Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2019, № 8

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 
 
Федеральное государственное бюджетное  
образовательное учреждение высшего образования  
«Тульский государственный университет» 
 

 
 
 
16+ 
ISSN 2071-6168 
 
 
 
 
 
 
 
ИЗВЕСТИЯ  
ТУЛЬСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО 
УНИВЕРСИТЕТА 
 
 
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ 
 
 
Выпуск 8 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Тула 
Издательство ТулГУ 
2019 

РЕДАКЦИОННЫЙ СОВЕТ:                                                                                                     ISSN 2071-6168 

Председатель  
Грязев М.В., д-р техн. наук, ректор. 
Первый заместитель председателя  
Воротилин М.С., д-р техн. наук, проректор по научной работе. 
Заместитель председателя 
Прейс В.В., д-р техн. наук, заведующий кафедрой, авторизованный представитель Издательства ТулГУ в РИНЦ. 
Ответственный секретарь  
Фомичева О.А., канд. техн. наук, начальник Управления научно-исследовательских работ, авторизованный 
представитель ТулГУ в РИНЦ. 

Члены редакционного совета: 
Батанина И.А., д-р полит. наук, –
гл. редактор серии «Гуманитарные науки»; 
Берестнев М.А., канд. юрид. наук, –                                    
гл. редактор серии «Экономические и юридические 
науки»; 
Борискин О.И., д-р техн. наук, –                                               
гл. редактор серии «Технические науки»; 
Егоров В.Н., канд. пед. наук, –  
гл. редактор серии «Физическая культура. Спорт»; 

Заславская О.В., д-р пед. наук, –
гл. редактор серии «Педагогика»; 
Качурин Н.М., д-р техн. наук, –                                             
гл. редактор серии «Науки о Земле»; 
Понаморева О.Н., д-р хим. наук, –                                    
гл. редактор серии «Естественные науки» 
 

 
РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ: 

Главный редактор 
Борискин О.И., д-р техн. наук (ТулГУ, г. Тула). 
Заместитель главного редактора 
Ларин С.Н., д-р техн. наук (ТулГУ, г. Тула). 
Ответственный секретарь 
Яковлев Б.С., канд. техн. наук (ТулГУ, г. Тула). 

Члены редакционной коллегии: 
Александров А.Ю., д-р техн. наук (Ковровская
государственная технологическая академия  
им. В.А. Дегтярева, г. Ковров); 
Баласанян Б.С., д-р техн. наук (Государственный 
инженерный университет Армении, г. Ереван,  
Армения); 
Васин С.А., д-р техн. наук (ТулГУ, г. Тула); 
Дмитриев А.М., д-р техн. наук (Московский  
государственный технический университет  
«СТАНКИН», г. Москва); 
Запомель Я., д-р техн. наук (Технический  
университет Остравы, г. Острава, Чехия); 
Колтунович Т.Н., д-р техн. наук (Люблинский 
технологический университет, г. Люблин, Польша); 
Кристаль М.Г., д-р техн. наук (Волгоградский 
государственный технический университет,  
г. Волгоград); 

Ларкин Е.В., д-р техн. наук (ТулГУ, г. Тула);
Мельников В.Е., д-р техн. наук (Национальный 
исследовательский университет «МАИ», г. Москва); 
Мещеряков В.Н., д-р техн. наук (Липецкий  
государственный технический университет,  
г. Липецк); 
Мозжечков В.А., д-р техн. наук  
(АО «Тулаэлектропривод», г. Тула); 
Распопов В.Я., д-р техн. наук (ТулГУ, г. Тула); 
Савин Л.А., д-р техн. наук (Орловский государственный 
технический университет, г. Орел); 
Степанов В.М., д-р техн. наук (ТулГУ, г. Тула); 
Сычугов А.А., канд. техн. наук (ТулГУ, г. Тула); 
Трегубов В.И., д-р техн. наук (АО «НПО «СПЛАВ»,  
г. Тула); 
Яцун С.Ф., д-р техн. наук (Юго-Западный  
государственный университет, г. Курск). 

Сборник зарегистрирован в Федеральной службе по надзору в сфере связи, информационных технологий  
и массовых коммуникаций (Роскомнадзор). ПИ № ФС77-75986 от 19 июня 2019 г. 
Подписной индекс сборника 27851 по Объединённому каталогу «Пресса России»; 
Сборник включен в «Перечень рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы научные 
результаты диссертаций на соискание учёной степени кандидата наук, на соискание учёной степени доктора наук», 
утвержденный ВАК Минобрнауки РФ, по следующим научным специальностям: 

05.02.02 Машиноведение системы приводов и детали машин;
05.02.07 Технология и оборудование механической и физико-технической обработки;
05.02.08 Технология машиностроения;
05.02.09 Технологии и машины обработки давлением;
05.02.13 Машины, агрегаты и процессы (по отраслям);
05.02.23 Стандартизация и управление качеством продукции;
05.09.03 Электротехнические комплексы и системы;
05.13.01 Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям);
05.13.06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям);
05.13.11 Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей.

 
© Авторы научных статей, 2019 
© Издательство ТулГУ, 2019 

Системный анализ, управление и обработка информации 
 

 
3

 
 
 
 
 
 
Настоящий выпуск сборника «Известия ТулГУ. Технические науки»                
составлен по материалам докладов Всероссийской  
научно-технической конференции «Информационно-измерительные                        
системы комплексов навигации и управления движением» 

(Тула, ТулГУ, 18-19 октября 2019 г.), приуроченной к 100-летию                        
со дня рождения организатора и первого заведующего                                

кафедрой  «Приборы управления» ТулГУ А.Я. Шайденко  
 
К 100-ЛЕТИЮ  
СО ДНЯ РОЖДЕНИЯ  
ОРГАНИЗАТОРА И ПЕРВОГО ЗАВЕДУЮЩЕГО  
КАФЕДРОЙ «ПРИБОРЫ УПРАВЛЕНИЯ» 
 А.Я. ШАЙДЕНКО 
 
Анатолий Яковлевич Шайденко родился 11 сентября 1919 года 
в г. Чита. Через несколько лет семья переехала в г. Орел, где он окончил 
школу и в 1935 году поступил на литейное отделение Орловского машиностроительного техникума. В 1939 году, получив диплом техника-литейщика, 
Шайденко поступает в Тульский механический институт (ТМИ). 
 

 
Шайденко Анатолий Яковлевич (1919 – 1993 гг.) 

Известия ТулГУ. Технические науки. 2019. Вып. 8 
 

 
4

В июне 1942 года будучи студентом второго курса и имевшим 
бронь как обучающийся по военной специальности Анатолий Яковлевич 
добровольцем уходит на фронт, затемон был направлен в полковую школу 
167 дивизии 465 стрелкового полка, после окончания которой прибыл на 
фронт уже в качестве заместителя политрука. 
 

 
Шайденко Анатолий Яковлевич, 
политрук 
 
В тяжелом бою 26 июля 1942 года под Воронежем после гибели 
командира двадцатитрехлетний Анатолий возглавил атаку и был тяжело 
ранен. После продолжительного лечения в различных госпиталях об участии в боевых действиях речь не шла.Всю жизнь он с теплотой вспоминал 
врачей и медицинских сестер Куйбышевского эвакогоспиталя № 4148, 
благодаря которым сохранил жизнь и впоследствии смог работать.  
Анатолий Яковлевич возвращается в Тулу и продолжает обучение в 
ТМИ, который с отличием заканчиваетв декабре 1945 года, получив диплом инженера-механика. С января 1946 года начинается его научнопедагогическая деятельность. 
Вначале он работает ассистентом кафедры «Расчет и проектирование автоматических машин» (РиПАМ), а с сентября 1952 года – старшим 
преподавателем этой кафедры. В это же время он назначается заместителем декана машиностроительного факультета ТМИ. 
В 1953 году в Военной академии им. Ф.Э. Дзержинского  
А.Я. Шайденко защищает кандидатскую диссертацию. Практической реализацией этой работы явился прибор «Тула-Д», который использовался 
при экспериментальных исследованияхразличных автоматических машин. 

Системный анализ, управление и обработка информации 
 

 
5

С октября 1953 по июль 1959 года работает доцентом кафедры РиПАМ, выполняет обязанности секретаря редколлегии «Труды ТМИ», а с 
июля 1959 года назначается заместителем директора ТМИ по научной работе. В этой должности Анатолий Яковлевич проработал до июня 1963 года. 
23 октября 1961 годаприказом №1416 Главного управления инженерно-технических вузов в Тульском механическом институте организуется новая кафедра «Гироскопические приборы и устройства», на должность 
заведующего назначается А.Я. Шайденко,которой бессменно руководит до 
1977 года. В это же время Анатолий Яковлевич избирается председателем 
Тульского отделения НТО «Приборостроение». 
В должности заведующего кафедройон выполняет большую учебно-методическую работу: проводит занятия по прикладной теории гироскопа, навигационному оборудованию летательных аппаратов, космонавтике, теории гиростабилизаторов и теории надежности. 
 

 
Ветераны ВОВ Тульского механического института: 
 в центре второго ряда А.Я. Шайденко 
 
В своей научной деятельности А.Я. Шайденко осуществлял руководство научно-исследовательскими и опытно-конструкторскими разработками кафедры, результатом которыхявилось создание и внедрение в 
практику морских исследований трех моделей силовых гиростабилизаторов, судовой измерительной системы АСАС и трех типов динамических 
испытательных стендов; за один из гиростабилизаторов гравиметра он был 
удостоен бронзовой медали ВДНХ. Им получено 19 авторских свидетельств на изобретения. 

Известия ТулГУ. Технические науки. 2019. Вып. 8 
 

 
6

Кроме конструкторских разработок, Анатолий Яковлевич занимался и теоретическими вопросами прикладной теории гироскопов, опубликовав около ста научных статей и подготовив тринадцать кандидатов технических наук. 
За успехи в трудовой деятельности Анатолий Яковлевич Шайденко 
награжден орденами Октябрьской Революции, Отечественной войны 2-й 
степени, орденом «Знак Почета» и медалями «За победу над Германией в 
Великой Отечественной войне 1941-1945 гг.», «20 лет Победы в Великой 
Отечественной войне 1941-1945 гг.», «50 лет Вооружённым Силам СССР», 
«За доблестный труд в Великой Отечественной войне 1941-1945 гг.». 
 
 
Материал подготовлен  
Роговым Сергеем Васильевичем,  
кандидатом технических наук, доцентом  
кафедры «Приборы управления»  
Тульского государственного университета 

Системный анализ, управление и обработка информации 
 

 
7

 
 
 
 
 
 
СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ, УПРАВЛЕНИЕ 
И ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ 
 
 
 
УДК 531.383 
 
ВОЛНОВОЙ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ГИРОСКОП  
С МЕТАЛЛИЧЕСКИМ РЕЗОНАТОРОМ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ 
 В СИСТЕМАХ ОРИЕНТАЦИИ, СТАБИЛИЗАЦИИ И НАВИГАЦИИ 
 
Р.В. Алалуев, И.А. Волчихин, А.В. Ладонкин, В.В. Лихошерст, 
Д.М. Малютин, В.В. Матвеев, В.Я. Распопов, С.И. Шепилов  
 
Рассмотрены конструкция и технические характеристики волнового твердотельного 
гироскопа 
– 
датчика 
угловой 
скорости 
(ВТГ-ДУС) 
совместной  
разработки ФГБОУ ВО «Тульский государственный университет» (ТулГУ) и АО «Мичуринский завод «Прогресс» (МЗП). Приведены оценки характеристик точности систем ориентации, стабилизации и навигации при использовании разработанного  
ВТГ-ДУС. 
Ключевые слова: волновой твердотельный гироскоп, резонатор, гироскопический координатор цели, бесплатформенная инерциальная навигационная система. 
 
Введение. Для решения задач ориентации, стабилизации и навигации подвижных объектов, эксплуатируемых в условиях больших диапазонов измерения параметров климатического и механического воздействий, 
необходим ДУС, отвечающий следующим требованиям: 
– уход (1 – 3) °/ч в диапазоне температур (-50 – + 60) °С; 
– порог чувствительности не более 0,005 °/с; 
– смещение нуля в рабочем диапазоне температур не более (1–
10)°/ч; 
– нелинейность масштабного коэффициента в рабочем диапазоне 
температур не более 3,5∙10-3; 
– диапазон измеряемых угловых скоростей (0,01 – 10000) °/с; 
– полоса пропускания не менее 50 Гц; 
– потребляемая мощность не более (1,5 – 2) Вт; 
– способность сохранять измеренную информацию в течение некоторого времени при отключении питания; 
– радиационная стойкость. 

Известия ТулГУ. Технические науки. 2019. Вып. 8 
 

 
8

Для систем ориентации, стабилизации и навигации среднего класса 
точности этим требованиям в наибольшей степени удовлетворяют ВТГДУС с металлическим резонатором [1]. Резонатор является чувствительным элементом ВТГ. Теория его работы описана в многочисленной литературе, [2, 3, 4, 5]. 
В осесимметричных резонаторах упругая волна возбуждается на 
второй моде колебаний, амплитуда и фаза которой стабилизируются системой автоматического управления. 
Эта стоячая волна (рис. 1) имеет четыре пучности а, g, е, с, расположенные на осях x, y, и четыре узла b, h, f, d на осях x1, y1, в которых амплитуды колебаний максимальны и минимальны соответственно. 
 

 
Рис. 1. Схема расположения первичных и вторичных вибраций 
резонатора: 1,2,3,4 – эллиптические моды 
 
Первая вибрационная мода 1, 2 показана для двух моментов времени относительно недеформированной кромки резонатора, которая к концу 
полупериода переходит от эллипса 1 к эллипсу 2. Вращение гироскопа вокруг оси z приводит к возникновению сил инерции Кориолиса, которые 
вызывают смещение вибрационных пучностей относительно окружности 
кромки резонатора, то есть вращение резонатора вызывает вторичные  
вибрации в форме эллиптической моды 3,4, для которой главные оси  x1, 
 y1 расположены под углом 45о к осям x, y. Вибрация проходит от эллипса 3 
к эллипсу 4 в конце полупериода. По осям x1, y1 расположены измерители 
перемещений (детектирующие элементы) кромки резонатора, сигналы  
которых характеризуют угловую скорость и/или угол поворота вокруг  
оси z. 

Системный анализ, управление и обработка информации 
 

 
9

В режиме ВТГ-ДУС сигнал измеряемой моды, снимаемый с датчиков перемещений, расположенных на узлах возбуждаемой моды, через отрицательную обратную связь подаётся на датчик силы, расположенный на 
узле возбуждаемой моды. Сигнал обратной связи пропорционален угловой 
скорости вращения ВТГ-ДУС 
Конструкция. Вариант конструкции резонатора ВТГ показан на 
рис. 2. Конструкция резонатора (рис. 3) включает кольцо 1, которое формирует рабочую зону в виде вибрирующей кромки резонатора, подвес 2, 
представляющий единое целое с дном резонатора и элементом 4 узла 
крепления с основанием (корпусом). Подвес имеет толщину меньше чем у 
кольца. По наружной поверхности дна размещены через 45о восемь пьезоэлементов 3. 
Возбуждение изгибных колебаний в рабочей зоне резонатора с образованием стоячей волны производится двумя парами пьезоэлементов, 
линии расположения которых ориентированы под углом 90о друг к другу. 
 

 
Рис. 2. Основные узлы ВТГ: 
1 – резонатор; 2 – узел крепления; 3 – основание (корпус);  
4 – гермовывод; 5 – пьезоэлемент; 6 – крышка (кожух) 
 

 
а                                                б 
Рис. 3. Разрез (а) и общий вид (б) цилиндрического резонатора: 
1 – кольцо; 2 – подвес; 3 – пьезоэлемент;  
4 – элемент крепления с корпусом 

Известия ТулГУ. Технические науки. 2019. Вып. 8 
 

 
10

Пары пьезоэлементов, расположенные по отношению друг к другу 
также на 90о, но сдвинутые по отношению к пьезоэлементам возбуждения 
на 45о, образуют группу измерительных пьезоэлементов. Следует напомнить, что оси, по которым ориентированы (закреплены) пьезоэлементы, 
или любые другие возбуждающие и измерительные элементы называются 
физическими осями. Эти оси должны совпадать с так называемыми электрическими осями, вдоль которых направлены фактические оси электрической симметрии элементов возбуждения и измерения.  В реальном резонаторе физические и электрические оси могут находиться на угловом расстоянии от 1 до 22°. При условии, что резонатор представляет идеальный 
двумерный осциллятор, физической моделью которого является кольцо 
или цилиндр, колебания которых подчиняются тем же закономерностям, 
выделяются две оси: лёгкая, вдоль которой собственная частота колебаний 
максимальна, и тяжёлая, вдоль которой эта частота минимальна. Эти оси 
расположены под углом 45о друг к другу, то есть совпадают с направлениями пучностей и узлов возбуждаемой волны. Разная частотность (разночастотность) имеет значения (2÷10) Гц. В реальном производстве резонаторы 
далеки от своих теоретических моделей. 
Электроника управления. На рис. 4 в соответствии с рис.1 приведена функциональная схема работы гироскопа в режиме силовой компенсации в предположении, что в качестве преобразователей используются 
пьезоэлементы 1 (a, b, c, d, e, f, g, h), расположенные на одной из торцевых 
поверхностей резонатора (рис. 3). Генератор 3 электрических сигналов 
возбуждает пьезоэлементы 1a, 1e, расположенные по оси X пучностей первой вибрационной моды. Измерительный блок 4 сравнивает амплитуду 
первой вибрационной моды с заданным значением и передаёт на генератор 3 
сигнал рассогласования, обеспечивая режим регулирования амплитуды. 
Вторая вибрационная мода при вращении гироскопа ориентирована по 
осям X1, Y1. Измерительный блок 5 принимает сигналы с пьезоэлементов 
1b, 1f. Управляющий блок 6 принимает от блока 5 сигналы, пропорциональные амплитуде узла по оси X1 и формирует управляющий (компенсирующий) сигнал на пьезоэлементы 1d, 1h, расположенные по оси y1 (вторая 
ось узла второй вибрационной моды резонатора) для сведения к нулю амплитуды сигналов, детектированных блоком 5. Этот блок на основе компенсирующего сигнала вырабатывает сигнал, пропорциональный угловой 
скорости Ω. 
Структурная схема электронного модуля управления ВТГ, соответствующая рис. 4 и реализующая измерение угловых скоростей в компенсационном режиме, представлена на рис. 5 [6]. 
На рис. 5 введены следующие обозначения: 
Uпит, Uаналог, Uцифр – входное напряжение питания и напряжения питания аналоговой и цифровой частей электронного модуля; 
Kк, Kв, Kпу, Kуз – аналоговые усилители сигналов коррекции, возбуждения, пучности и узла соответственно; 
Aпу, Aпу_зад – текущая и заданная амплитуды сигнала пучности;