Deterioration of Accuracy Characteristics of Solid-State Wave Gyroscopes when the Excitation Frequency Is Adjusted from the Resonance Frequency

Authors

  • I. A. Vikhlyaev Kalashnikov ISTU
  • K. V. Shishakov Kalashnikov ISTU

DOI:

https://doi.org/10.22213/2410-9304-2021-3-4-17

Keywords:

solid wave gyroscope, frequency of excitation, resonance frequency, sampling frequency, simulation model, lab layouts, measurement device

Abstract

The paper presents the calculated and experimental study of the measure of deterioration of accuracy characteristics of solid wave gyroscopes when adjusting their frequency from the resonance one. To do this, a simulation model was built, which was researched in the Matlab package. The measurement device is modeled at the alternating and direct current. It is shown that the measure of mismatch of the calculation grid with the period of vibrations of the gyroscope resonator was the main reason for errors in calculating the angle of the gyroscope in the simulation model. This is confirmed by the graphs of dependencies of errors on the deviation of the excitation frequency from the resonance one. Experimental studies on laboratory models of non-industrial production confirmed the principle possibility of making a solid-state wave gyroscope design without the contour of phase auto-adjustment frequency, without a significant loss of the accuracy. To do this, three models of low-precision gyroscopes were created and researched. In the first layout, a variable-current measuring device was used, and the parametric swing of oscillations was performed by one ring electrode with an additional inclusion of a different-frequency correction path with sixteen electrodes. In the second layout, the previous diagram replaced the measuring device for working on a direct current. The third mock-up examined a two-channel eight-electrode control system. On all layouts it was permissible to work at the excitation frequency deviation from the resonant 5 kHz equal to the value (20 Hz). At the same time, the form of the systematic drift function has not changed much. And its amplitude and random error rate also changed acceptably.

Author Biographies

I. A. Vikhlyaev, Kalashnikov ISTU

Master’s degree student

K. V. Shishakov, Kalashnikov ISTU

DSc in Engineering, Associate Professor

References

Журавлёв В. Ф., Климов Д. М. Волновой твердотельный гироскоп. М. : Наука, 1985. 125 с.

Матвеев В. А., Липатников В. И., Алехин А. В. Проектирование волнового твердотельного гироскопа. М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 1997. 168 с. : ил.

Лунин Б. С., Матвеев В. А., Басараб М. А. Волновой твердотельный гироскоп. Теория и технология. М. : Радиотехника, 2014. 176 с. : ил.

Волновой твердотельный гироскоп с металлическим резонатором / В. Я. Распопов, И. А. Волчихин, А. И. Волчихин и др. ; под ред. В. Я. Распопова. Тула : Изд-во ТулГУ, 2018. 189 с.

Trusov, A. A. et al., mHRG: Miniature CVG with beyond navigation grade performance and real time self-calibration // 2016 IEEE International Symposium on Inertial Sensors and Systems. 2016. P. 29-32.

Matthews, A. An Operation and Mechanization of the Hemispherical Resonator Gyroscope // 2018 IEEE/ION Position, Location and Navigation Symposium (PLANS). 2018. P. 7-14.

Jeanroy, A.; Grosset, G.; Goudon, J.-C.; Delhaye, F. HRG by Sagem from laboratory to mass production // 2016 IEEE International Symposium on Inertial Sensors and Systems. 2016. P. 1-4.

Delhaye, F. HRG by SAFRAN: The game-changing technology // 2018 IEEE International Symposium on Inertial Sensors and Systems (INERTIAL). 2018. P. 1-4.

Chikovani, V. Self-compensation for disturbances in differential vibratory gyroscope for space navigation / V. Chikovani, O. Sushchenko // Hindawi. 2019. P. 1-9.

Lee, J.; Yun, S.W., Rhim, J. Design and Verification of a Digital Controller for a 2-Piece Hemispherical Resonator Gyroscope // Sensors. 2016. P. 16-555.

Wan, Q., Gu, H., Fan B. A high symmetry polysilicon micro hemispherical resonating gyroscope with spherical electrodes // 2017 IEEE SENSORS. 2017. P. 1-3.

Li, W. et al. A Novel Micro Shell Resonator Gyroscope with Sixteen T-Shape Masses // 2019 20th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems & Eurosensors XXXIII (TRANSDUCERS & EUROSENSORS XXXIII). 2019. P. 434-437.

Lu, K., Xi, X., Li, W. Research on precise mechanical trimming of a micro shell resonator with T-shape masses using femtosecond laser ablation. // Sensors and Actuators A: Physical V. 290. 2019. P. 228-238.

Liu, N. and Su, Z. Research on Eigenvalue Analysis Method in Multi-Surface Metal Shell Vibratory Gyro // IEEE Access vol. 7. 2019. P. 142097-142114.

Xu, Z., Yi, G., Xie, Y. Influence of external load on hemispherical resonator gyro feedback control system with state constraints // IECON 2017 - 43rd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society. 2017. P. 6217-6222.

Xiao, P., Qiu, Z., Pan, Y. Influence of Electrostatic Forces on the Vibrational Characteristics of Resonators for Coriolis Vibratory Gyroscopes // Sensors. 2020. No. 20. P. 295.

Guo, K., Wu Y.; Zhang, Y.; Sun, J.; Xiao, D.; Wu, X. Damping Asymmetry Trimming Based on the Resistance Heat Dissipation for Coriolis Vibratory Gyroscope in Whole-Angle Mode // Micromachines. 2020. No. 11. P. 945.

Zhao, W., Rong, Y., Li, C. High Precision Hemispherical Resonator Gyroscopes With Oven Control Systems // IEEE Sensors Journal. 2021. 21. 6. 7388-7401.

Миниатюрный волновой твердотельный гироскоп нового поколения для бескарданных инерциальных навигационных систем беспилотных летательных аппаратов / В. Ф. Журавлев, С. Е. Переляев, Б. П. Бодунов, С. Б. Бодунов // XXVI Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам : сб. материалов, СПб., 27-29 мая 2019 года. СПб. : Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2019. С. 241-245.

Бодунов Б. П. Разработка волнового твердотельного гироскопа для низкодинамичных и высокодинамичных объектов // XIII Всероссийское совещание по проблемам управления ВСПУ-2019 : сб. трудов XIII Всероссийского совещания по проблемам управления ВСПУ-2019, Москва, 17-20 июня 2019 года. Москва: Институт проблем управления им. В. А. Трапезникова РАН, 2019. С. 1336-1341. DOI 10.25728/vspu.2019.1336.

Штек С. Г., Жеглов М. А., Исаев М. М. Разработка узла преобразователя для съема сигналов волнового твердотельного гироскопа с кварцевым резонатором // Вестник концерна ВКО «Алмаз - Антей». 2020. № 2(33). С. 65-73.

Маслов Д. А., Меркурьев И. В. Компенсация погрешностей волнового твердотельного гироскопа с электростатическими датчиками управления // Инженерный журнал: наука и инновации. 2018. № 9(81). С. 2.

Патент № 2704334 C1 Российская Федерация, МПК G01C 19/56. Способ считывания и управления колебаниями волнового твердотельного гироскопа: № 2019109616 : заявл. 02.04.2019 : опубл. 28.10.2019 / Д. М. Климов, В. Ф. Журавлев, С. Е. Переляев, А. В. Алехин ; заявитель ФГБУН Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского Российской академии наук.

Переляев С. Е., Алехин А. В. Применение цифрового преобразования Гильберта в обработке первичных сигналов волнового твердотельного гироскопа // Инновационные, информационные и коммуникационные технологии. 2017. № 1. С. 434-437.

Трутнев Г. А., Перевозчиков К. К., Назаров С. Б. Система съема и способы измерения колебаний резонатора твердотельного волнового гироскопа // Вестник Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана. Серия Приборостроение. 2020. № 1(130). С. 50-63.

Шишаков К. В. Твердотельные волновые гироскопы: волновые процессы, управление, системная интеграция. Ижевск : Изд-во ИжГТУ, 2018. 264 с.

Published

21.12.2021

How to Cite

Vikhlyaev И. А., & Shishakov К. В. (2021). Deterioration of Accuracy Characteristics of Solid-State Wave Gyroscopes when the Excitation Frequency Is Adjusted from the Resonance Frequency. Intellekt. Sist. Proizv., 19(4), 4–17. https://doi.org/10.22213/2410-9304-2021-3-4-17

Issue

Section

Articles