автомат управления дальностью.
Чувствительными элементами автомата угловой стабилизации являлись гироскопические приборы - гирогоризонт и гировертикант; системы нормальной и боковой стабилизации и автомата управления дальностью - одностепенные физические маятники; системы регулирования кажущейся скорости - гироскопические интеграторы продольных ускорений. Система радиоуправления работала в конце активного участка траектории и управляла дальностью полета ракеты Р-7, а также определяла координаты точки падения головной части.
Комплекс с ракетой Р-12 был принят на вооружение в 1959 г., комплекс с ракетой Р-14 - в 1961 г. На ракете применялась система регулирования кажущейся скорости (РКС), позволявшая в определенных пределах изменять тягу двигателя в целях обеспечения более точного соответствия продольного движения ракеты на АУТ требуемому. В конце активного участка полета двигатель переходил на режим дросселирования. Система управления полетом - автономная инерциальная. Масса приборов системы управления 430 кг (все еще достаточно большая). Приборы размещались в межбаковом отсеке. Задачами системы управления являлись:
стабилизация ракеты относительно центра масс;
стабилизация центра масс относительно расчетной траектории в боковом направлении и по нормали к траектории в плоскости полета;
регулирование скорости движения ракеты на АУТ путем изменения тяги двигателя.
Система управления включала также систему аварийного подрыва ракеты. Особенностью системы управления было использование для уменьшения ошибок определения скорости ракеты нескольких электролитических интеграторов ускорений.
Вновь создаваемой МБР был присвоен индекс Р-16 Система управления полетом ракеты автономная, инерциальная. Общая масса приборов системы управления 440 кг, из них 152 кг - масса приборов, размещенных на первой ступени, и 288 кг - на второй. Система управления состояла из автоматов угловой стабилизации, стабилизации центра масс, системы регулирования кажущейся скорости, автомата управления дальностью, систем одновременного опорожнения баков (только на второй ступени), программированных импульсов, а также источников питания и токораспределительных устройств. Так же как на ракете Р-14, в приборном отсеке была установлена гиростабилизированная платформа. Пуск ракеты Р-16 осуществлялся автоматически.
В те годы, когда в КБ М.К.Янгеля создавалась МБР на высококипящем топливе Р-16, в ОКБ-1 под руководством С.П.Королева велась работа над ракетой Р-9А. На ракете Р-9А применялась комбинированная (инерциальная и радиокоррекция) система управления, аналогичная системе управления ракеты Р-7. Инерциальная система управления обеспечивала полет ракеты с момента пуска до отделения головной части. В инерциальной системе управления применялись приборы с форсированным разгоном гироскопов, система управления позволяла обеспечивать дистанционный контроль параметров ракеты. Система радиокоррекции предназначалась для управления полетом ракеты по направлению в течение последних секунд полета на активном участке траектории и для выработки предварительной и главной команд на выключение двигательной установки второй ступени при достижении ракетой параметров, обеспечивающих полет головной части на заданную дальность.
Основными недостатками комплексов с ракетами Р-16 и Р-9А были низкая боевая готовность, сложность эксплуатации и недостаточная живучесть в условиях возможного ядерного нападения. На их устранение были направлены усилия разработчиков нового поколения МБР Советского Союза - МБР Р-36, УР- 100 (РС-10) и РС-12. В 1963 году было принято решение о разработке ракетного комплекса с "легкой" ампулизированной ракетой УР-100. Использование автономной инерциальной системы управления с расширенными возможностями по переприцеливанию ракеты, что улучшало оперативную управляемость ракетным комплексом, а также уменьшенным временем проведения предстартовых операций при подготовке и проведении пуска ракеты.
На МБР УР-100 использовалась автономная инерциальная система управления, по структуре и приборному составу почти не отличавшаяся от системы управления МБР УР-100. Она обеспечивала устойчивое движение ракеты на активном участке полета по заданной траектории, разделение ступеней, включение и выключение двигателей, отделение головной части в момент выброса ложных целей, разворот и увод с траектории полета корпуса второй ступени.
Вместе с тем, система управления ракеты РС-10 обладала качественно новыми свойствами, влияющими на боевую эффективность как ракеты, так и ракетного комплекса в целом. В отличие от системы управления УР-100 она позволяла: существенно сократить время технической готовности ракеты к пуску за счет форсированного разгона гироблоков гиростабилизированной платформы; дистанционно выбрать с командного пункта полетное задание для стрельбы по заранее намеченной цели и ввести данные в бортовую аппаратуру СУ.
Кроме того, применение новой конструкции гиростабилизированной платформы (гироблоков) позволило отказаться от системы термостатирования, что упрощало эксплуатацию ракеты, а использование усовершенствованных чувствительных элементов улучшало точность стрельбы.
Ракета РТ-20 не числится и никогда не числилась среди образцов, принятых на вооружение. Система управления ракетой - автономная инерциальная, общая масса приборов 250 кг. Характеристики по времени приведения гироприборов в рабочий режим были резко повышены по сравнению с образцами, существовавшими ранее. Точность работы СУ была улучшена за счет применения новых высокоточных гироблоков и гироинтеграторов на воздушном подвесе и разработки рациональной конструкции ГСП на базе использования новых конструкционных материалов (в частности, бериллий). Предусматривался дистанционный ввод полетного задания в систему управления.
Решение задачи Коши уравнений движения небесных тел является неустойчивым по Ляпунову, поэтому создание работоспособных алгоритмов обработки информации в системах инерциальной навигации потребовало больших усилий от целых научных коллективов математиков и механиков [5]. Известны многочисленные и очень остроумные технические решения, предложенные при разработке систем инерциальной навигации. Так, были созданы бесплатформенные инерциальные навигационные Системы (БИНС), в которых гиростабилизированная платформа моделируется виртуально внутри компьютера, а гироскопы и акселерометры устанавливаются непосредственно на борту движущегося объекта.
Системы управления второго поколения используют информацию от бесплатформенной инерциальной навигационной системы (БИНС). Управление на принципах корректируемой БИНС строится таким образом, что инерциальными средствами моделируется и определяется требуемое положение ориентации или траектория движения. Датчики ориентации или относительного движения используются для корректирования моделируемого средствами БИНС движения. Само управление строится на основе информации по углам, угловым скоростям, линейным и скоростным координатам, получаемым инерциальными средствами. Это позволяет получить существенно более высокое качество управления, определяемое в том числе и высоким качеством инерциальной информации (высокое разрешение, низкий уровень шумов, временных запаздываний и т.п.).
Использование бесплатформенных ИНС для управления дает ряд дополнительных преимуществ. В первую очередь это позволяет минимизировать приборный состав и, соответственно вес и потребление системы: в ее составе необходимы только инерциальные датчики БИНС (датчики угловой скорости и акселерометры) и датчики первичной информации (ориентации, относительного движения). Требования к датчикам первичной информации могут быть существенно упрощены за счет появляющихся алгоритмических возможностей системы (например, для аппаратуры относительного движения - не нужно измерять угловую скорость линии визирования, можно сократить количество датчиков ориентации, отказаться от свободных гироскопов и т.п.). Резервирование аппаратуры БИНС может быть выполнено существенно более экономным образом: от минимальной схемы резервирования (четыре измерительных канала относительно исходных трех) до схемы из шести измерительных каналов, обладающей способностью сохранять работоспособность до трех произвольных отказов. Уникальные возможности предоставляет концепция БИНС наряду с программным обеспечением бортовой ЦВМ для развитой автономной диагностики работоспособности аппаратуры системы управления и встроенной диагностики выполняемых системой режимов управления, основанной на сравнении модельного движения с реальным. Отсутствие ограничений на пространственные эволюции, наличие информации при любом положенииБПЛА наряду с возможностями, предоставляемыми ЦВМ создали основу для построения системы с применением современных методов управления, включая методы оптимального управления, фильтрации первичной информации для повышения точности, построения режимов, адаптивных к отказам, достижения существенно более высокой надежности и экономичности режимов.
В начале работ по этой программе все эти особенности и свойства системы управления еще не были отчетливо ясны, они сложились постепенно в процессе разработки. Сама идея БИНС в то время уже была известна, однако не было стройной теории кинематических преобразований в минимальной системе кинематических параметров Родрига-Гамильтона, численных методов реализации задач БИНС, равно как и построения задач управления с применением кватернионов, задач корректирования модельных базисов БИНС по информации от датчиков ориентации, задач сближения и стыковки.
На настоящее время БИНС получили широкое распространение как основа для систем управления самыми различными движущимися объектами, Этому в немалой степени способствовал прогресс в области создания инерциальных чувствительных элементов на новых принципах, прогресс в области микроэлектроники и вычислительной техники. Необходимость создания высокоточных алгоритмов БИНС, обеспечивающих численное решение навигационных уравнений, являющихся в свою очередь моделью уравнений движения, привели к построению специальных разделов теоретической механики.
4. РАЗРАБОТКА НОВЫХ ТИПОВ ГИРОСКОПИЧЕСКИХ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
беспилотный летательный гироскопический инерциальный
Разработки первых образцов БИНС относятся к концу 60-х - началу 70-х годов. Этому способствовало появление и совершенствование новых типов гироскопических чувствительных элементов - гироскопов с неконтактным подвесом, динамически настраиваемых гироскопов (ДНГ), лазерных гироскопов (ЛГ), волоконно-оптических гироскопов (ВОГ), волновых твердотельных гироскопов (ВТГ), малогабаритных акселерометров, а также бурное развитие средств вычислительной техники.
Почти все существующие серийные БЛА имеют вес более 15 килограммов и размеры по некоторым измерениям порядка 2 метров. Это существенно ограничивает круг их применения и увеличивает стоимость, поэтому основной тенденцией развития БЛА в России и в других странах на сегодняшний день является уменьшение стартовой массы и размеров БЛА, при сохранении большой дальности и длительности полета. Данная концепция развития выдвигает определенные требования, связанные с миниатюризацией бортовой электроники и электроники входящей в состав полезного груза, а также требования к использованию передовых технологий расчета и изготовления конструкции ЛА. В связи с этим данный класс БЛА начал формироваться совсем недавно. Несколько таких ЛА разработано американскими конструкторскими организациями, причем они применялись в военной операции против Ирака. Аналогичные работы ведутся также в Израиле, Франции и России.
На сегодняшний день патенты на различные технические решения в области разработок микромеханических чувствительных элементов БИНС получены рядом ведущих зарубежных фирм [17]. Среди них фирмы США:
ведущие аэрокосмические и электронные корпорации (Hughes Electronics Corporation, Boeing North American, Rockwell International Corporation, Northrop Grumman Corporation, Litton Systems, Motorola, Analog Devices);
фирмы, специализирующиеся на навигационном и микромеханическом направлениях (Microsensors, Magellan Dis, Irvine Sensors, Milli Sensor Systems and Actuators, AlliedSignal, SatCon Technology, Kearfott Guidance & Navigation, Integrated Micro Instruments);
университетские лаборатории (CalTech, University of California) или их представляющие подразделения и сотрудники.
В Японии:
ведущие электронные и промышленные корпорации (Akai Electric. Fujitsu, NEC, Denso, Nippon Soken, Toyota, Sumitomo Electric Industries, Matsushita Electric Industrial);
фирмы, специализирующиеся на навигационном и микромеханическом направлениях (Murata Manufacturing, Tokimec, NGK Insulators).
В Великобритании: ведущие аэрокосмические и электронные корпорации (British Aerospace, Smiths Industries, Smiths Industries).
Среди производителей Южной Кореи: ведущая электронная корпорация Samsung Electronics и государственный институт Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST). Среди предприятий Германии: ведущие электронные и промышленные корпорации -Robert Bosch, Siemens. Фирмы Франции представлены корпорацией SAGEM.
С определенным отставанием разработки осуществляются и в России. Начиная с 2001 г. в России были открыты свыше 100 НИОКР в области исследований и разработке MEMS.
Разработки БИНС в России проводятся Раменским проектно-конструкторским бюро (РПКБ), НИИ прикладной механики (НИИПМ) им. акад. В.И. Кузнецова, Московским институтом электроавтоматики (МИЭА), АО "Гранит-16", ЦНИИ "Электроприбор", НИИ "Полюс", НИИ "Астрофизика", Пермской научно производственной приборостроительной компанией (ПНППК), ЗАО "ГИРООПТИКА" и др [17].
Среди зарубежных акселерометров наибольший интерес представляют свободно продающиеся за рубеж монокристаллические кремниевые акселерометры ADXL05, ADXL150 и ADXL250 фирмы Analog Devices (США). Эти акселерометры по точности относятся к категории (10-3, 10-4) g. Размеры акселерометра ADXL05 в бескорпусном исполнении 0.7x5 мм, стоимость около 16$ США.
К малогабаритным датчикам угловой скорости, которые могут быть применены в качестве датчиков первичной информации в перспективных навигационных системах, относятся динамически настраиваемые гироскопы, волоконно-оптические гироскопы и волновые твердотельные гироскопы, а также микромеханические гироскопы. Разработкой и производством ДНГ в России занимаются РПКБ, НИИ ПМ им. акад. В.И. Кузнецова, ОАО АНПП "Темп-Авиа". ЦНИИ "Дельфин", Пермское приборостроительное объединение и др. РПКБ приступило к разработке гироскопов на упругом подвесе с динамической настройкой в середине шестидесятых годов. В начале семидесятых были разработаны первые отечественные гироскопы ГВК-3, ГВК-3-1, ГВК-3-2. Это были гироскопы первого поколения с одной карданной рамкой в подвесе ротора. Дальнейшие исследования РПКБ привели к разработке гироскопа ГВК-6 - гироскопа второго поколения. Это гироскоп с двумя кардановыми рамками, что устраняет чувствительность к внешним воздействиям с двойной угловой частотой вибрации по отношению к частоте вращения вала гироскопа. В 1985 году был разработан и с 1988 года выпускается серийно датчик угловой скорости ДУС-ДНГ ГВК-10 со случайным дрейфом 0,2 град/ч и максимальной угловой скоростью измерения 128 град/с. Масса этого прибора составляет 460 г. С 1993 года выпускается прибор МГ-4 - малогабаритный гиротахометр (масса 220 г, габариты 042x47 мм), имеющий случайный дрейф 0,2 град/ч. На его базе разработаны приборы ГВК-16 и ГВК-16-1 - малогабаритные датчики угловой скорости со встроенной электроникой. В настоящее время РПКБ ведется разработка мультисенсорных датчиков ДМС-2 и ДМС-2А для одновременного измерения угловой скорости и линейного ускорения по одной оси [17].
Датчики состоят из пары кремниевых компенсационных электростатических акселерометров, каждый из которых установлен на двух пьезоэлектрических пластинчатых вибраторах. Принцип действия датчиков основан на измерении ускорения Кориолиса, возникающего при вибрации корпусов акселерометров и действии входной угловой скорости. Диапазон измерения угловых скоростей мультисенсорного датчика до 500 град/с, линейных ускорений - до 25 g. Случайная составляющая дрейфа нулевого сигнала по угловой скорости составляет 5 град/ч, нестабильность масштабного коэффициента порядка 1 % при полосе пропускания до 50 Гц. Дрейф нулевого сигнала по ускорению составляет 0,5-10-4g, нестабильность масштабного коэффициента 0,1 % при полосе пропускания до 100 Гц. Габариты ДМС-2 составляют соответственно: 46x46x14 мм, ДМС-2А: 55x40x12 мм.
Большая часть существующих разработок ДНГ (МГ-4, ГВК-16, ГВК-16-1, КИНД 05-49 и др.) базируется на конструктивной схеме с двойным виброкардановым подвесом ротора. В связи со сложной технологией производства таких приборов их стоимость как в России, так и за рубежом весьма высока, а возможности уменьшения массо-габаритных характеристик можно считать практически исчерпанными. С этой точки зрения преимуществами обладает конструктивная схема с ротором, непосредственно подвешенным к валу приводного двигателя. Примером практической реализации этой схемы является малогабаритный роторный вибрационный гиротахометр РВГ-1 (ОАО АНПП "Темп-Авиа" и ЗАО "ГИРООПТИКА") [17]. Технические характеристики этого прибора приведены в таблице 6.2. Имея в виду, что подобные конструктивные схемы допускают применение планарных технологий, они обладают определенным резервом снижения габаритов и стоимости. При изготовлении самого деликатного узла - ротора на упругом подвесе с датчиком угла и датчиком момента, возможно применение неметаллических материалов (кварца, кремния) и технологических процессов, хорошо освоенных в электронной промышленности (травление, напыление и др.). Учитывая высокую степень автоматизации этих процессов, а также возможность интеграции при этом механической и электронной частей прибора, можно прогнозировать уменьшение его стоимости и габаритов.
Из зарубежных ДНГ наиболее совершенным является гироскоп G2000, разрабо-танный фирмой Litton (США). Погрешность гироскопа находится на уровне 0,1 град/ч, габариты 019x25 мм, масса 25 г. Электроника, обеспечивающая работу гироскопа, размещена на отдельной электронной плате размером 76x102x25 мм. Следует отметить, что на поставку гироскопов фирмы Litton в зарубежные страны существует ряд ограничений, так как они являются изделиями двойного применения.
Вибрационные возмущения, обусловленные дефектами шарикоподшипников вала - одни из основных причин погрешностей ДНГ. Поэтому не случайно, что усилия разработчиков ДНГ направлены на поиски методов уменьшения собственной вибрации гироскопа, вызванных вибрационными возмущениями шарикоподшипников вала, спектр которых является всюду плотным множеством на полуоси частот. Уменьшение собственной вибрации гироскопа может быть достигнуто усовершенствованием шарикоподшипниковых опор, применением шарикоподшипников с детерминированным спектром вибрации, состоящим из частот кратных частоте вращения кольца шарикоподшипника, частоте вращения сепаратора и комбинационных частот. Более радикальный путь состоит в применении новых конструктивных схем высокоскоростных опор на базе подшипников скольжения. В последнее время работа в этом направлении проводится ЦНИИ "Дельфин". Разработана опора скольжения (ОПС-1) и экспериментальный образец ДНГ с подшипниками скольжения в опорах вала, созданный на базе прибора ГБ-23/3. Предварительные результаты испытаний подтверждают повышение технических характеристик прибора, но, как указывают разработчики, требуются дальнейшие исследования в этом направлении.
Твердотельные волновые гироскопы разрабатываются Раменским приборо-строительным конструкторским бюро с 1983 года. К настоящему времени разработаны две модификации прибора с полусферическими резонаторами ТВГ-2 с диаметром резонатора 70 мм и ТВГ-3 с диаметром резонатора 50 мм. Разработка приборов ведется как законченных устройств со встроенной электроникой. ТВГ-3 - твердотельный волновой гироскоп, предназначен для работы в БИНС в качестве интегрирующего датчика угловой скорости. Технические характеристики этого прибора приведены в таблице 6.2 [17].
В Московском институте электромеханики и автоматики изготовлен и проходит испытания ВТГ с диаметром резонатора 20 мм и размерами чувствительного элемента: 030 мм, длина 63 мм. Предполагаемая погрешность гироскопа 0,5-1 град/ч.
НПО "Медикон" в сотрудничестве с фирмой Del со Systems Operations (США) осуществляет проект по разработке кварцевого полусферического резонатора 030 мм для
ВТГ. Ранее разработки НПО "Медикон" и фирмы Del со Systems Operations основывались на использовании резонаторов большего диаметра 60 мм и 58 мм соответственно. Уменьшая размеры резонатора разработчики предполагают существенно снизить вес и размеры ВТГ. При уменьшении диаметра резонатора вдвое предполагается улучшить массогабаритные характеристики в 3-5 раз. Показатели точности и надежности при этом могут быть сохранены на прежнем уровне. Наиболее дорогостоящей и сложной в технологическом отношении частью ВТГ является резонатор. К нему предъявляются высокие требования и для его изготовления необходима прецизионная технология. Снижение стоимости резонатора является основной проблемой при решении вопроса о снижении стоимости механического блока ТВГ. Резерв снижения стоимости кроется в изготовлении резонаторов без балансировочных зубцов. Беззубцовый резонатор оказывается технологичнее и дешевле в производстве. Разработка малогабаритного и достаточно дешевого в производстве резонатора, позволяющего расширить область применения ВТГ, осуществляется НПО "Медикон". Вместе с тем, оценивая перспективы развития и применения ТВГ, следует отметить, что вряд ли можно ожидать появления достаточно дешевых приборов широкого применения, построенных на их базе.
Как уже отмечалось, ключевые проблемы современного гироскопического приборостроения связаны с разработкой инерциальных чувствительных элементов, обладающих малыми массой и габаритами, низкими себестоимостью и энергопотреблением и достаточно высокой надежностью. Этим требованиям в значительной степени удовлетворяют микромеханические гироскопы и акселерометры, производство которых осуществляется с использованием технологий, развитых в последние десятилетия в твердотельной микроэлектронике. Электромеханические узлы приборов этих типов формируются из неметаллических материалов (монокристаллический кремний, плавленый кварц, карбид кремния и др.) методами фотолитографии и изотропного или анизотропного травления вместе с элементами электроники возбуждения, датчиками съема и преобразования полезного сигнала, элементами формирования обратных связей. Патенты на различные технические решения в области разработок микромеханических чувствительных элементов получены рядом ведущих зарубежных фирм (Draper Laboratory, Rockwell International, Systron Donner, Analog Devices, Sagem, Murata и др.).
Лаборатория Ч. Дрейпера занимается разработкой кремниевых микромеханических гироскопов и акселерометров с начала восьмидесятых годов. Современные ММГ Лаборатории показывают стабильность систематического дрейфа на уровне 0,5 град/с в диапазоне температур -40 °С + +85 °С без термостабилизации и стабильность систематического дрейфа при термостабилизации на уровне 1 град/ч. Приведенные показатели точности достигнуты в конструкциях ММГ, основанных на использовании схемы, содержащей две чувствительные массы в упругом подвесе. Чувствительные массы с помощью электростатических виброприводов приведены в колебательные движения в противофазах. Принцип действия прибора основан на измерении амплитуд угловых колебаний рамки или поступательных колебаний чувствительных масс, вызываемых кориолисовыми силами инерции. При вращении основания относительно оси чувствительности прибора возникают противоположно направленные кориолисовы силы инерции чувствительных масс, модули которых пропорциональны измеряемой угловой скорости. В зависимости от принятой конструктивной схемы упругого подвеса кориолисовы силы инерции вызывают поступательные колебания чувствительных масс или угловые колебания рамки, амплитуды которых пропорциональны измеряемой угловой скорости. Необходимую величину амплитуды вынужденных колебаний чувствительных масс и приемлемую точность измерения параметров колебаний, вызываемых кориолисовыми силами инерции, можно обеспечить лишь при низком уровне шумов, порождаемых электронными элементами и диссипацией энергии в упругих элементах осциллятора. Эта задача решается путем использования монокристаллического кремния и микроэлектронных технологий его обработки, что позволяет обеспечить добротность осциллятора на уровне 5-10 .В конструкции ММГ применяется динамическая настройка и обеспечивается поддержание строгого совпадения частоты возбуждения с собственной частотой чувствительных масс на упругом подвесе. Требуемая полоса пропускания прибора достигается применением системы обратной связи [17].
Фирма Systran Donner (США) серийно выпускает микромеханические датчики угловой скорости QRS11. Масса этого прибора составляет 60 г, габариты 042x16 мм. Смещение нуля гироскопа QRS11 составляет менее 10 град/ч, нестабильность в запуске не превышает 10" град/ч. Гироскоп QRS11 применяется в серийно выпускаемом корпорацией Rockwell International совместно с фирмой Systran Donner инерциальном измерительном модуле Motion Pack™. Модуль содержит три датчика угловой скорости QRS11 и три кварцевых акселерометра QFA7000 (масса каждого из акселерометров 55 г. габариты 025x22 мм) с погрешностью 10" -г 10" g. Инерциальный модуль Motion Pack™ применен в БИНС, интегрированной с GPS. Натурные испытания системы на автомобиле и самолете подтвердили эффективность использования инерциального модуля для исключения потери информации при кратковременных перерывах в работе приемника GPS и перспективность применения микромеханических гироскопов и акселерометров в интегрированных навигационных системах.
Фирма Murata (Япония) выпускает две модификации пьезоэлектрических вибрационных гироскопов ENV-05A и ENC-05E. Чувствительный элемент гироскопов этих типов представляет собой призму, имеющую сечение в форме равностороннего треугольника, на боковых гранях которой находятся пьезоэлементы для возбуждения первой формы изгибных колебаний призмы и съема сигналов. Гироскопический датчик ENV-05A имеет массу 45 г, габариты 58x25x25 мм, диапазон измеряемых угловых скоростей ±90 град/с. Прибор ENC-05E имеет массу 2,7 г габариты 8,5x7,6x21,5 мм.
Микромеханические датчики iMEMS (integrated Micro Electro Mechanical System) занимают особое место среди разнообразных датчиков, выпускаемых фирмой Analog Devices (США). Фирма в течение многих лет выпускает микромеханические датчики. Они обладают различными характеристиками, имеют как цифровые, так и аналоговые выходы; кроме того, многие датчики стали промышленным стандартом в электронике.
Датчики iMEMS - устройства, интегрирующие на одном кремниевом кристалле датчик угловой скорости и электронику, обеспечивающую формирование и предварительную обработку сигнала. Более десяти лет назад компания Analog Devices приступила к изготовлению электро¬механических устройств на кристалле кремния с помощью данной технологии. Первые образцы полностью интегрированных однокристальных датчиков ускорения (акселерометров) iMEMS были выпущены в 1991 году. Изначально акселерометры iMEMS были разработаны специально для систем безопасности автомобилей, где они применялись для детектирования столкновений и активации подушек безопасности; сегодня же эти акселерометры применяются в качестве инерциальных датчиков в самых разных областях.
С определенным отставанием разработки микромеханических гироскопов и акселерометров осуществляются в России. ЗАО "ГИРООПТИКА" является одним из первых отечественных предприятий, разработавшим и изготовившим микромеханические гироскопы и акселерометры по технологии МЕМС, а в части гироскопов - единственным предприятием. Размеры датчиков в единицы миллиметров соизмеримы с размерами микроэлектронных компонентов. Датчики обладают повышенной стойкостью и прочностью к воздействию механических ударов до 16000 g однократного действия и широкополосной случайной вибрации в диапазоне частот до 2000 Гц, при этом занимая нишу приборов среднего класса точности:
для гироскопов - случайная составляющая дрейфа нулевого сигнала на уровне 5 град./час при динамическом диапазоне до 360 град./с с нелинейностью масштабного коэффициента не более 0,5%;
для акселерометров - случайная составляющая дрейфа нулевого сигнала на уровне 0,3 mg при динамическом диапазоне до 100g с нелинейностью масштабного коэффициента не более 0,3%.
Тенденция уменьшения размеров чувствительных элементов инерциальных систем дает возможность к построению мини-БПЛА все больше набирающих популярность сегодня.
В настоящее время можно указать следующих потенциальных потребителей и области применения микромеханических инерциальных датчиков и систем:
автомобилестроение (активная подвеска, автоматическое управление, навигация, системы безопасности, противоугонные системы);
авиация (навигация и ориентация малых, а также сверхмалых беспилотных летательных аппаратов); морской и речной флот (навигация и ориентация малых динамичных надводных и подводных аппаратов);
космос (системы навигации и ориентации для космонавта в открытом космосе, малые спутники, создание и управление больших космических конструкций);
нефте- и продуктопроводы;
робототехника (датчики и системы контроля кинематических параметров движения манипуляторов, управление мобильными роботами и специальными микророботами);
спорт (контроль параметров движения спортсмена, спортивные тренажеры);
медицина (контроль состояния пациента по измерению параметров его движения), реабилитационные тренажеры, активные протезы, система навигации и ориентации для слепых, управляемые медицинские зонды, включая операции на человеческом мозге;
системы виртуальной реальности (трехмерные компьютерные мыши, шлемы, перчатки с отображением силовых полей, игровые системы, профессиональные тренажеры);
бытовая техника (датчики и системы контроля бытовых приборов и их функциональные узлы, детские игрушки, бинокли).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Теория систем инерциальной навигации, идеи которой начали зарождаться еще в начале нашего века, в настоящее время является вполне завершенным разделом мехатроники. Однако последние достижения как в области теоретической механики, электроники, информатики, так и при создании новых типов микромеханических гироскопов позволяют ожидать появления новых подходов к решению рассмотренных задач.
Бесплатформенные инерциальные навигационные системы (БИНС) стали основой навигационных комплексов современных подвижных объектов [1]. Это обусловлено тем, что они дают полную информацию о навигационных параметрах движения - углах курса, тангажа (дифферента), крена, ускорения, скорости движения и координатах объекта. При этом они почти автономны, так как требуют минимум внешней информации. Благодаря возможности определения углового положения объекта с высокой точностью в любом диапазоне углов и с высокой частотой выдачи информации, БИНС к настоящему времени не имеют альтернативы.
Для решения задач навигации и управления полётом современных летательных аппаратов оказалось необходимым увеличить число измеряемых параметров, усложнить алгоритмы навигационных задач, повысить точность и надёжность измерений.
Кроме текущей информации, получаемой от навигационных датчиков, существенно увеличилась роль априорной информации о режимах полёта, константах и закономерностях методов измерений, параметрах заданных траекторий, ориентиров и целей. Решение всей совокупности перечисленных задач оказалось возможным при объединении отдельных навигационных комплексов. Сегодня тенденция навигации направлена на уменьшении ошибки ИНС за счет коррекции с помощью других навигационных систем, но не смотря на все это ИНС является единственной системой которая способно скрытно выполнять возложенные на нее задачи навигации в условиях противодействия противника.
ЛИТЕРАТУРА
1.Шестов С.А. Гироскоп на земле, в небесах и на море. М.: Знание, 1989. 192 с.
2.Пешехонов В.Г. Ключевые задачи современной автономной навигации // Гироскопия и навигация. 1996. № 1(12). С. 48-55.
3.Магнус К. Гироскоп: Теория и применение. М.: Мир, 1974. 526 с.
4.Мартыненко Ю.Г. Тенденции развития современной гироскопии // Соросовский Образовательный Журнал. 1997. № 11. С. 120-127.
5.Климов Д.М. Инерциальная навигация на море. М.: Наука, 118 с.
6.Проблемы создания корректируемых и управляемых авиационных бомб / Под ред. Е. С. Шахиджанова. М.: НИЦ «Инженер», 2003. 527 с.
7.Dan Coskren, Tim Easterly, and Robert Polutchko, Draper Laboratory. Low-Cost GPS/INS Guidance for Navy Munitions Launches // GPS World, September 2005.
8.Развитие направления миниатюрных беспилотных летательных аппаратов за рубежом В.А. Попов, Д.В. Федутинов ФГУП «ГосНИИАС».
9.Пятышев Е.Н. Микросистемы в аэрокосмической технике //Материалы V научно-технической конференции INTERMATIC-2006.
10.Микромеханические датчики и системы, практические результаты и перспективы развития // Попова И.В., Лестев А.М., Семенов А.А., Пятышев Е.Н., Лурье М.С., Иванов В.А., Шабров А.А. // ХII С.-Пб Международная конференция по интегрированным навигационным системам. С.-Пб., 2005, с. 262-267.
11.Борзенко А. Технология MEMS.
12.Акселевич В.И. Методическая разработка по проведению группового занятия по учебной дисциплине «Авиационная метеорология». С-Пб.: Российский Государственный Гидрометеорологический Институт, 2006.
13.Шумков А. Применение датчиков давления в системах навигации // Chip News, № 8 (91), 2004.
14.Маргелов А. Полупроводниковые датчики давления Motorola // Электроника, ноябрь, 2003.
15.Власенко А. Интегральные гироскопы iMEMS - датчики угловой скорости фирмы Analog Devices.
16.Мартыненко Ю.Г. Инерциальная навигация //Соросовский образовательный журнал, 1998, № 8.