КАК ПРАВИЛЬНО ВЫБРАТЬ ГИРОСКОП ДЛЯ ПРОЕКТИРУЕМОГО ИЗДЕЛИЯ С УЧЕТОМ КЛЮЧЕВЫХ ПАРАМЕТРОВ И СИСТЕМНЫХ ТРЕБОВАНИЙ

29.05.2023 |

Основное назначение гироскопов – измерение угла поворота или угловой скорости подвижного объекта. Эти параметры используются системой автоматического управления, например, для стабилизации подвижного объекта в пространстве или для движения в заданном направлении.
Классификация современных выпускаемых промышленностью гироскопов:
по количеству степеней свободы (осей свободного вращения):
• 2-степенные
• 3-степенные
по принципу действия:
• механические гироскопы
• оптические гироскопы
по назначению:
• датчики угловой скорости
• указатели направления.
Один и тот же гироскоп может работать как датчик угловой скорости или как датчик направления.
Механические гироскопы можно разделить на роторные (классические) и вибрационные. Вибрационные гироскопы являются более простыми и дешевыми при сопоставимой точности по сравнению с роторными гироскопами. К ним относятся МЭМС-гироскопы, имеющие лучшие по сравнению с другими типами вибрационных гироскопов энергетические и массогабаритные характеристики (масса – доли грамма, энергопотребление – доли ватта).
Оптические гироскопы делятся на волоконнооптические и лазерные гироскопы. Принцип действия и тех, и других основан на эффекте Саньяка, заключающемся в появлении фазового сдвига встречных электромагнитных (световых) волн во вращающемся кольцевом интерферометре. Фазовый сдвиг встречных световых волн прямо пропорционален угловой скорости вращения находящемся на подвижном объекте интерферометра.
Принцип действия всех оптических гироскопов теоретически объясняется с помощью специальной теории относительности, согласно которой скорость света постоянна в любой инерциальной системе отсчёта (инерциальная систем – это система, для которой справедливы законы Ньютона), в то время как в неинерциальной системе она может отличаться от данного постоянного значения. При посылке луча света в направлении вращения прибора и против направления вращения определяемая интерферометром разница во времени прихода лучей позволяет найти разницу оптических путей лучей в инерциальной системе отсчёта, и, следовательно, величину углового поворота интерферометра (а значит, и объекта, на котором находится интерферометр) за время прохождения луча.

Лазерный гироскоп – это оптический прибор для измерения угловой скорости, принцип действия которого основан на эффекте Саньяка. Лазерный гироскоп находит применение в системах инерциальной навигации для определения координат и параметров движения различных объектов, а также для управления их движением. Лазерный гироскоп, как правило, представляет собой кольцевой резонатор с тремя или четырьмя зеркалами, расположенными по углам полости в форме треугольника или квадрата. Два лазерных луча, генерируемые разрядом между анодами и катодом и усиливающиеся в полостях гироскопа, непрерывно циркулируют по резонатору в противоположных направлениях. В датчике формируется интерференционная картина из светлых и тёмных полос. Положение полос не меняется, если гироскоп не вращается относительно инерциальной системы отсчёта, а при повороте корпуса гироскопа, фотоприемники измеряют угол поворота, считывая интерференционные полосы.
Волоконно-оптический гироскоп — это оптико-электронный прибор, измеряющий угловую скорость, принцип действия которого, как и лазерного гироскопа основан на эффекте Саньяка.
Свойства прибора:
• высокая точность;
• малые габариты и масса конструкции по сравнению с лазерным гироскопом;
• большой диапазон измеряемых угловых скоростей;
• высокая помехоустойчивость, благодаря диэлектрической природе волокна;
• высокая надежность, благодаря отсутствию механических элементов.
Устройство и принцип работы. Лазерные лучи в оптоволоконном гироскопе распространяются по замкнутому пути с помощью оптического волновода (световода). Для направления лазерного луча по замкнутому пути используется одномодовое оптоволокно (оптический одномодовый кабель представляет собой оптоволоконный шнур, через сердцевину которого проходит один луч светового сигнала. Его диаметр не превышает 10 мкм), а лазерное излучение подается из внешнего источника. Для повышения чувствительности гироскопа и увеличения длины оптического пути используют световод большой длины (1000 м и более), уложенный витками.
Поворот гироскопа (сдвиг фаз между двумя встречно направленными световыми лучами) определяется посредством фотоприёмника, регистрирующего интерференционную картину пятен, создаваемую лучами.
Основные области применения всех гироскопов: навигационные системы в судоходстве, авиации (включая БПЛА), космонавтике, автомобильном и железнодорожном транспорте, роботостроении и т.п. Особо следует отметить применение гироскопов в боевых ракетах, самонаводящихся бомбах и снарядах со встроенными системами самонаведения.
Разработчикам стабилизированных с помощью гироскопов систем для пилотируемых и беспилотных приложений необходимо оценивать различные гироскопические технологии, чтобы определить, какие типы гироскопических сенсоров обеспечивают требуемые параметры.

В зависимости от применения может оказаться, что нужно руководствоваться разными критериями. Необходим надежный способ сравнения критических параметров, общих для всех типов гироскопов.
Ниже предлагается один из подходов к выбору необходимого типа гироскопа для конкретного применения. Рассматриваются модульные ВОГ и МЭМС-гироскопы, а также инерциальные сенсоры. В сравнительный анализ не включены лазерные гироскопы, т.к. это сложные и дорогие устройства по сравнению с другими типами гироскопов и разработчики должны иметь веские основания для их применения, исходя из собственного анализа гироскопических устройств. Кроме того, в этот анализ не включены полусферические гироскопы, т.к. в настоящее время, судя по публикациям в открытых источниках, эти типы гироскопов выпускаются тремя фирмами, практически, для внутренних нужд.
Технологии, использующие критерии оценки волоконно-оптических гироскопов (ВОГ) и инерциальных систем на основе ВОГ, а также гироскопов на основе систем микроэлектромеханики (МЭМС) и МЭМС инерциальных систем, выбираются с учетом ключевых параметров.
Рассмотрим сегодняшние и перспективные приложения для ВОГ и МЭМС гироскопов. Как уже отмечалось, гироскопы используются в навигации для наведения и стабилизации движущегося объекта. К таким объектам относятся пилотируемые и беспилотные системы, предназначенные для коммерческого, промышленного и военного применения. Гироскопы и инерциальные сенсорные узлы и модули (IMU) выполняют ряд важных функций навигации и позиционирования в движущихся объектах и системах, начиная от игровых контроллеров и смартфонов и до дистанционно управляемого оружия и беспилотных транспортных средств. Огромному разнообразию приложений соответствует столь же широкий спектр оценки эффективности гироскопов и IMU-сенсоров, а также систем на их основе. Так, например, гироскопы потребительского или коммерческого класса, используемые в контроллерах видеоигр, смартфонах, планшетах и автомобильных подушках безопасности, имеют невысокую стоимость и низкую производительность.
Более серьезные приложения, такие как системы вооружения, беспилотные транспортные средства и спутниковые навигационные системы, требуют гораздо более высокого класса точности. Таким образом, системные требования к производительности и точности навигационной системы дают возможность определить, какая технология гироскопа должна быть интегрирована в разрабатываемую навигационную систему.
Точность гироскопов и инерциальных систем IMU можно разделить на классы в соответствии со стабильностью (bias stability), при этом гироскопы с самым низким уровнем стабильности используются в потребительских (коммерческих) системах и устройствах, а высокостабильные гироскопы используются в критически важных стратегических приложениях.

Измерение стабильности смещения показывает, насколько стабильно смещение гироскопа в течение рабочего временного интервала. Чем выше стабильность смещения, тем точнее работает гироскоп в навигационной системе, т.е. гироскоп с меньшим смещением во времени будет точнее оценивать положение движущегося в пространстве объекта. Поэтому точность гироскопов или IMU-сенсора определяет их стоимость.
Область применения также является важным фактором при выборе того или иного типа гироскопа. Гироскопы с невысокими характеристиками, такие как МЭМС-гироскопы, обычно используются в бытовых, промышленных и тактических приложениях, таких как смартфоны, игровые приставки, камеры, интеллектуальные боеприпасы, ПЗРК и т.п. Более точные приложения, такие как торпеды, ракеты среднего и дальнего радиуса действия, системы воздушной, наземной и морская навигации, системы географической привязки к местности, картографирования и съемки, а также системы автономной надводной или подземной навигации, требуют применения высокоточных и высокопроизводительных гироскопов, таких как волоконно-оптические (ВОГ или FOG) или кольцевые лазерные гироскопы (КЛГ или RLG). Учитывая то, что большинство фирм освоило в серийном производстве МЭМС и ВОГ гироскопы, целесообразно, в первую очередь, сосредоточиться на сравнительной оценке именно этих типов гироскопов, а лазерную и полусферическую технологию рассмотреть отдельно.
ВОГ-гироскопы имеют относительно невысокую стоимость и обычно используются в промышленных, тактических и стратегических приложениях, обеспечивая хорошее отношение цены и качества.
МЭМС-гироскопы используют эффект Кориолиса, в основу которого положено отклонение вибрирующей массы в результате вращения. МЭМС могут быть выполнены конструктивно на основе кварца или кремния Их основные преимущества: низкая стоимость, малые массогабаритные показатели, малое энергопотребление. МЭМС обычно используются для приложений коммерческого и промышленного класса.
Рассмотрим пять критических параметров, по которым гироскопы промышленного/тактического класса, не зависимо от технологии, должны превосходить гироскопы потребительского/коммерческого класса, сохраняя при этом малые размеры и приемлемую стоимость.
К этим параметрам относятся следующие:
1. Шум или случайное блуждание по углу (Angle Random Walk или ARW).
2. Погрешность смещения (Bias), при которой гироскоп может регистрировать некоторое вращение с погрешностью. Эта погрешность при температуре 25°C для идеальной среды (т. е. при отсутствии изменений температуры, вибраций, ударов или магнитного поля) приведена в технической документации.
3. Нестабильность смещения (In-Run Bias Stability) при любых постоянных температурах и идеальных условиях окружающей среды.

4. Чувствительность к изменению температуры (Bias Tempco), которая характеризуется смещением или изменением масштабного коэффициента (SF) гироскопа при изменении температуры. Эти погрешности, если они носят систематический характер, устраняются с помощью калибровки.
5. Чувствительность к ударам и вибрациям. Удары и вибрации можно представить как шум и смещение на выходе гироскопа. Эти воздействия на гироскоп приводят к большим погрешностям, которые практически не устраняются калибровкой.
Рассмотрим, каким образом рассмотренные параметры влияют на качество работы гироскопа:
1. Как отмечалось в п. 1, выходной сигнал гироскопа включает широкополосный шум ARW. Шум вызывает отклонение или погрешность, которую можно вычислить по значению дисперсии Аллана.
Подробно с этим методом можно ознакомиться в Log Allan Deviation Plotfrom IEEE-STD-952 (IEEE-STD-952: “Specification Format Guideand Test Procedure for Single-Axis Interferometric Fiber Optic Gyros”). Основными источниками случайного шума являются активные элементы гироскопа, такие как лазерный диод и фотодиод в ВОГ, и вибрационные и электронные компоненты в МЭМС-гироскопе. Отметим, что чем выше уровень шума на выходе гироскопа, тем меньше его точность. По этому параметру имеется большой разброс для различных типов гироскопов как ВОГ, так и МЭМС-гироскопов.
2. Погрешность смещения (Bias) – это любой ненулевой выходной сигнал на выходе гироскопа, при входном сигнале, равном нулю. Погрешность можно уменьшить путем калибровки гироскопа в заводских условиях.
3. Нестабильность смещения (In-Run Bias Stability) измеряется при постоянной температуре и идеальных (нормальных) условиях окружающей среды.
Данную нестабильность определяют с помощью методики измерения дисперсии Аллана, которая является основным методом определения этого параметра для всех типов гироскопов, включая FOG, MEMS и RLG. Определение нестабильности смещения по данной методике заключается в следующем: чем ниже положение точки минимума на кривой дисперсии Аллана, тем меньше смещение. Отметим, что этот метод относится к определению погрешности смещения, вызванной случайными шумами, а не систематическими погрешностями гироскопа, вызванными изменением температуры или ударами и вибрациями, и которые можно убрать калибровкой. Нестабильность смещения приводит к случайной погрешности, которая калибровкой не устраняется. Из-за нестабильности смещения гироскопа, чем дольше работает гироскоп, тем больше погрешность определения скорости или положения движущегося объекта, т.е. имеет место накопление этой погрешности во времени. Большая нестабильность смещения гироскопа имеет решающее значение для приложений, требующих высокой точности в течение длительного времени работы, например, в автономной навигации автомобиля, самолета или ракеты среднего и дальнего радиуса действия.

Таблица 1. Нестабильность смещения гироскопов в зависимости от назначения

Назначение Нестабильность, °/час Тип гироскопа
Коммерческое 30 – 1000 МЭМС
Промышленное 1 – 30 МЭМС
Тактическое 0.1 – 30 МЭМС/ВОГ
Тактическое высокого класса 0.1- 1 МЭМС/ВОГ
Навигация 0.01 – 0.1 ВОГ
Стратегическое 0.0001 – 0.01 ВОГ

Поэтому нестабильность смещения является определяющим параметром при выборе гироскопа для таких устройств. В табл. 1 приведены значения нестабильности смещения для гироскопов, предназначенных для разных применений.
Чувствительность к изменению температуры. Параметры гироскопа, чувствительные к изменению температуры, включают шум, смещение, нестабильность смещения и масштабный коэффициент. Системные интеграторы должны иметь информацию об изменении всех параметров гироскопа, вызванных изменением температуры окружающей среды, для того, чтобы при выборе гироскопа иметь уверенность в его соответствии системным целям. Чем меньше чувствительность гироскопа к изменению рабочей температуры, тем лучше его точность. Некоторые гироскопы типа ВОГ имеют калибровочные таблицы для компенсации изменения смещения и масштабного коэффициента, вызванных изменением внутренней температуры гироскопа.
Чувствительность к ударам и вибрациям, которые приводят к увеличению шума и смещения гироскопа. Погрешности, вызванные вибрациями и ударами, нелегко откалибровать. Вибрации имеют место во многих промышленных и военных приложениях, в которых гироскопы должны работать точно даже при наличии случайных вибрационных и ударных нагрузок. Эти воздействия вызваны многочисленными факторами, такими как работа двигателя или выполнение стрельб. Чтобы свести к минимуму вибрации, разработчики размещают гироскоп там, где вибрации гасятся, а также используют сглаживание и фильтрацию. Чем устойчивее гироскоп к вибрациям, тем надежнее он работает. ВОГ практически не чувствительны к вибрациям, тогда как в основу MЭMС положена механическая вибрационная конструкция. Поэтому МЭМС-гироскопы имеют высокую чувствительность к вибрационным нагрузкам.
Краткая характеристика ВОГ и МЭМС гироскопов.
Волоконно-оптические гироскопы обеспечивают высокую производительность по пяти приведенным выше ключевым параметрам. важным для навигации, управления и стабилизации движущегося объекта. Эти гироскопы, как правило, имеют случайное блуждание под малым углом; их погрешность смещения невысока; нестабильность смещения мала; ВОГ имеют низкую чувствительность к изменению температуры и к ударным и вибрационным нагрузкам.

С точки зрения отношения цена/качество они конкурентоспособны с МЭМС-гироскопами. Благодаря высокой стабильности и температурной устойчивости ВОГ находят применение в морской и воздушной навигации, включая военную технику. ВОГ, в частности, используются для наведения и стабилизации самонаводящихся ракет и снарядов, в навигации беспилотных и пилотируемых приложений, спутниковых навигационных системах. Это транспортные средства (БПЛА), оптические и сенсорные системы дальнего действия, высокоточные инерциальные навигационные системы.
Высокая стабильность обычно является предпочтительным выбором для таких приложений, как антенны, оптическое оборудование, а также лазерные системы наведения и стабилизации, наземное, морское, аэромобильное картографирование, системы съемки, управления полетом, заданием высоты, курса и ориентира (AHRS). Некоторые новые приложения для высокопроизводительных ВОГ и IMU на основе ВОГ включают автономные платформы для наземных, воздушных и морских приложений с высокими требованиями к стабильности и температурной устойчивости.
Такие автономные и роботизированные системы включают разведку нефти и газа, картирование дна океана, поисково-спасательные работы. Кроме того, они обеспечивают безопасность и поддержку правоохранительных органов, контроль и мониторинг лесных пожаров, военные операции, промышленную обработку материалов.
МЭМС-гироскопы имеют лучшие массогабаритные характеристики и меньшую мощность потребления по сравнению с другими типами гироскопов. Они способны выдерживать высокие ударные нагрузки в нерабочем состоянии и в целом имеют более низкую стоимость, чем гироскопы, выполненные по другим технологиям, включая гироскопы типа ВОГ.
Слабые стороны МЭМС-гироскопов и инерциальных систем на их основе заключаются в более высоком случайном блуждании и более высоких шумах по сравнению с ВОГ и лазерными гироскопами. Кроме того, МЭМС-гироскопы имеют более высокую нестабильность смещения, что приводит к ухудшению параметров навигации или стабилизации систем наведения, особенно при длительных интервалах работы.
Высокая чувствительность МЭМС-гироскопов и инерциальных МЭМС-систем к изменению температуры существенно влияет на их смещение и коэффициент масштабирования, что в системах навигации и стабилизации может иметь решающее значение. Традиционными и перспективными приложениями для МЭМС-гироскопов и инерциальных систем являются системы, для которых важны малые массогабаритные показатели и невысокая стоимость.
К таким приложениям относятся цифровые камеры, смартфоны, контроллеры видеоигр и автомобильные приложения, такие как развертывание подушек безопасности и электронный контроль устойчивости. Кроме того, к этим приложениям относятся системы наведения и позиционирования низкого/среднего уровня, например, ПЗРК.

Новые на сегодня приложения, в которых МЭМС-гироскопы занимают лидирующее положение, включают развлекательные системы и устройства, такие как захват движения тела человека для создания спецэффектов в фильмах и играх. Это могут быть спортивные и медицинские приложения, например, для реабилитации и диагностики.
В области автономных платформ с GPS-датчиками с требованиями небольших габаритов МЭМС-гироскопы используются в задачах с краткосрочным применением, когда можно пренебречь накапливающимися во времени погрешностями.
Таким образом, разработчикам различных приложений, в которых применяется гиростабилизация или инерциальная навигация, необходимо определить и расставить по приоритетам параметры гироскопов, исходя из системных требований. Принимая во внимание пять наиболее важных параметров, которые рассматривались выше, разработчики могут выбрать соответствующую технологию гироскопа, обеспечивающую выполнение системных требований в полном объеме. Сравнение параметров гироскопов, выполненных по ВОГ и МЭМС технологиям, их сильных и слабых сторон позволяет сделать оптимальный выбор, который с наибольшей вероятностью приведет к эффективному и успешному решению поставленной задачи.
По результатам выполненного анализа двух технологий построения гироскопов и особенностей применения каждой из них приведем примеры выбора гироскопа.
1. Выбор типа гироскопа для переносного зенитно-ракетного комплекса (ПЗРК) ПЗРК имеет два сенсора: один для целеуказания – инфракрасный датчик, другой для управления ракетой – гироскоп. Инфракрасный датчик устанавливается внутри линзового объектива, а объектив совмещается с гироскопом. У объектива угол зрения составляет не более нескольких градусов, но за счет сканирования окрестности вправо и влево этот угол расширяется до плюс/минус 15-20 градусов.
Гироскоп в системе управления движением ракеты держит цель с точностью, которая зависит от типа выбранного гироскопа. Ракета не догоняет цель, а определяет ее положение с учетом скорости и летит к месту встречи с упреждением. В общем случае рассматриваемая задача преследования относится к конфликтно управляемым процессам. Есть несколько базовых вариантов решения такой задачи, но это, как правило, закрытая информация для каждого типа ракет.
Инфракрасный датчик работает, находясь в жидком азоте при температуре -196 °C. Жидкий азот сохраняется во время полета ракеты ПЗРК не более 10 -15 секунд. Если за это время ракета не поразит цель, то через несколько секунд она самоликвидируется. В таком комплексе может быть использован гироскоп, выполненный по МЭМС-технологии, нестабильность смещения которого составляет несколько градусов в час.

2. Выбор типа гироскопа для БПЛА, предназначенного для поражения объекта с заданными координатами

БПЛА может доставлять боеприпас на расстояние до 1000 км, Скорость БПЛА, как правило, не превышает 300-400 км/час. Таким образом, БПЛА может двигаться до цели не менее нескольких часов. При большой нестабильности смещения оси гироскопа в час БПЛА может потерять цель и не выйти в заданный район расположения предназначенного для поражения объекта. В этой задаче можно использовать как МЭМС гироскоп с малой нестабильностью смещения, так и ВОГ среднего класса. Для оптимизации выбора следует произвести предварительные расчеты возможного отклонения БПЛА от цели.

Таблица 2. Гироскопические модули и сенсоры компании Analog Devices

Техноло­гия Тип гироскопа Шум (ARW), °/√час Нестабильность смещения (In-Run Bias Stability), °/√час
МЭМС ADIS16133 0.75 6.0
МЭМС ADIS16137 0.15 2.8
МЭМС ADIS16260 2.0 25
МЭМС ADIS16266 21.5 470
МЭМС ADIS16480 0.3 6.0
МЭМС ADIS16488A 0.26 5.1

В качестве примера приведем два основных параметра гироскопических модулей и сенсоров: шум (случайное блуждание по углу) и нестабильность смещения во времени, выпускаемых ведущими производителями гироскопов, такими как компании Analog Devices и Honeywell.
Следует отметить, что в навигации и других стратегических приложениях кроме волоконно-оптических гироскопов ВОГ и кольцевых лазерные гироскопов КЛГ в последнее время начали использовать гироскопы нового типа. Это твердотельные полусферические гироскопы (Hemispheric Resonator Gyroscopes – HRG или ПРГ) на основе эффекта Кариолиса.

Таблица 3. Гироскопические модули и сенсоры компании Honeywell

Техноло­гия Тип гироскопа Шум (ARW), °/√час Нестабильность смещения (In-Run Bias Stability), °/√час
МЭМС HG1125 0.3 7.0
МЭМС HG4930 0.04 0.25
МЭМС HG1930 0.125 1.0
КЛГ HG700SG 0.125 0.25
КЛГ HG5700 0.006 0.01
КЛГ HG9900 0.002 0.0006
ВОГ HG2801 0.05 0.05
ВОГ HG2802 0.05 0.05

Лучшие образцы полусферических гироскопов уже в настоящее время имеют шум или случайное блуждание по углу ARW не хуже 0.0002 °/√час, а нестабильность смещения во времени не более 0.0001 °/час (с.к.з).

ВЫВОДЫ
В результате сравнительного анализа ключевых параметров выпускаемых сегодня МЭМС и ВОГ гироскопов можно сделать следующие выводы.
МЭМС-гироскопы отличаются малыми массогабаритными показателями и низким энергопотреблением. Они освоены в массовом производстве, выпускаются десятками фирм и применяются в бытовой аппаратуре, коммерческих изделиях, медицинской аппаратуре, а также в военной технике невысокого класса. ВОГ более сложны в изготовлении, отличаются более высокой стоимостью, число компаний, выпускаемых ВОГ, ограничено. Новым перспективным направлением в области создания гироскопов для навигации и других стратегических приложений является технология твердотельных полусферических гироскопов.