Vibrationsstruktur-Gyroskop – Wikipedia

EIN Vibrationsstruktur-Gyroskop, definiert von der IEEE als Coriolis-Vibrationsgyroskop ((CVG),^[1] ist ein Gyroskop, das eine vibrierende Struktur verwendet, um die Rotationsgeschwindigkeit zu bestimmen. Ein vibrierendes Strukturgyroskop funktioniert ähnlich wie die Halfter von Fliegen (Insekten in der Reihenfolge Diptera).

Das zugrunde liegende physikalische Prinzip ist, dass ein vibrierendes Objekt dazu neigt, in derselben Ebene weiter zu vibrieren, selbst wenn sich sein Träger dreht. Der Coriolis-Effekt bewirkt, dass das Objekt eine Kraft auf seinen Träger ausübt, und durch Messen dieser Kraft kann die Rotationsgeschwindigkeit bestimmt werden.

Gyroskope mit vibrierender Struktur sind einfacher und billiger als herkömmliche rotierende Gyroskope mit ähnlicher Genauigkeit. Preiswerte Gyroskope mit vibrierender Struktur, die mit MEMS-Technologie hergestellt wurden, werden häufig in Smartphones, Spielgeräten, Kameras und vielen anderen Anwendungen verwendet.

Theorie der Arbeitsweise[edit]

Betrachten Sie zwei Prüfmassen, die in der Ebene (wie im MEMS-Kreisel) mit der Frequenz schwingen

${ displaystyle omega _ {r}}$

. Der Coriolis-Effekt induziert eine Beschleunigung der Prüfmassen von gleich

${ displaystyle a_ {c} = 2 ( Omega times v)}$

, wo

${ displaystyle v}$

ist eine Geschwindigkeit und

${ displaystyle Omega}$

ist eine Winkeldrehzahl. Die Geschwindigkeit in der Ebene der Prüfmassen ist gegeben durch

${ displaystyle X_ {ip} omega _ {r} cos ( omega _ {r} t)}$

, wenn die Position in der Ebene gegeben ist durch

${ displaystyle X_ {ip} sin ( omega _ {r} t)}$

. Die Bewegung außerhalb der Ebene

${ displaystyle y_ {op}}$

, induziert durch Rotation, ist gegeben durch:

${ displaystyle y_ {op} = { frac {F_ {c}} {k_ {op}}} = { frac {1} {k_ {op}}} 2m Omega X_ {ip} omega _ {r } cos ( omega _ {r} t)}$

wo

${ displaystyle m}$

ist eine Masse der Beweismasse,

${ displaystyle k_ {op}}$

ist eine Federkonstante in Richtung außerhalb der Ebene,

${ displaystyle Omega}$

ist eine Größe eines Rotationsvektors in der Ebene und senkrecht zur angetriebenen Proofmassenbewegung.

Durch Messen

${ displaystyle y_ {op}}$

können wir also die Rotationsgeschwindigkeit bestimmen

${ displaystyle Omega}$

.

Implementierungen[edit]

Zylinderresonatorkreisel (CRG)[edit]

Dieser Gyroskoptyp wurde in den 1980er Jahren von GEC Marconi und Ferranti unter Verwendung von Metalllegierungen mit angebrachten piezoelektrischen Elementen und einem einteiligen piezokeramischen Design entwickelt. In den 90er Jahren wurden CRGs mit magnetoelektrischer Anregung und Auslesung von Inertial Engineering, Inc. in Kalifornien und Piezokeramikvarianten von Watson Industries hergestellt. Eine kürzlich patentierte Variante von Innalabs verwendet einen zylindrischen Resonator aus einer Elinvar-Legierung mit piezokeramischen Elementen zur Anregung und Aufnahme an der Unterseite.

Diese bahnbrechende Technologie führte zu einer wesentlich längeren Produktlebensdauer (MTBF> 500.000 Stunden). Mit seiner Stoßfestigkeit (> 300 G) sollte es sich für “taktische” Anwendungen (mit mittlerer Genauigkeit) qualifizieren.

Der Resonator wird in seinem Resonanzmodus zweiter Ordnung betrieben. Der Q-Faktor beträgt normalerweise ungefähr 20.000; das bestimmt sein Geräusch und seine kantigen zufälligen Spaziergänge vor. Stehende Wellen sind elliptisch geformte Schwingungen mit vier Gegenknoten und vier Knoten, die sich in Umfangsrichtung entlang des Randes befinden.

Der Winkel zwischen zwei benachbarten Gegenknoten beträgt 45 Grad. Eine der elliptischen Resonanzmoden wird auf eine vorgeschriebene Amplitude angeregt. Wenn sich das Gerät um seine empfindliche Achse (entlang seines inneren Schafts) dreht, regen die resultierenden Coriolis-Kräfte, die auf die vibrierenden Massenelemente des Resonators wirken, den zweiten Resonanzmodus an. Der Winkel zwischen den Hauptachsen der beiden Modi beträgt ebenfalls 45 Grad.

Ein geschlossener Regelkreis treibt den zweiten Resonanzmodus auf Null, und die zum Nullstellen dieses Modus erforderliche Kraft ist proportional zur Eingangsdrehzahl. Dieser Regelkreis wird als Force-Rebalanced-Modus bezeichnet.

Piezoelektrische Elemente am Resonator erzeugen Kräfte und erfassen induzierte Bewegungen. Dieses elektromechanische System bietet das geringe Ausgangsrauschen und den großen Dynamikbereich, die anspruchsvolle Anwendungen erfordern, leidet jedoch unter starken akustischen Geräuschen und hohen Überlastungen.

Piezoelektrische Gyroskope[edit]

Ein piezoelektrisches Material kann zum Schwingen gebracht werden, und die seitliche Bewegung aufgrund der Coriolis-Kraft kann gemessen werden, um ein Signal zu erzeugen, das sich auf die Rotationsgeschwindigkeit bezieht.^[2]

Stimmgabelgyroskop[edit]

Dieser Gyroskoptyp verwendet ein Paar von Testmassen, die zur Resonanz getrieben werden. Ihre Verschiebung von der Schwingungsebene wird gemessen, um ein Signal zu erzeugen, das sich auf die Rotationsgeschwindigkeit des Systems bezieht.

F. F. W. Meredith meldete 1942 während seiner Arbeit bei der Royal Aircraft Establishment ein Patent für ein solches Gerät an. Die Weiterentwicklung wurde 1958 an der RAE von GH Hunt und AEW Hobbs durchgeführt, die eine Drift von weniger als 1 ° / h oder (2,78) zeigten×10^{– –4}) ° / s.^[3]

Moderne Varianten von taktischen Gyros verwenden doppelte Stimmgabeln, wie sie vom amerikanischen Hersteller Systron Donner in Kalifornien und vom französischen Hersteller hergestellt werden Safran Electronics & Defense / Safran Group.^[4]

Weinglas Resonator[edit]

Ein Weinglasresonator wird auch als halbkugelförmiges Resonatorgyroskop oder HRG bezeichnet und verwendet eine dünne Festkörperhalbkugel, die von einem dicken Stiel verankert wird. Die Hemisphäre mit ihrem Schaft wird zur Biegerichtresonanz getrieben und die Knotenpunkte werden gemessen, um eine Rotation zu erfassen. Es gibt zwei grundlegende Varianten eines solchen Systems: eine basierend auf einem Geschwindigkeitsregime (“Force-to-Rebalance-Modus”) und eine andere Variante basierend auf einem integrierenden Betriebsregime (“Ganzwinkelmodus”). Normalerweise wird letzteres in Kombination mit einer kontrollierten parametrischen Anregung verwendet. Es ist möglich, beide Regime mit derselben Hardware zu verwenden, was für diese Gyroskope einzigartig ist.

Bei einem einteiligen Design (dh der halbkugelförmige Becher und der Stiel bilden einen monolithischen Teil) aus hochreinem Quarzglas ist es möglich, im Vakuum einen Q-Faktor von mehr als 30-50 Millionen zu erreichen entsprechende zufällige Spaziergänge sind extrem niedrig. Das Q wird durch die Beschichtung, einen extrem dünnen Film aus Gold oder Platin und durch Befestigungsverluste begrenzt.^[5] Solche Resonatoren müssen durch Ionenstrahl-Mikroerosion des Glases oder durch Laserablation feinabgestimmt werden. Ingenieure und Forscher in mehreren Ländern haben an weiteren Verbesserungen dieser hoch entwickelten Technologien gearbeitet.^[6]

Safran und Northrop Grumman sind die wichtigsten Hersteller von HRG.^[7][8]

Vibrationsradgyroskop[edit]

Ein Rad wird angetrieben, um einen Bruchteil einer vollen Umdrehung um seine Achse zu drehen. Die Neigung des Rades wird gemessen, um ein Signal zu erzeugen, das sich auf die Drehzahl bezieht.^[9]

MEMS-Gyroskope[edit]

Preiswerte Gyroskope für mikroelektromechanische Systeme mit vibrierender Struktur (MEMS) sind weit verbreitet. Diese sind ähnlich wie andere integrierte Schaltkreise verpackt und können entweder analoge oder digitale Ausgänge bereitstellen. In vielen Fällen enthält ein einzelnes Teil Kreiselsensoren für mehrere Achsen. Einige Teile enthalten mehrere Gyroskope und Beschleunigungsmesser (oder mehrachsige Gyroskope und Beschleunigungsmesser), um eine Leistung mit sechs vollen Freiheitsgraden zu erzielen. Diese Einheiten werden als Trägheitsmesseinheiten oder IMUs bezeichnet. Panasonic, Robert Bosch GmbH, InvenSense, Seiko Epson, Sensonor, Hanking Electronics, STMicroelectronics, Freescale Semiconductor und Analog Devices sind wichtige Hersteller.

Intern verwenden MEMS-Gyroskope lithografisch konstruierte Versionen eines oder mehrerer der oben beschriebenen Mechanismen (Stimmgabeln, vibrierende Räder oder Resonanzkörper verschiedener Designs, dh ähnlich wie oben erwähnt TFG, CRG oder HRG).^[10]

MEMS-Gyroskope werden in Überrollschutz- und Airbagsystemen für Kraftfahrzeuge sowie zur Bildstabilisierung eingesetzt und haben viele andere potenzielle Anwendungen.^[11]

Anwendungen von CVG-Gyroskopen[edit]

Automobil[edit]

Giersensoren für Kraftfahrzeuge können um vibrierende Strukturgyroskope herum gebaut werden. Diese werden verwendet, um Fehlerzustände beim Gieren im Vergleich zu einer vorhergesagten Reaktion zu erkennen, wenn sie als Eingang zu elektronischen Stabilitätskontrollsystemen in Verbindung mit einem Lenkradsensor angeschlossen werden.^[12] Fortgeschrittene Systeme könnten möglicherweise eine Überschlagserkennung basierend auf einem zweiten VSG bieten, aber es ist billiger, zu diesem Zweck dem vorhandenen seitlichen Beschleunigungsmesser Längs- und Vertikalbeschleunigungsmesser hinzuzufügen.

Unterhaltung[edit]

Das Nintendo Game Boy Advance-Spiel WarioWare: Twisted! verwendet ein piezoelektrisches Gyroskop, um Rotationsbewegungen zu erfassen. Der Sony SIXAXIS PS3-Controller misst die sechste Achse (Gieren) mit einem einzigen MEMS-Gyroskop. Das Nintendo Wii MotionPlus-Zubehör verwendet mehrachsige MEMS-Gyroskope von InvenSense, um die Bewegungserkennungsfunktionen der Wii-Fernbedienung zu erweitern.^[13] Die meisten modernen Smartphones und Spielgeräte verfügen auch über MEMS-Gyroskope.

Hobbys[edit]

Gyroskope mit vibrierender Struktur werden üblicherweise in ferngesteuerten Hubschraubern verwendet, um den Heckrotor des Hubschraubers zu steuern, und in funkgesteuerten Flugzeugen, um die Fluglage während des Fluges stabil zu halten. Sie werden auch in Flugsteuerungen mit mehreren Rotoren verwendet, da Multirotoren von Natur aus aerodynamisch instabil sind und ohne elektronische Stabilisierung nicht in der Luft bleiben können.

Industrierobotik[edit]

Epson Robots verwendet ein Quarz-MEMS-Gyroskop namens QMEMS, um Vibrationen an ihren Robotern zu erkennen und zu steuern. Dies hilft den Robotern, den Roboter-Endeffektor mit hoher Präzision bei hoher Geschwindigkeit und schneller Verzögerung zu positionieren.^[14]

Fotografie[edit]

Viele Bildstabilisierungssysteme auf Video- und Standbildkameras verwenden Vibrationsstrukturgyroskope.

Ausrichtung des Raumfahrzeugs[edit]

Die Schwingung kann auch im Vibrationsstrukturgyroskop zur Positionierung von Raumfahrzeugen wie z Cassini-Huygens.^[15] Diese kleinen halbkugelförmigen Resonatorgyroskope aus Quarzglas arbeiten im Vakuum. Es gibt auch Prototypen von elastisch entkoppelten zylindrischen Resonatorgyroskopen (CRG)^[16][17] hergestellt aus hochreinem einkristallinem Saphir. Der hochreine Leukosaphir hat einen Q-Faktor, der um eine Größenordnung höher ist als das für HRG verwendete Quarzglas, aber dieses Material ist hart und weist eine Anisotropie auf. Sie bieten eine genaue 3-Achsen-Positionierung des Raumfahrzeugs und sind über die Jahre sehr zuverlässig, da sie keine beweglichen Teile haben.

Andere[edit]

Der Segway Human Transporter verwendet ein Vibrationsstruktur-Gyroskop von Silicon Sensing Systems, um die Bedienerplattform zu stabilisieren.^[18]

Verweise[edit]

Externe Links[edit]

• Proceedings of Anniversary Workshop zur Festkörpergyroskopie (19. bis 21. Mai 2008. Jalta, Ukraine). – Kiew-Charkiw. ATS der Ukraine. 2009. – ISBN 978-976-0-25248-5. Siehe auch die nächsten Treffen unter: Internationale Workshops zur Festkörpergyroskopie [1].
• Silicon Sensing – Fallstudie: Segway HT
• Apostolyuk V. Theorie und Design mikromechanischer Vibrationsgyroskope
• Prandi L., Antonello R., Oboe R. und Biganzoli F. Automatische Modusanpassung in MEMS-Vibrationsgyroskopen unter Verwendung von Extremum Seeking Control // IEEE-Transaktionen in der Industrieelektronik. 2009. Vol.56. – S.3880-3891.. [2]
• Prandi L., Antonello R., Oboe R., Caminada C. und Biganzoli F. Open-Loop-Kompensation des Quadraturfehlers in MEMS-Vibrationsgyroskopen // Tagungsband der 35. Jahreskonferenz der IEEE Industrial Electronics Society – IECON-2009. 2009. [3]