RU2058534C1

RU2058534C1 - Platformless inertial measuring unit

Info

Publication number: RU2058534C1
Application number: RU93045982A
Authority: RU
Inventors: Владимир Михайлович Ачильдиев; Вадим Георгиевич Гладилович; Владислав Николаевич Дрофа; Александр Павлович Мезенцев; Михаил Павлович Сергиенко
Original assignee: Владимир Михайлович Ачильдиев; Вадим Георгиевич Гладилович; Владислав Николаевич Дрофа; Александр Павлович Мезенцев; Михаил Павлович Сергиенко
Priority date: 1993-09-28
Filing date: 1993-09-28
Publication date: 1996-04-20

Abstract

FIELD: navigational gyroscopic devices. SUBSTANCE: used as gyroscopes-accelerometers in platformless inertial measuring unit are micromechanical vibrational gyroscopes-accelerometers. Base of unit is made in form of parallelepiped with inner chamber and base planes over its edges. Base is mounted on backing containing elements of service microelectronics. Oscillation excitation electrodes and sensitive elements of gyroscopes-accelerometers are made directly on base; temperature sensor is mounted on one edge of base. EFFECT: reduction of mass and overall dimensions and simplification of fixation of sensitivity axes of gyroscopes-accelerometers to base of unit at retaining of its accuracy. 14 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к навигационным гироскопическим приборам и может найти применение в системах инерциальной навигации. The invention relates to navigation gyroscopic devices and may find application in inertial navigation systems.

Известен бесплатформенный инерциальный блок, содержащий основание, гироскопы-акселерометры, установленные на его базовых плоскостях, сервисные электронные блоки, источники постоянного и переменного токов [1] В качестве гироскопов-акселерометров в указанном устройстве использованы гироскопы-акселерометры с электростатическим подвесом сферического ротора. Known strapdown inertial unit containing a base, accelerometer gyroscopes mounted on its base planes, service electronic units, direct and alternating current sources [1] As accelerometer gyroscopes in this device, accelerometer gyroscopes with electrostatic suspension of a spherical rotor are used.

Недостатками известного бесплатформенного инерциального измерительного блока являются его значительные массогабаритные характеристики, а также сложность выставки или определения привязки осей чувствительности гироскопов-акселерометров к основанию блока. The disadvantages of the known strapdown inertial measuring unit are its significant weight and size characteristics, as well as the difficulty of exhibiting or determining the binding of the sensitivity axes of gyroscopes-accelerometers to the base of the unit.

Целью изобретения является уменьшение массогабаритных характеристик и упрощение определения или обеспечения привязки осей чувствительности гироскопов-акселерометров к основанию блока. The aim of the invention is to reduce weight and size characteristics and simplify the determination or securing of the sensitivity axes of gyroscopes-accelerometers to the base of the block.

Цель достигается тем, что в известном бесплатформенном инерциальном блоке в качестве гироскопов-акселерометров применены микромеханические вибрационные гироскопы-акселерометры, содержащие чувствительные элементы, электроды возбуждения колебаний чувствительных элементов и электроды съема информации, при этом основание блока выполнено в виде параллелепипеда с базовыми плоскостями по его граням и внутренней полостью, электроды возбуждения колебаний чувствительных элементов и электроды съема информации выполнены непосредственно на основании, а основание закреплено на подложке, содержащей микросборки сервисной электроники, в полости основания размещен источник постоянного тока, а на одной из плоскостей основания установлен датчик температуры. Кроме того, между основанием и подложкой установлена равножесткая по всем трем осям упругая прокладка, собственная частота упругих колебаний которой ниже собственных частот гироскопов-акселерометров. The goal is achieved by the fact that in the known strapdown inertial block, micromechanical vibration gyroscopes-accelerometers containing sensitive elements, electrodes for exciting vibration of sensitive elements and electrodes for acquiring information are used as the parallelepiped with base planes along its faces as gyroscopes-accelerometers and the internal cavity, the electrodes for the excitation of vibrations of the sensitive elements and the electrodes of information retrieval are made directly on base and base is fixed on the substrate comprising micro-service electronics, housed in the cavity of the base DC source, and on one of the planes of the base is mounted the temperature sensor. In addition, between the base and the substrate there is an elastic gasket equally rigid along all three axes, whose natural frequency of elastic vibrations is lower than the natural frequencies of gyroscopes-accelerometers.

Сущность изобретения заключается в следующем. The invention consists in the following.

Микромеханический вибрационный гироскоп-акселерометр (МВГА) (см. например, N. M. Barbour, J.H.Elwell, R.H.Setterland, G.Schmidt, Inertial Instruments. Isaint Petersburg International Conference on Gyroscope Technology) состоит из чувствительного элемента, электродов возбуждения колебаний чувствительного элемента, электродов съема информации, источника переменного тока и сервисных электронных блоков. Чувствительный элемент МВГА представляет собой узел из системы двух маятников, конструктивно выполненных в виде внешнего и внутреннего плоских элементов, которые соединены между собой и с основанием чувствительного элемента посредством торсионов. В центре внутреннего элемента размещена инерционная масса со смещенным центром масс относительно геометрического центра внутреннего элемента. Электроды возбуждения колебаний чувствительного элемента, закрепленные на основании чувствительного элемента, образуют с внешним плоским элементом электростатический датчик момента, а внутренний элемент с электродами съема информации емкостный датчик угла. Посредством переменного электрического поля, подаваемого с источника переменного тока на электроды возбуждения колебаний чувствительного элемента, возбуждают колебания чувствительного элемента определенной амплитуды и частоты. При вращении гироскопа относительно оси, перпендикулярной внешнему и внутреннему плоским элементам чувствительного элемента, возникают силы Кориолиса, которые заставляют колебаться внутренний элемент. Полезный сигнал снимается с электродов съема информации и сервисных электронных блоков. При этом полезный сигнал будет содержать периодическую составляющую, амплитуда которой пропорциональна входной угловой скорости, и постоянную составляющую, пропорциональную действующему линейному ускорению. МВГА обладает существенными преимуществами перед гироскопом-акселерометром с электростатическим подвесом ротора в части массогабаритных характеристик, что обеспечивает возможность построения на его основе малогабаритного бесплатформенного инерциального блока, кроме того, он удобен для использования его в сочетании с элементами микроэлектроники, а размещение отдельных элементов МВГА непосредственно на основании и выполнение основания в виде параллелепипеда с внутренней полостью и размещение ее на подложке позволяют помимо улучшения массогабаритных характеристик упростить привязку осей чувствительности МВГА к основанию блока и улучшить тепловой режим чувствительных элементов и сервисной электроники. The micromechanical vibratory gyroscope-accelerometer (MVGA) (see, for example, NM Barbour, JHElwell, RHSetterland, G. Schmidt, Inertial Instruments. Isaint Petersburg International Conference on Gyroscope Technology) consists of a sensitive element, excitation vibration electrodes of the sensitive element, and removal electrodes information, an alternating current source and service electronic units. The MVGA sensitive element is a node from a system of two pendulums, structurally made in the form of external and internal flat elements, which are connected to each other and to the base of the sensitive element by torsion bars. An inertial mass with a displaced center of mass relative to the geometric center of the inner element is placed in the center of the inner element. The oscillation excitation electrodes of the sensing element, fixed on the basis of the sensing element, form an electrostatic moment sensor with an external flat element, and an internal element with information pick-up electrodes is a capacitive angle sensor. By means of an alternating electric field supplied from an alternating current source to the oscillation excitation electrodes of the sensing element, oscillations of the sensing element of a certain amplitude and frequency are excited. When the gyroscope rotates about an axis perpendicular to the outer and inner planar elements of the sensing element, Coriolis forces arise that cause the inner element to oscillate. The useful signal is removed from the electrodes of information retrieval and service electronic units. In this case, the useful signal will contain a periodic component, the amplitude of which is proportional to the input angular velocity, and a constant component proportional to the effective linear acceleration. MVGA has significant advantages over a gyroscope-accelerometer with an electrostatic suspension of the rotor in terms of weight and size characteristics, which makes it possible to build on its basis a small-sized strapdown inertial unit, in addition, it is convenient for use in combination with microelectronics elements, and the placement of individual MVGA elements directly on the base and the implementation of the base in the form of a parallelepiped with an internal cavity and its placement on the substrate, in addition to improving Mass and dimensional characteristics simplify the alignment of the sensitivity axes of the MVGA to the base of the unit and improve the thermal regime of sensitive elements and service electronics.

На фиг. 1 представлен бесплатформенный инерциальный измерительный блок, общий вид; на фиг. 2 то же, вид сверху; на фиг.3 представлена структурная схема построения бесплатформенного измерительного блока. In FIG. 1 shows a strapdown inertial measuring unit, general view; in FIG. 2 same, top view; figure 3 presents the structural diagram of the construction of the strapdown measuring unit.

Бесплатформенный инерциальный измерительный блок (фиг.1) содержит основание блока 1, выполненного в виде параллелепипеда, с внутренней полостью 2, в которой расположен источник 3 постоянного тока, и с базовыми плоскостями по его граням 4, на которых размещены чувствительные элементы 5, (показаны условно) электроды 6 возбуждения колебаний, электроды 7 съема информации и датчик 8 температуры. Основание блока 1 через равножесткую прокладку 9 установлено на подложке 10, на которой также размещены источник 11 переменного тока и микросборки 12 сервисной электроники. The inertial measuring inertial measuring block (Fig. 1) contains the base of a block 1 made in the form of a parallelepiped, with an internal cavity 2 in which a direct current source 3 is located, and with base planes along its faces 4, on which the sensitive elements 5 are placed (shown conditionally) electrodes 6 of excitation of oscillations, electrodes 7 of information retrieval and temperature sensor 8. The base of block 1 through an equally rigid gasket 9 is mounted on a substrate 10, on which an alternating current source 11 and microassembly 12 of service electronics are also located.

Работа бесплатформенного инерциального измерительного блока заключается в следующем. The work of the strapdown inertial measuring unit is as follows.

Напряжение с источника 3 постоянного тока, закрепленного во внутренней полости 2 основания блока 1, установленного через равножесткую прокладку 9 на подложке 10, поступает на источник 11 переменного тока, микросборки 12 сервисной электроники и датчик 8 температуры. Напряжение источника 11 переменного тока, в свою очередь, поступает на датчик 8 температуры, микросборки сервисной электроники и электроды 6 возбуждения чувствительных элементов 5. Переменное электрическое напряжение, поступающее на электроды 6 возбуждения колебаний, возбуждает колебания чувствительных элементов 5 определенной амплитуды и частоты. При действии угловой скорости и линейного ускорения на бесплатформенный инерциальный измерительный блок на оси чувствительности чувствительных элементов 5, расположенных на базовых плоскостях 4 основания блока 1, будут действовать проекции угловых скоростей ω_х,ω_у,ω_z и ускорений g_x, g_y, g_z. В результате возникнут кориолисовы силы, которые приведут к колебаниям чувствительных элементов 5. Сигналы, снимаемые с электродов 7 съема информации, будут содержать периодические составляющие, амплитуды которых пропорциональны входным угловым скоростям ( ω_х,ω_у,ω_z), и постоянные составляющие, пропорциональные действующим линейным ускорениям (g_x, g_y, g_z), поступают на микросборки 12 сервисной электроники, где преобразуются в постоянные напряжения, которые пропорциональны измеряемым проекциям угловых скоростей и линейных ускорений (U_ωх,U_ωу,U_ωz, U_gx, U_gy, U_gz). Одновременно сигнал с датчика 8 температуры, пропорциональный температуре основания блока 1, поступает на сервисные электронные блоки 12, где осуществляется коррекция измеряемых значений угловых скоростей и линейных ускорений.The voltage from the DC source 3, fixed in the inner cavity 2 of the base of the unit 1, installed through an equally-rigid gasket 9 on the substrate 10, is supplied to the AC source 11, microassemblies 12 of service electronics and a temperature sensor 8. The voltage of the AC source 11, in turn, is supplied to the temperature sensor 8, microassemblies of service electronics and sensing element excitation electrodes 6. The alternating electric voltage supplied to the vibration excitation electrodes 6 excites oscillations of the sensing elements 5 of a certain amplitude and frequency. When the angular velocity and linear acceleration act on the strapdown inertial measuring unit on the sensitivity axis of the sensitive elements 5 located on the base planes 4 of the base of unit 1, the projections of the angular velocities ω _x , ω _y , ω _z and accelerations g _x , g _y , g _z . As a result, Coriolis forces will arise, which will lead to oscillations of the sensing elements 5. The signals taken from the electrodes 7 of the information acquisition will contain periodic components whose amplitudes are proportional to the input angular velocities (ω _x , ω _y , ω _z ), and constant components proportional to current linear acceleration _{_{(g x, g y, g}} z), provided to micro 12 service electronics, where they are converted into DC voltages, which are proportional to the measured angular rate and linear acceleration (U _ω , U _{_{_ωu, U ωz, U gx, U}} gy, U gz). At the same time, the signal from the temperature sensor 8, proportional to the temperature of the base of unit 1, is sent to service electronic units 12, where the measured values of the angular velocities and linear accelerations are corrected.

Расположение чувствительных элементов 5, электродов 6 возбуждения колебаний чувствительных элементов и электродов 7 съема информации непосредственно на базовых плоскостях 4 основания блока 1 с внутренней полостью 2 позволяют существенно снизить погрешности привязки осей чувствительности МВГА к основанию блока и уменьшить массогабаритные характеристики и температурные градиенты за счет исключения промежуточных корпусных и крепежных элементов. Установка источника 3 тока во внутреннюю полость 2 позволяет уменьшить влияние тепло- и газовыделений источника постоянного тока на работу блока, повысить его помехозащищенность. The arrangement of the sensitive elements 5, the electrodes 6 of the excitation of vibrations of the sensitive elements and the electrodes 7 of information retrieval directly on the base planes 4 of the base of the unit 1 with the internal cavity 2 can significantly reduce the errors in the alignment of the axes of sensitivity of the MVGA to the base of the unit and reduce weight and size characteristics and temperature gradients by eliminating intermediate case and fasteners. The installation of a current source 3 in the internal cavity 2 allows to reduce the influence of heat and gas emissions of the DC source on the operation of the unit, to increase its noise immunity.

Установка между основанием блока 1 и подложкой 10 равножесткой по всем трем осям упругой прокладки 9 с собственной частотой упругих колебаний ниже собственных частот чувствительных элементов 5 МВГА позволяет существенно уменьшить погрешность бесплатформенного инерциального блока из-за угловых и линейных вибраций. The installation between the base of the block 1 and the substrate 10 equally rigid along all three axes of the elastic strip 9 with the natural frequency of elastic vibrations below the natural frequencies of the sensing elements 5 MVGA allows you to significantly reduce the error of the strapdown inertial block due to angular and linear vibrations.

Claims

1. FREE FORMER-INERIAL MEASURING BLOCK, containing a base, accelerometer gyroscopes mounted on its base planes, service electronic units, direct and alternating current sources, characterized in that micromechanical vibration gyroscopes-accelerometers containing sensitive accelerometers are used electrodes for exciting vibrations of sensitive elements and electrodes for reading information, while the base of the block is made in the form of a parallelepiped with base plates along its faces and internal cavity, the electrodes for exciting vibrations of sensitive elements and the electrodes for reading information are made on the base, and the base is fixed to a substrate containing microassemblies of service electronics, a DC source is placed in the base cavity, and a temperature sensor is installed on one of the base planes.

2. The block according to claim 1, characterized in that between the base and the substrate there is an elastic gasket equally rigid in all three axes, the natural frequency of which is lower than the natural frequencies of gyroscopes-accelerometers.