () и угловая скорость вращения основания = () являются функциями медленного времени = t, где 0, Для решения нелинейной системы дифференциальных уравнений (2.11) перейдем к новым переменным x1, x2, y1, y2, предложенным академиком В.Ф. Журавлевым в статье [33] Заметим, что есть константа, определяемая начальными условиями (2.13):

Согласно (2.13), начальные условия для новых переменных будут Исходные переменные p1, q1, p2, q2 находятся через новые переменные по формулам Продифференцируем формулы (2.14) в силу уравнений (2.11), принимая во внимание формулы замены (2.16). Имеем уравнения в новых переменных Заметим, что переменная y1 сохраняет постоянное значение, а уравнения для x2, y2, таким образом, отделяются. Итак, в дальнейшем будем рассматривать следующую систему:

§2.2. Решение системы в новых переменных при линейной постановке исходной задачи Рассмотрим линейную постановку задачи для медленно изменяющихся переменных p1, q1, p2, q2. Для этого в формулах (2.18), согласно (2.11), отбросим слагаемые с коэффициентом j. Имеем Система уравнений (2.19) имеет первый интеграл Здесь С определяется начальными условиями (2.15): С = –r0k0/2.

Запишем согласно (2.20) cos(2 ):

и подставим его в последнее уравнение (2.19). Имеем дифференциальное уравнение для y2 с нулевым начальным условием:

Решением (2.22) будет функция Как было показано в параграфе 1.2, выражение для тангенса угла прецессии определяется соотношением (1.17) Подставляя в эту формулу замену (2.16), получим Принимая во внимание (2.21) и (2.23), находим выражение для угла прецессии :

что согласуется с результатами параграфа 1.3.

§2.3. Влияние нелинейности на прецессию гироскопа, установленного на неподвижном основании Рассмотрим динамику гироскопа на неподвижном основании ( = 0).

Таким образом, исследоваться будет следующая система Данная система уравнений имеет первый интеграл где С определяется начальными условиями (2.15):

Из (2.27) имеем Знак в формуле (2.29) определяется начальными условиями по х (см. формулу (2.15)).

Подставляя (2.29) в дифференциальное уравнение для у2 из (2.26) и проведя необходимые преобразования, получаем соотношение и в соответствии с начальными условиями Из уравнения (2.30) определим время t как функцию переменной у2 с помощью эллиптического интеграла первого рода Обращение этого интеграла дает нам решение дифференциального уравнения (2.30), то есть у2 как функцию времени t:

где sn u – эллиптическая функция Якоби (эллиптический синус) [ ].Отметим, что это решение справедливо до тех пор, пока x2 не обратится в и знак производной не изменится. Минимальное значение переменной y достигается при x2 = 0 и, в соответствии с интегралом (2.27), равно Таким образом, y2 есть двоякопериодическая функция, четверть первого рода Найдем прецессию гироскопа. Подставим в (2.24) найденное значение у2 (2.31), где также из полученных выше соотношений следует положить Как следует из (2.32), даже на неподвижном основании возникает прецессия гироскопа из-за нелинейных эффектов, вызванных конечными колебаниями конструкции прибора. При этом при «идеальных» начальных условиях (k0 = 0) уход равен нулю.

использована для компенсирования уходов гироскопа с целью улучшения его точностных характеристик.

Числовой пример. Рассмотрим гироскоп, параметры которого пластин). Примем для начальных условий (2.13) r0 =, k0 = 0.001, где приведены в числовом примере параграфа 1.1 (консольное закрепление = 10-5, что соответствует максимальному прогибу пластин 16 мкм.

На рисунке 2.1 приведен график зависимости угла прецессии от безразмерного времени t, построенный по формуле (2.32).

Рис. 2.1. Изменение угла прецессии во времени t Анализ приведенной зависимости показывает, что на интервале наблюдения 1 минута уход гироскопа составляет 3.94 угл. мин. То есть ненулевое значение начальных условий по углу поворота рамки k0 оказывает существенное влияние на точность гироскопа.

установленного на подвижном основании Итак, перейдем к рассмотрению системы (2.18) Введем новую переменную В результате дифференцирования переменной f в силу уравнений (2.18) получим Тогда для переменных f, y2 справедлива система уравнений с начальными условиями Система уравнений (2.36) имеет первый интеграл где константа Из интеграла (2.38) имеем Следует выбрать знак "–", так как производная переменной y2 в силу уравнений (2.36) при начальных условиях (2.37) отрицательна.

Кроме того из (2.38) следует, что Тогда уравнение для переменной f можно записать в виде Решение уравнения (2.42) сводится к вычислению эллиптического интеграла Обозначим многочлены, стоящие под корнем в знаменателе (2.43) Если из (2.43) удастся определить переменную f как функцию времени, тогда задача определения угла прецессии гироскопа будет решена.

Согласно (2.40), (2.44) для y2 получим Для угла прецессии, определяемого формулой (2.24), в соответствии с выражениями (2.35) и (2.41), будем иметь Вычисление эллиптических интегралов Вернемся к интегралу (2.43). Известно [10], что с помощью замены переменной он может быть приведен к эллиптическому интегралу первого рода эллиптического интеграла k определяются соотношениями между корнями многочленов под корнем и интервалом изменения переменой f.

Вычислим корни многочленов G1(f) и G2(f). Многочлен G1(f) имеет действительные различные корни дискриминант положителен. В этом случае они равны Если дискриминант (2.49) многочлена G2(f) отрицателен, то его корни комплексно сопряженные В случае равенства дискриминанта нулю, многочлен G2(f) имеет кратные действительные корни.

Соотношение между корнями 1, 2, 3, 4 определяется параметрами корни многочлена G2 комплексно сопряженные где Интервал (2.52) для параметра существует для величин k0, таких, что, C помощью замены переменных на интервале каноническому виду.

В самом деле, из (2.56), (2.44) следует, что параметры В выражении (2.60) коэффициент при cos будет равен нулю, если взять Подставляя (2.61) в (2.60), получим где константа k2 равна Принимая во внимание, что запишем (2.62) в виде Подставляя результаты (2.57), (2.58), (2.65) в (2.43), имеем Откуда, в результате обращения эллиптического синуса, получим где Тогда для угла прецессии из соотношений (2.46), (2.58), (2.65), (2.67), следует где Согласно (2.59), из (2.63), (2.68), (2.70) получим Принимая во внимание выражения (2.48), (2.53), (2.54) корней Рассмотрим случай «идеальных начальных условий», то есть k0 = 0.

Угол прецессии в этом случае будет задаваться формулой (2.69).

Значения констант будут Проведем контроль правильности решения (2.69). Рассмотрим случай неподвижного основания. Это означает, что в формулах (2.74) следуют положить = 0, что соответствует крайней левой точке рассматриваемого интервала для параметра. Из (2.74) для модуля эллиптического интеграла в этом случае получим Коэффициент при t будет Для угла прецессии, из (2.69) и (2.74) Эти результаты совпадают с полученными ранее результатами параграфа 2.3.

При k0 = 0 соотношения (2.76) - (2.78) дают для угла прецессии нулевое решение.

Рассмотрим предельный случай Этот случай соответствует крайней правой точке рассматриваемого интервала для параметра. В рассматриваемом предельном случае многочлен G2(f) имеет кратные действительные корни, в соответствии с (2.71) при То есть модуль эллиптического интеграла Известно [90], что при модуле, равном Здесь cn u, dn u – эллиптические функции Якоби (эллиптический косинус и дельта амплитуда соответственно) [90].

Для угла прецессии, из (2.69) при где, как следует из (2.72), (2.73) Или, в соответствии с (2.48), (2.54), Подставляя в (2.83), (2.84), значение соответствующее правой границе рассматриваемого интервала, получим (2.54), равны соответственно 20. Второй интервал для /j то корни 3, 4 многочлена G2(f) действительные и различные, а