Гироскопический эффект у автомобиля

Петр Петрович Шиловский — изобретатель гирокара

Жан Бернар Леон Фуко известен не только созданием одноименного маятника, но еще и изобретением гироскопа — устройства, способного реагировать на изменение углов ориентации тела, на котором оно установлено, относительно инерциальной системы отсчета. Простейший пример гироскопа — юла или волчок, сохраняющий устойчивость при вращении. Впрочем, гироскоп применялся не только в игрушках. Так, в начале ХХ века гироскопы уже использовались на монорельсовых дорогах, но именно русский изобретатель Петр Петрович Шиловский первым предложил применить его в автомобиле. И даже воплотил идею в жизнь.

Петр Петрович на этом снимке сидит рядом с шофером. Шиловский происходил из старинного дворянского рода, окончил Императорское училище правоведения, начал карьеру судебным следователем в Луге и дослужился до чина статского советника, занимавшего должности Костромского, а затем Олонецкого губернатора. Еще Петр Петрович Шиловский был известен как инженер, изобретатель и пионер гироскопической техники. В 1910 году он предложил Военному ведомству идею однорельсовой дороги, но все утонуло в бюрократической переписке.

Судьба гирокара типична для многих русских изобретений. Не найдя поддержки в России, он в 1912 году на собственные средства заказал британской фирме Wolseley постройку двухколесного автомобиля по собственным чертежам. Процесс растянулся надолго. В октябре того же года тестировались подвеска и двигатель, летом 1913 года — шасси целиком, и только в ноябре гирокар был готов. В апреле 1914 года в лондонском Риджентс-парке состоялась первая демонстрационная поездка, во время которой и была сделана эта фотография.

Гироскоп находился посередине автомобиля и приводился в движение небольшим электродвигателем мощностью 1,25 л. с., который, в свою очередь, работал от магнето на двигателе внутреннего сгорания под капотом. Радиатор системы охлаждения размещался за двигателем и перед шофером, а единственный тормоз у гирокара был трансмиссионным и находился на валу сразу за коробкой передач. Гироскоп наклонялся в обе стороны на 25 градусов, а по обеим сторонам гироскопического механизма были подвешены еще два маятника весом по 47 кг.

Об изобретении Шиловского написала не только британская пресса, но и российская. В статье из журнала «Аэро- и автомобильная жизнь» N 10 за 1914 год особо отмечались такие типичные для нашей страны преимущества, как «большая экономия в шинах», а также то, что «при езде на двухколесном автомобиле по плохим дорогам всегда будет легче выбрать наименее испорченную часть пути, чем при езде на четырехколесках». Кстати, в дореволюционной России гирокар Шиловского называли «жирокаром», а гироскоп — «жироскопом».

Источник статьи: http://www.kommersant.ru/doc/3548758

Ford Gyron: двухколесные автомобили — реальность прошлого, перспектива будущего

Помня о том, что все новое — это хорошо забытое старое, на этот раз в рамках цикла «Автоэкзотика» обратимся к одному из самых странных типов автомобилей — гиромашинам. Ведь сейчас в стремлении снизить расход топлива и нагрузку на экологию ученые снова возвращаются к тому, что уменьшают количество колес, а также работают над аэродинамикой с оглядкой на самолетостроение. Как ни странно, все это некогда уже было явлено миру под именем Ford Gyron. Хотя и тут без инженеров дореволюционной России не обошлось.

Итак, для начала немного теории. Гироскопический автомобиль, или просто гироавтомобиль, — это тип одноколейного двухколесного транспортного средства, в котором используется гироскопический эффект. Главное достоинство такой конструкции в том, что двухколесная машина тратит меньше энергии на свое перемещение, при этом она гораздо маневреннее четырехколесных собратьев. Гироскоп построен по принципу обычного игрушечного волчка: во время своего вращения он не только сам не сваливался на бок, но и не давал сваливаться автомобилю. В начале ХХ века гироскопы стали устанавливать в кораблях в качестве успокоителя качки, чтобы те не валились на бок, позже он стал использоваться в самолетах и поездах.

Один из первых в мире двухколесных автомобилей, оснащенных гироскопом, был разработан русским инженером Петром Шиловским. В 1913-1914 гг. он испытывал свою гироскопическую машину на улицах Лондона. Об одной из поездок Шиловского английский технический журнал писал: «Водитель нарочно ехал как можно медленнее, чтобы доказать всем, что устойчивость его машины совсем не зависит от быстроты езды. На ходу седоки менялись местами, сходили, снова садились. И при этом колеса нисколько не теряли равновесия. «

Автомобиль Шиловского был построен в Англии компаний «Уолслей». Двигатель, установленный на этом автомобиле, был той же фирмы и имел мощность 24 л.с. Вес автомобиля составлял 3,1 т, колесная база — 3969 мм. На раскручивание гироскопа расходовалась мощность 1,25 л.с.

В 1924 г. П.Шиловский создал и показал на выставке в Лондоне двухколесный четырехместный автомобиль, в котором в качестве средства, исключающего влияние маневренности на устойчивость, был применен маховик с вертикальной осью вращения. Маховик, как и в предыдущем случае, крепился на раме, позволявшей наклонять его ось вперед и назад, создавая тем самым гироскопический момент, обеспечивающий устойчивость автомобиля. Положение рамы на машине Шиловского регулировалось уже автоматически, по сигналу датчиков крена. Работа Шиловского была одной из первых попыток использовать стабилизирующий эффект гироскопа в наземной транспортной машине. Но это направление в конструировании автомобиля было забыто до начала 70-х годов ХХ века.

Американская компания «Форд» в 1961 г. представила на автосалоне в Детройте небольшую двухколесную изящную машину, вызвавшую огромный интерес публики. В концептуальной модели, получившей название «Гирон» (Gyron), водитель и пассажир транспортного средства сидели рядом друг с другом, а в те моменты, когда машина находилась на стоянке, ее равновесие поддерживали небольшие легкие опоры.

Внешний облик автомобиля был, по сути, ярким отражением наступавшей эры реактивной авиации. Овальный в поперечном сечении кузов был спроектирован по типу фюзеляжа самолета. Все несущие элементы были внутри корпуса. Лишь в кормовой его части были видны небольшие элементы подвески ведущего колеса. Спереди решетка радиатора напоминала сопло воздухозаборника реактивного истребителя. Всю конструкцию довершала изящная, полностью прозрачная крыша. Надо отметить, что таких элементов, как бампер и фары, не было совсем! Дело в том, что эти важные для любой машины составляющие не вошли в облик «Гирона», потому что в то время в Америке широко обсуждалась идея, что легковой городской машине фары не нужны, а при авариях бампер не спасает кузов от разрушения.

«Гирон» создавался прежде всего для того, чтобы доказать жизнеспособность двухколесной схемы автомашины. Поэтому инженеры и руководство компании открыто заявляли, что они рассматривают проект как концептуальный, не предназначенный для серийного производства.

В конструкции стабилизатором устойчивости служил маховик диаметром 60 см, который вращался со скоростью 6000 об/мин. Вопрос устойчивости в «Гироне» решался благодаря автономному узлу, который работал независимо от основного двигателя. Небольшие опоры не могли обеспечить достаточную устойчивость в движении — они были предназначены лишь для стоянки. Было построено несколько вариантов «Гирона», имевших небольшие отличия. На одном из вариантов машины опоры заменяли небольшими колесами по типу детского велосипеда. Процесс уборки и выпуска поддерживающих опор в аварийной ситуации добавил забот инженерам компании. Узел управления опорами получался слишком сложным и ненадежным. Еще одной немаловажной проблемой стал салон автомобиля. Внутрь можно было попасть точно так же, как в кабину реактивного истребителя.

Полностью прозрачный верх откидывался назад, открывая доступ к креслам. Форма кресел, выполненных из пластика, была весьма эффектной, но анатомически не очень продуманной. В автомобиль можно было попасть, перешагнув через боковину кузова. Это легко могли сделать молодые люди, однако для пожилых вход и выход из машины составляли определенные трудности. Вставать из низких кресел и перебираться через боковину салона было не очень удобно и требовало большой силы и сноровки. К тому же полностью прозрачная крыша быстро нагревала салон до высоких температур, что создавало неблагоприятные условия для водителя и пассажира.

И то, что хорошо было для самолета, для автомашины оказалось мало применимым. Дополнительные неудобства возникали в случае плохой погоды. Когда фонарь кабины открывался, дождь и снег быстро проникали в салон. А садиться на намокшие сиденья никому не хотелось. Конечно, салон, основным цветом которого был белый, выглядел потрясающе.

С практической точки зрения возникало много вопросов, связанных непосредственно с эксплуатацией двухколесного автомобиля. Практически отсутствовал багажник, так как большой объем пространства за кабиной занимал маховик, элементы подвески колеса, еще надо помнить о топливном баке. Вместо привычного рулевого колеса был установлен штурвал наподобие самолетного, от водителя при вождении требовалась определенная сноровка. На приборной панели было два основных индикатора — указатель скорости и датчик крена. Кроме чисто эргономических вопросов возник еще один, относящийся больше к сфере психологии: не все потенциальные владельцы «Гирона» были согласны на то, что им предлагалось двигаться по дорогам в практически прозрачной кабине.

Получалось, что оригинальная, изящная конструкция с массой новых инженерных решений создавала целый комплекс проблем и задач, которые требовалось решить. Всего было построено несколько макетов в натуральную величину. К сожалению, точных геометрических данных, а также предполагаемых технических характеристик этого удивительного проекта не сохранилось.

Надо отметить, что производители электрических игрушек не оставили без внимания необычный двухколесный автомобиль. Была выпущена радиоуправляемая модель «Гирона», которая пользовалась, пожалуй, большим успехом, чем ее настоящий большой двойник.

Для 60-х годов это был действительно революционный проект, но так как автомобиль создавался прежде всего для проведения научных исследований и изучения спроса, решение о дальнейшей доводке конструкции и начале серийной постройки было предрешено

Александр АРХИПОВ
Специально для ABW.BY

Другие материалы цикла «Автоэкзотика»

Источник статьи: http://www.abw.by/novosti/other/180549

Про двухколёсный автомобиль и самолёт, которых может лететь только вправо

Научиться кататься на двухколёсном велосипеде не так просто, это все дети знают. А как вообще получается, что можно ехать на двух колёсах и не падать? Секрет – в движении. Стоять неподвижно у двухколёсного велосипеда не получится – а вот в движении он устойчив.

С точки зрения физики вращающееся колесо называется гироскопом , а главное удивительное свойство гироскопа – сохранение положения в пространстве. Возьмите велосипедное колесо в руки – его можно совершенно спокойно наклонять вправо, влево, на себя, от себя, короче говоря, в любое положение. Но попросите товарища раскрутить это колесо у вас в руках, а затем попробуйте наклонить! Вы почувствуете, как оно «сопротивляется», «не даётся», буквально вырывается у вас из рук!

В 1914 году на выставке в Лондоне русский изобретатель Пётр Петрович Шиловский продемонстрировал самый настоящий двухколёсный автомобиль. Да-да, у этого автомобиля было всего два колеса, как у велосипеда! При этом он стоял, не падал, даже если в него усаживалось сразу несколько взрослых мужчин. «Секрет» двухколёсного автомобиля был прост – внутри был расположен тяжёлый диск, который раскручивался мощным электромотором. Гироскопический эффект не давал двухтонному автомобилю не то что упасть – даже наклониться!

Но почему такие автомобили не делают сейчас? – спросите вы. Ведь два колеса – это как минимум дешевле и выгоднее, чем три или четыре. Что ж, это как раз тот случай, когда «плюсы» конструкции превращаются в «минусы». Вращающийся гироскоп не даёт автомобилю упасть – но! С одинаково равной силой он не даёт ему поворачиваться. Гирокар Шиловского «входил в поворот» невероятно лениво и тяжело, попасть на такой машине в аварию было проще простого.

«Всё это чисто эксперименты и детские игрушки!» – скажете вы. А вот и нет. Гироскопический эффект – штука очень серьёзная, с ним надо уметь уживаться. 100 лет назад, во время первой мировой войны, английские конструкторы создали очень удачный истребитель «Сопвич-Кэмел». Манёвренный, скоростной, с хорошим вооружением.

Но двигатель с вращающимся блоком цилиндров («ротативный») создавал очень мощный гироскопический эффект – и самолёт из-за этого не мог разворачиваться влево! Вправо – сколько угодно, а влево – никак! Немецкие пилоты про такую «фишку» быстро пронюхали, и в воздушном бою всегда старались «закрутить» врага влево – из-за гироскопического эффекта британцы на «сопвичах» превращались в лёгкую мишень.

Далее:

Рассказывает журнал «Лучик» – 80-страничный познавательный журнал для детей и родителей. Полистать номера журнала можно здесь . Подписаться на журнал – здесь. Возможна пробная подписка на 1 месяц.

Источник статьи: http://zen.yandex.ru/media/luchik/pro-dvuhkolesnyi-avtomobil-i-samolet-kotoryh-mojet-letet-tolko-vpravo-5ef9b3810c0e4d78e219948a

Автомобильные гироскопы Текст научной статьи по специальности « Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Сысоева Светлана

В статье рассказывается о применениях, технологиях, рабочих принципах и элементной базе автомобильных гироскопов, представленных на современном рынке.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Сысоева Светлана

Текст научной работы на тему «Автомобильные гироскопы»

В статье рассказывается о применениях, технологиях, рабочих принципах и элементной базе автомобильных гироскопов, представленных на современном рынке.

Гироскопы — это устройства, которые измеряют угловую скорость (angular rate) вращающегося объекта. В автомобильных применениях гироскопы используются для измерения скорости вращения автомобиля теоретически относительно трех осей: вертикальной (yaw), поперечной (pitch) или продольной (roll), но наиболее обычными из них являются yaw (yaw rate sensor) и roll (angular rate gyros) типы гироскопов.

Ключевые автомобильные применения, для которых разрабатываются новые гироскопы, это:

• Обнаружение крена машины и боковых опрокидываний (Rollover).

• Навигационные системы (GPS и другие).

• Контроль динамики автомобиля ESC, а также АБС.

В автомобильных системах безопасности и комфорта автомобилей класса high-end также востребованы гироскопы, мигрирующие, например, от потребительских применений — таких как контроль многих входных данных и стабилизация видеокамер. Гироскопы могут применяться, например, и для корректировки высоты и стабильности подвески в зависимости от угловой скорости крена (roll) автомобиля.

MEMS-гироскопы играют все более увеличивающуюся роль в автомобильных применениях, и рынок не ограничивается автомобильными применениями. Мировой рынок MEMS-гироскопов, согласно прогнозам, достигнет $800 млн уже в 2010 году.

Гироскопы классифицируются как в зависимости от применения, так и по их исполнениям: инерциальные (inertialgrade), тактические (tactical-grade) и показателя скорости (rate-grade devices).

В автомобиле преобладают гироскопы скорости вращения. Типичные автомобильные применения включают диапазон полной шкалы в 50-300°/с и разрешение в 0,5-0,05°/с в полосе пропускания менее 100 Гц, в зависимости от применения. Стандартная рабочая температура от -40 до +85 °C.

Многие современные типы автомобильных гироскопических устройств представляют собой вибрационные кориолисовы гиро-

скопы, в которых для определения вращения используется вибрирующий механический элемент 13.

В более ранних устройствах для совершения колебаний использовался макроскопический пьезоэлектрический кристалл кварца. По мере развития MEMS-технологий колебательные функции все чаще выполняет кремниевый кристалл, совместимый с технологиями ИС, включающими схемы обработки сигнала и различные интерфейсы.

Основные технологии, реализуемые в современных гироскопах, включают:

• камертонные гироскопы Tuning Fork Gyroscope;

• вибрирующее колесо — гироскоп Vibrating Wheel;

• полусферические резонансные гироскопы Wine Glass Resonator Gyroscopes;

• кольцевой резонатор — гироскоп Ring Resonator Gyroscopes;

• вращающееся колесо — гироскоп Spinning Wheel Gyroscope;

• микрооптические электромеханические гиросистемы Micro-Optical-Electromechanical Systems (MOEMS) Gyros;

Теория, основные рабочие принципы и технологии гироскопов

Традиционные вращающиеся гироскопы, известные более 200 лет, действуют на основе следующего принципа: если вращающийся объект наклонить перпендикулярно к направлению вращения, то он будет иметь прецессию. Это означает, что если прикладывать к гироскопу постоянную внешнюю силу, то он начнет поворачиваться вокруг третьей оси, не совпадающей по направлению с основной осью вращения ротора. Прецессия, величина которой пропорциональна величине действующей силы, удерживает устройство, ориентированное в вертикальном направлении, причем может быть измерен угол наклона относительно опорной поверхности. Однажды раскрученное устройство стремится сопротивляться изменениям в его ориен-

Рис. 1. Модель традиционного гироскопа с тремя степенями свободы:

1 — ротор; 2 — вал; 3 — внутренний подвес;

4 — внешний подвес; 5 — опорный подвес; 6 — опора

тации вследствие углового момента. Этот эффект известен в физике как гироскопическая инерция. В случае прекращения внешнего воздействия прецессия мгновенно заканчивается, но ротор продолжает вращаться.

Основным элементом гироскопа является ротор spinning wheel, размещенный на вращающейся оси (рис. 1). Ротор гироскопа характеризуется тремя степенями свободы (три оси возможного вращения), которые обеспечиваются двумя рамками карданного подвеса. Ротор закреплен во внутреннем карданном подвесе или кольце, имеющем возможность колебаний во внешнем карданном подвесе, который, в свою очередь, может совершать колебания относительно опоры. Внешний подвес закреплен так, что возможно вращение вокруг одной оси в его собственном плане (одна степень свободы), при этом его ось вращения не имеет ни одной степени свободы. Внутренний подвес закреплен во внешнем подвесе так, что может осуществлять вращение вокруг одной оси в собственном плане, причем эта ось всегда нормальна к оси вращения ротора.

Таким образом, внутренний подвес обладает двумя степенями угловой свободы, его ось также обладает одной степенью свободы. Следовательно, ротор обладает тремя степенями угловой свободы, его ось — двумя. Ротор реагирует на силу, приложенную к входной оси, силой реакции вокруг выходной оси, то есть, если на такое устройство не действуют

внешние возмущения, ось собственного вращения ротора сохраняет постоянную пространственную ориентацию в пространстве, но под действием момента внешней силы, стремящегося повернуть ось собственного вращения (например, при наклоне гироскопа), ось начинает вращаться, причем не вокруг направления момента, а вокруг оси, перпендикулярной ему (прецессия — движение, ортогональное направлению наклона). Для устранения многочисленных факторов ошибок в гироскопах используется фиксирование осей пружинами — тогда напряжение пружины будет пропорционально скорости прецессии.

Гироскоп может указывать угол поворота относительно основания, на котором он закреплен, а также угловую скорость. Из-за этих своих свойств гироскоп может применяться в автоэлектронике как датчик угла поворота или угловой скорости.

Оптические гироскопы — следующий тип гироскопических устройств, основанные на том, что лазерный луч многократно отражается в замкнутом контуре, при вращении которого длительность между моментом излучения и получения сигнала будет различной. Оптические гироскопы представляют собой различные модификации интерферометров Сагнака (Sagnac). (Эффект Сагнака состоит в явлении кольцевой интерферометрии. Принцип действия этих устройств основан на том, что два луча посылаются вокруг кругового пути в противоположных направлениях и, в зависимости от угловой скорости вращения пути, интерферометрическим детектором может быть обнаружен фазовый сдвиг, так как скорость света почти всегда остается постоянной).

В лазерных гироскопах RLG (Ring Laser Gyro), получивших применение приблизительно в 1960-х годах, кольцевой путь луча обеспечивается зеркалами. Обычно кольца представляют собой треугольники или прямоугольники с зеркалами на каждом углу.

Теория работы гироскопов дизайна Ring Laser показана на рис. 2. Простейший лазер-

ный гироскоп представляет собой даже не кольцо, а треугольник. Лазерный источник выводит два луча, направленных в противоположных направлениях вокруг кольца, до момента достижения ими детектора. Детектор считает частоту биений комбинированной световой волны, которая прямо пропорциональна углу поворота гироскопа.

Два главных источника погрешностей кольцевых лазерных гироскопов — смещение и мертвая зона на малых углах. Смещение является следствием различных коэффициентов преломления пар лучей.

В FOG (Fiber Optic Gyro) путь лазера обеспечивается посредством оптоволокна. Волоконно-оптический гироскоп также использует интерференцию света, для того чтобы обнаруживать механическое вращение. Датчик представляет собой катушку оптоволокна, по которой два луча направляются в противоположные стороны и, согласно эффекту Сагнака, луч, путь которого лежит против вращения, проходит меньшее расстояние, что вызывает интерференцию лучей на детекторе, пропорциональную угловой скорости.

FOG показывают более высокое разрешение и более высокую точность, чем RLG, но и более высокий дрейф, а также чувствительность к поперечной вибрации, ускорению и ударам.

Преимущества оптических гироскопов по сравнению с вращающейся массой состоят в отсутствии инерции, бесконтактности (хотя лазерный луч и оптоволокно характеризуются не бесконечным сроком службы), большей гибкости, большей надежности, а также в меньшем размере и весе.

В настоящее время интенсивно развиваются оптические MEMS, и это касается всех сфер применения, в том числе и гироскопов. Многие компании сфокусировали свои разработки на построении массивов объемных кремниевых микромеханических зеркал и их интеграции с обрабатывающей и управляющей электроникой [1]. Перспективы этих устройств для автоэлектроники значительны, и, по мере коммерциализации технологий, будут обсуждаться в дальнейшем. Кориолисовы вибрационные гироскопы

Принцип работы вибрационных кориоли-совых гироскопов основан на том, что вращающийся вибрационный элемент (вибрационный резонатор) подвержен эффекту Кориолиса, состоящему в том, что вызывается вторичная вибрация, ортогональная оригинальному направлению вибрации. Детектирование параметров вторичной вибрации позволяет определять угловую скорость.

Эффект Кориолиса может быть понятно объяснен при помощи рис. 3 [2]. При вращении вибрирующей плоскости возникает ускорение (или сила) Кориолиса, пропорциональное скорости вращения. Объект, размещенный на вращающейся платформе радиусом r и перемещаемый вместе с платформой с угловой скоростью ю, характеризуется танген-

Рис. 3. Иллюстрация принципов работы вибрационного

кориолисова гироскопа: а — упрощенная физическая модель:

1 — ротор, вращающийся вокруг оси I со скоростью ю;

3 — вибрационная масса, перемещающаяся

со скоростью V; а — ортогональное кориолисово ускорение;

б — пример резонансной структуры с направлением вибрационного движения V, в которой ускорение а и сила Кориолиса детектируются емкостными пальцеобразными электродами:

1 — инерционная масса;

2 — пружины для резонансного перемещения массы;

3 — подвижный фрейм;

4 — пружины для перемещения фрейма;

5 — точки крепления фрейма на подложке;

6 — подложка (опорный фрейм);

7 — емкостные электроды подвижного фрейма для детектирования перемещения массы;

8 — неподвижные емкостные электроды подложки для детектирования перемещения массы

циальной скоростью юг относительно Земли. Объект, приближенный к центру, отличается значительно меньшей тангенциальной скоростью, чем объект, размещенный ближе к краю платформы в результате его перемещения в радиальном направлении. Скорость увеличения тангенциальной скорости, вызванная радиальной скоростью и, представляет собой ускорение Кориолиса.

Если г изменяется вместе со скоростью и, тангенциальное ускорение Кориолиса составит 2юи. При наличии массы объекта М платформа должна прикладывать силу реакцию опоры 2Мюи.

В вибрационных гироскопах вместо подвижного объекта используется резонирующая масса, размещаемая на вращающейся платформе. Для того чтобы измерять ускорение Кориолиса, которое испытывают масса и фрейм и вследствие этого оба перемещаются в сторону на 90° от вибрационного движения, фрейм с резонирующей массой прикрепляется к подложке посредством пружин,

Рис. 2. Иллюстрация принципов работы волоконнооптических гироскопов:

1 — двунаправленный лазерный источник света;

2 — детектор; 3 — двунаправленный (направленный в противоположных направлениях) лазерный луч;

Рис. 4. Принцип работы резонансного камертонного гироскопа:

а — иллюстрация скручивания резонирующего камертона под действием входного вращения и ускорения Кориолиса; б — пример реализации дифференциальной камертонной структуры с управляющими резонансными воздействиями, смещенными друг относительно друга на 180°; в — SEM-изображение первого камертонного гироскопа лаборатории Charles Stark Draper Laboratory

размещенных также ортогонально к резонансному движению. Для измерения ускорения Кориолиса часто используются пальцеобразные конденсаторные обкладки (рис. Зб). Если пружины характеризуются жесткостью K, перемещение относительно фрейма составит 2 rouM/K. При увеличении скорости вращения го увеличивается и перемещение массы, и сигнал формируется на основе соответствующего емкостного изменения.

Гироскоп может находиться в любом положении относительно вращающегося объекта, но его сенсорная ось должна быть тангенциальна направлению вращения.

Микромеханические гироскопы дизайна tuning fork впервые были разработаны Charles Stark Draper Laboratory в 1991-1993 годах (рис. 4),

Tuning Fork Gyroscope — это устройства, в которых две кремниевые массы совершают колебания равной амплитуды, но в противоположном направлении. При вращении сила Кориолиса создает ортогональную вибрацию, которая может измеряться различными средствами, образуя сигнал, пропорциональный смещению от плоскости.

Физическая модель эквивалентна двум зубцам камертона, связанным посредством соединительной балки, которые резонируют с определенной амплитудой. Когда зубцы

вращаются, сила Кориолиса действует как сила, перпендикулярная проекциям зубцов в плоскости камертона, которая обнаруживается как поворот или скручивание (рис. 4а), Данная сила пропорциональна приложенной угловой скорости.

Гироскоп Charles Stark Draper Laboratory использует пальцеобразные емкостные электродные структуры — для того чтобы вводить камертон в резонанс и осуществлять его вращение вокруг любой оси в плоскости ИС (рис. 4в). Помимо емкостного, могут быть использованы также электростатические, электромагнитные, пьезоэлектрические или пьезорезистивные измерительные принципы.

Первый гироскоп Charles Stark Draper Laboratory разрешением 4000°/ч и дрейфом в 1°/ч был разработан именно для автомобильной промышленности и применялся для контроля проскальзывания в АБС. Затем характеристики гироскопов tuning fork были улучшены. В 1994 году было достигнуто разрешение З00°/ч, в 1997 году — 1007ч. Стабильность дрейфа достигла величины 0,17ч. При этом также были значительно снижены шумы и повышен SNR [3],

Технологию Draper’s Tuning Fork в свое время приобрела корпорация Honeywell — для того, чтобы применять ее вместо своих лазерных гироскопов.

В настоящее время дизайн tuning fork — один из наиболее популярных и успешных MEMS-дизайнов, его используют такие ведущие компании, как Analog Devices, Bosch, Melexis, Systron Donner или Matsushita, Гироскопы дизайна Vibrating-Wheel

Гироскоп Vibrating-Wheel включает колесо, которое вибрирует вокруг своей оси симметрии. Вращение в плоскости образует наклон колеса, который определяется, например, емкостными электродами (рис. За).

Этот дизайн позволяет определять две оси вращения с одним вибрирующим колесом. Поверхностный микромеханический поликрем-ниевый гироскоп дизайна vibrating wheel gyro впервые был разработан U.C. Berkeley Sensors and Actuators Center (рис. 5б). В настоящем эта технология используется компанией Bosch.

Гироскопы дизайна Wine Glass Resonator

Гироскопы дизайна Wine Glass Resonator изготавливаются из расплавленного кремнезема и известны также как полусферические резонансные гироскопы hemispherical resonant gyro. Исследователи Мичиганского университета (University of Michigan) разработали различные модификации кольцевого резонирующего гироскопа resonant ring gyros в планарной форме. В гироскопе wine glass gyro резонансное кольцо (resonant ring) вводится в резонанс, и положения узловых точек индицируют угол вращения. В настоящее время аналогичные исследования проводят ученые Калифорнийского университета (University of California), также заинтересованные в приобретении ведущих позиций в области MEMS-гироскопов 4,

Рис. 5. Принцип работы гироскопа vibrating wheel: а — схематический дизайн гироскопа vibrating wheel:

1 — вибрирующее колесо;

2 — вал (элемент модели для осуществления вибрации);

3 — подложка с емкостными электродами

для детектирования подъема или снижения массы ротора под действием силы (ускорения) Кориолиса; б — поликремниевый гироскоп дизайна vibrating wheel gyro, разработанный U. C. Berkeley Sensors and Actuators Center

Технология vibratory ring лежит в основе коммерчески доступных гироскопов Silicon Sensing Systems.

Помимо рассмотренных выше основных типов MEMS-гироскопов разрабатываются и некоторые другие типы устройств, одно из которых описано в [3]. Пьезоэлектрический гироскоп Piezoelectric Plate Gyroscope

Данный тип гироскопов использует в качестве основы плату из материала PZT [3]. Пьезоэлектрический гироскоп функционирует подобно многим другим вибрационным MEMS-гироскопам, причем вибрирующим телом в данном случае служит пьезоэлектрический лист из материала PZT, характеризующийся длиной и шириной, много большей, чем ее высота. Вибрация листа осуществляется в направлении толщины материала, что требует переменного напряжения, прилагаемого поперек пластины. Когда вибрирующая плата вращается вокруг оси, перпендикулярной управляющему напряжению, наводится напряжение в третьем ортогональном направлении, пропорциональное угловой скорости.

Используемый в прошлом для построения макроустройств, достаточно простой по сравнению с гироскопами fork или ring-типов, рассматриваемый дизайн легко реализуем и на микроуровнях. Преимущество перед обычными вибрационными гироскопами состоит в том, что для получения читаемого выхода требуется много меньшее управляющее напря-

Датчик/ параметр Функциональное описание Тип выхода Динамический диапазон, °/с Чувстви- тельность, мВ/°/с, LSB/Ус яц аГ £ «а о и то II Шумовая плотность, °/с/^ц Нелинейность, % Напряжение питания, В Ток потребления, мА Темпера- турный диапазон, °С Корпусирование Произво- дитель

ADXRS150 Датчики угловой скорости на основе технологии iMEMS Аналоговый ±150 12,5 ±10% мВ/°/с 0-2000 0,05 0,1 BGA-32 (7x7x3) мм

ADIS16080 Датчики угловой скорости с цифровым интерфейсом БР1 ±80 10,2 LSB/Ус 0-40 0,05 (0,53 LSB rms/VHz) — LGA-16 (8,2×8,2×5,2) мм

ADIS16250 Программируемый маломощный гироскоп БР1 ±80/±160/ ±320 54,6 LSB/Ус 0-50 0,05 — 4,75-5, 25 18 (0,5 в режиме малого энергопотребления) -40. 85 LGA-20 (11x11x5) мм Analog Devices

ADIS16350 Трехосевой гироскоп & акселерометр БР1 (±80. ±320)°/с (гироскоп); ±10 g (акселерометр) 0,018 Ус/LSB 0-350 0,05 — 48 (0,5 в режиме малого энергопотребления) (22,7×23,2×22,9) мм

SMG040 Датчики Angular Rate Sensor для применений rollover Пропорциональный аналоговый выход ±250 6,72 мВ/°/с 21-33 Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Источник статьи: http://cyberleninka.ru/article/n/avtomobilnye-giroskopy