CC BY
1
The description of a software and mathematical complex is given, which allows at the design stage of a wave solid-state gyroscope (VTG) operating in the "free wave" mode as part of the information and measurement system (IIS) of a civilian unmanned aerial vehicle to investigate the developed electronics unit, which provides, in comparison with previously known solutions, a minimum time to enter the mode, an increased operating time, and also allowing you to analyze the accuracy of calculating the angular position.
Key words: wave solid-state gyroscope, resonator, operating mode, angle sensor, free wave, software and mathematical complex.
Kalikanov Alexey Vladimirovich, junior researcher at the laboratory, [email protected], Russia, Russia, Tula, Tula State University,
Behler Ilya Albertovich, junior researcher at the laboratory, [email protected], Russia, Russia, Tula, Tula State
University
УДК 531.383
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-9-306-307
ВОЛНОВОЙ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ГИРОСКОП ДЛЯ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ОРИЕНТАЦИИ БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
А.В. Каликанов, А. Г. Колесникова
В статье показана типовая структура информационно-измерительной системы ориентации (ИИСО) беспилотного летательного аппарата (БПЛА) в которой измерительным ядром являются волновые твердотельные гироскопы (ВТГ) способные работать как в режиме датчика угла, так и в режиме датчика угловой скорости, режим работы определяется схемой управления. Проведен модальный анализ резонатора, ВТГ, позволяющий определить оптимальную конструкцию для построения ВТГ применяемого в ИИСО БПЛА.
Ключевые слова: волновой твердотельный гироскоп, модальный анализ, резонатор, режим работы, датчик угла, датчик угловой скорости.
Бесплатформенная ИИСО (определения угловых скоростей движения, углов курса, тангажа и крена) является интеллектуальным ядром систем автоматического управления движением БПЛА. Структурно ИИСО БПЛА гражданского назначения можно представить в виде рис. 1.
В таких системах измерительным ядром являются гироскопические и вспомогательные датчики первичной информации (акселерометры, магнитометры, пирометры, барометры, приемники спутниковых навигационных сигналов, датчики воздушной скорости); вычислительное устройство осуществляющие обработку сигналов и реализацию алгоритмов ориентации; исполнительными элементами являются электромеханические двигатели/ рулевые машинки (рулевые органы управления БПЛА).
Большое разнообразие существующих типов и видов гражданских БПЛА определяется большим количеством выполняемых целевых задач, предъявляемыми требованиями по массогабаритным характеристикам, времени работы и условиям полета. Это накладывает специальные требования к гироскопическим датчикам, используемым в составе ИИСО БПЛА. Наиболее перспективных приборов по совокупности характеристик - точности параметров, размеру конструкции, себестоимости производства, являются волновые твердотельные гироскопы (ВТГ) с низкодобротным объемным резонатором изготовленные из элинварных металлических сплавов [1 - 4]. Принцип действия, ВТГ основан на эффекте инерции стоячих волн, возбуждаемых в металлическом резонаторе, открытом еще в конце XIX века английским математиком и механиком Дж. Х. Брайаном. При возбуждении стоячей волны в тонкостенной оболочке, точки ее кромки будут иметь радиальные колебания на второй форме. Точки с максимальной амплитудой радиальных колебаний называются пучностями (antinode), а с минимальной - узлами (node). Конструктивно ВТГ состоит из резонатора и блока электроники, определяющего режим работы (ВТГ-ДУС - датчик угловой скорости или ВТГ-ИГ - интегрирующий гироскоп). На рис. 2 показан прототип резонатора, взятый за основу для бедующей конструкции ВТГ для ИИСО БПЛА.
Резонатор является основным элементом в конструкции ВТГ. Его характеристики (и их стабильность) в конечном счете определяют параметры гироскопического датчика [5]. Поэтому на этапе проектирования ВТГ для ИИСО БПЛА необходимо определить оптимальные геометрические размеры резонатора и материал, из которого он изготовлен. Размеры и материал обеспечивают требуемые основные характеристики: т - постоянная времени затухания; Q - добротность; f - рабочая (резонансная) частота. Проведенный анализ научно технической литературы и
патентов показал, что ВТГ с низкодобротным объемным резонатором имеют типовую конструкцию в виде стакана с утолщенной верхней частью либо в форме усеченного конуса с цилиндрической внутренней частью, следующие отличие заключается в способе закрепления резонатора на основании [6-8].
В качестве исходных параметров для расчета сформируем предъявляемые требования к резонатору ВТГ для ИИСО БПЛА, представленные в таблице 1.
Органы управления БПЛА Иэмераггельаое ядро Вычислительно« устройство
Гм роскопические датч ики
Вспомогательные датчит
Рис. 1. Типовая структура ИИСО БПЛА гражданского назначения
П2
/77
Ай
Рис. 2. Прототип резонатора ВТГ для ИИСО БПЛА
Параметры, предъявляемые
к конструкции резонатора ВТГ
Таблица 1
Параметр
Значение
Рабочая частота, Гц
5000< f<8000
Разница между рабочей частотой и ближайшими гар-_мониками, Гц_
Дf >1000 Гц
Добротность
О ^ тах
Вторая мода, Гц
f > 2000
Определение оптимальной конфигурации резонатора ВТГ осуществляется методом конечно элементного анализа. Геометрические размеры зададим в следующем диапазоне согласно таблице 2.
Таблица 2
Геометрические размеры резонатора ВТГ_
Параметр Диапазон значений, мм
АБ 0.4...1
Б2 20...17
Н1/Н2 0.2.0.6
Н2 18.10
И 0.4.0.8
В качестве материала резонатора будем использовать элинварный металлический сплав 21НКМТ-ВИ параметры которого приведены в таблице 3 [2].
Таблица 3
Параметры сплава 21НКМТ-ВИ
Параметр
Значение
Временное сопротивление ()
Плотность Р, кг/м3
7850
Коэффициент внутреннего трения Ц
0,3
Модуль Юнга Е, Па
1,86 -101
Твердость (ЖС)
40^45
Коэффициент затухания (в)
0 79
ВТГ [2].
На рис. 3 приведены основные формы резонатора, которые могут существовать в данной конструкции
п = 0
п = 1
п = 2
п = 3 п = 4
Рис. 3. Собственные формы колебаний резонатора (деформации кромки резонатора преувеличены)
б
!Х|0'
Форма п=2 Форма Форма п=0
___
16 13
5X10*
/.X у
а х ■ <>-!
4x10*
¿хит5
ах ю*
——- Форма о=2 — — — ■ Форма п=0 .
¿Ш, мм
Н2/Ш.1Ш
—- фор п=-■ * • фсрна п=1 - ~ Форма п=0
1-'■>'
0.« (17
Рис. 4. Зависимость частоты некоторых форм колебаний от: а - диаметра Б1; б - высоты Н2; в - толщины верхнего ободка АО; г - соотношения размера Н2/Н1; д - толщины донышка А
308
а
в
г
г)
Нулевая форма (n = 0) соответствует колебаниям растяжения-сжатия, она не учитывается при исследовании ВТГ, поскольку деформации растяжения резонатора малы по сравнению с деформациями изгиба. Первая форма (n = 1) соответствует перемещению резонатора как твердого тела, её необходимо учитывать при решении уравнений движения ВТГ, так как эта форма оказывает влияние на устойчивость резонатора к вибрациям со стороны подвижного объекта. Вторая форма (n = 2) используется в качестве рабочей. Наличие третьей формы (n = 3) может свидетельствовать о неточном закреплении резонатора относительно основания. Четвертая форма (n =4) является следствием разночастотности резонатора [5]. В результате проведенного конечно элементного анализа получены следующие зависимости рабочей частоты от некоторых геометрических параметров резонатора приведенные на рис. 4-6. Полученные зависимости упрощают процесс проектирования конструкции резонатора ВТГ для ИИСО БПЛА. На основании данных зависимостей вид, что в наибольшей степени влияние на рабочую частоту соответствующую форме колебаний (n=2) резонатора оказывает изменение диаметра D1, толщины верхнего обода AD и соотношения размера H2/H1 резонатора. Наибольшее влияние на форму колебаний (n=1) обусловленной деформацией донышка резонатора, и, от которой зависит вибрационная стойкость ВТГ оказывает толщина донышка резонатора.
На основании полученных зависимостей и требований таблицы 1 было определено оптимальное соотношение конструкции резонатора ВТГ для ИИСО БПЛА таблица 4. Для данных геометрических размеров, рабочая частота резонатора составила 6000 Гц, частота деформации донышка 4400 Гц, частота колебаний растяжения сжатия 1800 Гц.
Таблица 4
Геометрические размеры спроектированного резонатора ВТГ для ИИСО БПЛА_
Параметр Диапазон значений, мм
AD 0,6
D2 17
H1/ H2 0.6
H2 15
h 0.4
= eßT = ß = - (3)
ß(i-x) е Р
Следует отметить, что полученный размер диаметра Б1 минимально допустимый для данной конструкции, дальнейшее уменьшение усложняет конструкцию в частности размещение пьезоэлементов. Как было отмечено ранее, для работы ВТГ в составе ИИСО БПЛА не зависимо от режима ВТГ-ДУС или ВТГ- ИГ важным является получение максимальной добротности. Для определения механической добротности Q запишем уравнение затухающих колебаний:
X = Ае—в' соз(ю? + ф0) (1)
где Ае в' - амплитуда затухающих колебаний; ф0 - начальная фаза; щ = ^ю02 — в 2 - частота затухающих колебаний; ш0 - частота собственных колебаний; р - коэффициент затухания.
При малых затуханиях, такие колебания можно рассматривать как гармонические, амплитуда которых изменяется по экспоненциальному закону:
А=Ае ^ (2)
где А - начальная амплитуда.
Выразим колебание в течении некоторого времени т, за которое амплитуда уменьшиться в е раз, через декремент затухания (отношение двух последующих амплитуд):
А(^) = Аре—= еРт = . = 1
А($+т) Ае—((—т) т
Таким образом коэффициент затухания обратно пропорционален времени, в течении которого амплитуда уменьшается в е раз. Добротность О связана с коэффициентом затухания в и частотой f, она характеризует степень рассеяния энергии за период колебаний:
О = ^ (4)
в
В соответствии с формулой для спроектированного резонатора получим добротности О « 24000.
Заключение. Проведённый модальный анализ резонатора, ВТГ, позволил определить оптимальную конструкцию для построения ВТГ применяемого в ИИСО БПЛА. Полученное значение добротности достаточно для реализации ВТГ-ДУС для работы в ИИСО БПЛА. Для реализации режима ВТГ-ИГ необходимо использовать схемотехнический способ повышения добротности [10].
Работа выполнена в рамках гранта ректора Тульского государственного университета для поддержки молодых ученых ПУ/23/ГРР от 01.03.2023.
Список литературы
1. Распопов, В. Я. Волновые твердотельные гироскопы российской разработки для бортовых систем летательных аппаратов / В. Я. Распопов, В. В. Лихошерст, А. В. Каликанов // Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. - 2021. - № 4. - С. 148-153.
2. Переляев С.Е. Обзор и анализ направлений создания бесплатформенных инерциальных навигационных систем на волновых твердотельных гироскопах // Новости навигации. 2018. № 2. С. 21-27.
309
3. Переляев С.Е. Современное состояние и научно-технический прогноз перспектив применения зарубежных волновых твердотельных гироскопов (Аналитический обзор по зарубежным материалам) // Новости навигации. 2020. № 3. С. 14-28.
4. Мейер Д., Розелле Д. Инерциальная навигационная система на основе миниатюрного волнового твердотельного гироскопа // Гироскопия и навигация. 2012. № 3. С. 45-54.
5. Распопов В.Я., Волчихин И.А., Волчихин А.И., Ладонкин А.В., Лихошерст В.В., Матвеев В.В. Волновой твердотельный гироскоп с металлическим резонатором/Под ред. В.Я. Распопова. Тула: Издательство ТулГУ, 2018. - 189 с.
6. Лунин Б.С., Матвеев В.А., Басараб М.А. Волновой твердотельный гироскоп. Теория и технология. М.: Радиотехника, 2014. 176 с
7. Wu, X.; Xi, X.; Wu, Y.; Xiao, D. Cylindrical Vibratory Gyroscope; Springer Tracts in Mechanical Engineering (STME); Springer: Berlin / Heidelberg, Germany, 2021, 202 p.,
8. D. Senkal, M. J. Ahamed, M. H. A. Ardakani, S. Askari and A. M. Shkel, "Demonstration of 1 Million $Q$ -Factor on Microglassblown Wineglass Resonators With Out-of-Plane Electrostatic Transduction," in Journal of Microelec-tromechanical Systems, vol. 24, no. 1, pp. 29-37, Feb. 2015.
9.Патент № 2785956 C1 Российская Федерация, МПК G01C 19/5691. Волновой твердотельный гироскоп с металлическим резонатором: № 2021125908: заявл. 01.09.2021: опубл. 15.12.2022 / Р. В. Алалуев, Ю. В. Ведешкин, Д. А. Вяткин [и др.]; заявитель Акционерное общество "Мичуринский завод "Прогресс".
10. Патент № 2787809 C1 Российская Федерация, МПК G01C 19/5691. Датчик угла крена на базе волнового твердотельного гироскопа с металлическим резонатором: № 2022116481 : заявл. 17.06.2022: опубл. 12.01.2023 / В. Я. Распопов, В. В. Матвеев, В. В. Лихошерст [и др.]; заявитель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тульский государственный университет".
Каликанов Алексей Владимирович, младший научный сотрудник лаборатории, [email protected], Россия, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Колесникова Александра Геннадьевна, лаборант-исследователь лаборатории, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
WAVE SOLID-STATE GYROSCOPE FOR INFORMATION MEASURING SYSTEM OF ORIENTATION OF AN
UNMANNED AERIAL VEHICLE
A.V. Kalikanov, A. G. Kolesnikova
The article shows a typical structure of the information and measurement orientation system (IIS) of an unmanned aerial vehicle (UAV) in which the measuring core is wave solid-state gyroscopes (WSSG) capable of operating both in the angle sensor mode and in the angular velocity sensor mode, the operating mode is determined by the control scheme. A modal analysis of the resonator, WSSG, was carried out, which allows to determine the optimal design for the construction of the WSSG used in the IIS UAV.
Key words: wave solid-state gyroscope, modal analysis, resonator, operating mode, angle sensor, angular velocity sensor.
Kalikanov Alexey Vladimirovich, junior researche, laboratory, [email protected], Russia, Russia, Tula, Tula State University,
Kolesnikova Alexandra Gennadievna, laboratory researcher, [email protected], Russia, Tula, Tula State
University
УДК 631.312.6
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-9-310-311
ОБОСНОВАНИЕ НЕКОТОРЫХ ПАРАМЕТРОВ МТА ДЛЯ ГЛУБОКОГО ОБЪЁМНОГО РЫХЛЕНИЯ ПОЧВЫ
С.Н. Орловский, А.И. Карнаухов, А.А. Ореховская, Р.Р. Загидуллин
Одним из критериев для расстановки рабочих органов на раме глубокорыхлителя является обеспечение минимального тягового сопротивления при допустимых агротехнических показателях работы орудия. Исходя из названного критерия обосновано положение боковых стоек глубокорыхлителя РД-0,5 и РОД-0,5 относительно центральной в продольной плоскости орудия которое для реальных условий эксплуатации составляет 0,97 м.
Ключевые слова: почвы, плотность, рыхление, расчёт, силы, стойки, грунты.
Процесс внедрения высокоэффективной техники н перспективных технологий возделывания сельскохозяйственных культур сопровождается, как правило, интенсивным разрушением структуры и чрезмерным уплотнением почвы на глубину до 60-70 см из-за частых проходов сельскохозяйственной техники и транспортных агрегатов, образованием «плужной подошвы» под воздействием рабочих органов почвообрабатывающих машин. Это приводит к снижению плодородия почв вследствие ухудшения их агрофизических свойств, нарушения водно-воздушного и питательного режимов развития растений. Поэтому проблема разуплотнения почв с минимальными энергетическими и материальными затратами приобретает все большую актуальность, требуя своего дальнейшего разрешения.
310
