Информационные измерительные и оптико-электронные системы на основе микро- и наномеханических датчиков угловой скорости и линейного ускорения

В.М.  Ачильдиев, Ю.К.  Грузевич, В.А.  Солдатенков 

Информационные измерительные 
и оптико-электронные системы 
на основе микро- и наномеханических датчиков 
угловой скорости и линейного ускорения 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 

 

УДК 681.778 
ББК 34.9 
А97 
 
Рецензенты: 
первый заместитель директора по научной работе 
НИЦ «Курчатовский институт», д-р техн. наук, чл.-корр. РАН, 
профессор О.С. Нарайкин; 
д-р техн. наук, профессор МГТУ им. Н.Э. Баумана В.Г. Волков 
 
Ачильдиев, В. М.  
Информационные измерительные и оптико-электронные системы на основе микро- и наномеханических датчиков угловой скорости и линейного ускорения / В. М. Ачильдиев, Ю. К. Грузевич,  
В. А. Солдатенков. — Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2016. — 260, [4] с. : ил. 

ISBN 978-5-7038-4351-2  

Рассмотрены основные физические принципы работы и особенности 
функционирования гироскопов различных видов. Исследованы микромеханические гироскопы и акселерометры с рамочной и консольной конструкциями чувствительного элемента с емкостными и автоэлектронными 
преобразователями и наноэлектромеханические измерительные преобразователи для измерения тепловых полей малой интенсивности в инфракрасной и терагерцовой областях спектра. Предложены способы изготовления и 
локальной инициализации вискера по переменному току после формирования механической структуры чувствительного элемента. Описан синтез регуляторов методом модального управления и идентификации коэффициентов чувствительности к температуре и напряжению питания.  
Приведены примеры схем построения, моделирования и испытаний 
систем управления и навигации летательных микроаппаратов на основе 
бесплатформенных инерциальных блоков, различных информационноизмерительных 
средств 
с 
использованием 
наклономеров, 
оптикоэлектронных устройств наблюдения с определением координат удаленных 
объектов и нашлемных систем ориентации. 
Для студентов, аспирантов, инженеров и научных работников. 
 
УДК 681.778 
ББК 34.9 
 
 
 Ачильдиев В.М., Грузевич Ю.К.,  
Солдатенков В.А., 2016 
 Оформление. Издательство 
ISBN 978-5-7038-4351-2                                           МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2016 

А97 

Предисловие                                                    3 

Предисловие 

Интенсивное развитие авиационной и ракетно-космической 
техники в последние десятилетия обусловило использование гироскопических приборов и устройств для управления и навигации 
летательных аппаратов. Основным элементом систем управления 
и навигации является гироскоп, изобретенный в 1852 г. французским ученым Л. Фуко. К настоящему времени сменилось шесть 
поколений видов гироскопов: механические, поплавковые, динамические настраиваемые, лазерные, волоконные оптические и 
микромеханические. В связи с развитием микроэлектроники, лазерной и волоконной оптики созданы гироскопы и акселерометры, 
работа которых основана на новых физических принципах. 
Разработка волоконно-оптических гироскопов началась в 1980-х 
годах. Принцип действия оптического гироскопа основан на эффекте Саньяка, открытым в 1913 г. Ряд важных открытий, сделанных в университетах и фирмах России и США, обеспечил возможность создания волоконно-оптического гироскопа. 
В основу работы волнового твердотельного гироскопа положен 
другой физический принцип — инерционные свойства стоячих 
акустических волн, возбуждаемых упругой оболочкой. Эти свойства были обнаружены в 1890 г. английским ученым Д. Брайаном, 
однако не использовались для получения инерциальной информации. Теория работы волнового твердотельного гироскопа подробно исследована российским ученым В.Ф. Журавлевым и его коллегами в 1985 г. 
На основе новых промышленных технологий разработаны 
твердотельные и механические вибрационные структуры, кварцевые и кремниевые микромеханические приборы, изготовленные 
методом групповой обработки. 
Микромеханические инерциальные датчики дешевле, меньше и 
легче, чем аналогичные традиционные. Возможность использования 
недорогих малогабаритных датчиков позволяет решать многие проблемы. В последние годы разработан ряд принципиально новых 
микромеханических датчиков для автомобильной промышленности, 
навигации, систем безопасности и многих других областей. 
Первое сообщение о разработке микромеханических вибрационных гироскопов и акселерометров появилось в 1986 г. после 

Предисловие 

публикации первого патента, полученного В. Боксехорном, — сотрудником Лаборатории Дрейпера (США).  
В Советском Союзе работы по микромеханическим гироскопам и акселерометрам начались в конце 1989 г. 
Все разработки микромеханических датчиков были основаны 
на технологии «монокристаллический кремний — стекло». С середины 1990-х годов к работам по созданию микромеханических 
датчиков приступил ряд фирм, в том числе американская фирма 
Analog Device, которая первая в мире создала микромеханический 
акселерометр, полностью интегрированный с электроникой в одном кристалле. Для этих целей фирма разработала технологию, 
получившую название «поликремний — кремний».  
В настоящее время за рубежом над созданием микромеханических чувствительных элементов работает более 300 университетов, научно-исследовательских институтов и фирм. К 2015 г. получено более 300 патентов на разные виды микромеханических 
гироскопов и акселерометров, а также различных систем. 
На основе микромеханических гироскопов и акселерометров 
разработаны и изготовлены различные устройства и системы, которые используются в транспортных средствах, лабораториях дорожных измерений для определения параметров дороги и качества 
покрытия дорожного полотна, а также в системах управления летательных микроаппаратов. 
Анализ рынка инерциальных датчиков показывает, что объем 
их продаж возрос с 3,3 млрд долл. (2,5 млрд микросхем) в 2011 г. 
до 4,4 млрд долл. (5,7 млрд микросхем) в 2014 г. Согласно прогнозу объем продаж в 2018 г. достигнет 5,4 млрд долл. (9,0 млрд микросхем). При этом цена одной микросхемы снизится с 1,3 долл.  
в 2011 г. до 0,6 долл. в 2018 г. Следует отметить, что объемы производства инерциальных датчиков в количественном соотношении 
в период с 2011 по 2014 гг. возросли в 2,2 раза, а в период  
с 2014 по 2018 гг. увеличатся в 1,6 раза. Это говорит о начале 
насыщения рынка микромеханических инерциальных датчиков. 
Предлагаемая монография состоит из шести глав. В гл. 1 рассмотрены физические основы работы и некоторые особенности 
построения механических, поплавковых, динамически настраиваемых гироскопов, волоконных оптических и волновых твердотельных измерителей угловой скорости и микромеханических 
инерциальных датчиков. 

Предисловие                                                   5 

Гл. 2 посвящена принципам работы микромеханических измерителей угловой скорости и линейного ускорения. Приведены 
уравнения работы рамочной и консольной конструкций чувствительного элемента, определена оптимальная форма инерционной 
массы, что позволило обеспечить измерение угловой скорости  
и линейного ускорения одним прибором. Предложен способ изготовления чувствительного элемента на основе тонкопленочной 
технологии металл — сапфир, позволяющий существенно снизить 
трудозатраты на единицу продукции. 
В гл. 3 рассмотрен принципиально новый наноэлектромеханический преобразователь с автоэлектронной эмиссией, предназначенный для измерения тепловых полей малой интенсивности  
в инфракрасной и терагерцовой областях спектра, а также линейных 
ускорений и угловых скоростей. Разработан и экспериментально 
проверен способ локальной инициализации вискера по переменному току после окончательного формирования механической структуры чувствительного элемента, что позволяет резко снизить трудоемкость изготовления и повысить выход годных изделий. 
Гл. 4 посвящена некоторым аспектам построения систем управления и навигации летательных микроаппаратов на основе микромеханических бесплатформенных инерциальных блоков. Рассмотрены 
схемы их построения, результаты моделирования и испытаний. 
В гл. 5 представлены результаты разработки наклономеров  
и различные информационно-измерительные устройства и системы на основе измерителей линейных ускорений. 
Гл. 6 посвящена разработке многоспектральных оптико-электронным системам, в частности приборам наблюдения с определением 
координат удаленного объекта и наземным системам ориентации. 
Предлагаемый материал основан на экспериментальных разработках и результатах исследований сотрудников ОАО «НПО Геофизика-НВ» А.Д. Левковича, И.А. Родновой, Ю.Н. Евсеевой,  
Н.А. Бедро, М.Н. Комаровой, И.В. Воронина и А.П. Зорина*. 
Авторы выражают благодарность Издательству МГТУ им. Н.Э. Баумана за подготовку к изданию данной монографии. 
Отзывы и замечания можно направлять по адресу Издательства 
МГТУ им. Н.Э. Баумана. 
___________ 

* Художник-конструктор ОАО «НПО Геофизика-НВ» А.П. Зорин разработал дизайн обложки. 

Список сокращений 

Список сокращений 

БИНС 
— бесплатформенная 
инерциальная 
навигационная 
система 
БЦВМ 
— бортовая цифровая вычислительная машина 
ВАХ 
— вольт-амперная характеристика 
ВОГ 
— волоконно-оптический гироскоп 
ВТГ 
— волновой твердотельный гироскоп 
МБИБ 
— микромеханический бесплатформенный инерциальный блок 
ММА 
— микромеханический маятниковый акселерометр 
ММГ 
— микромеханический гироскоп 
ММГА — микромеханический гироскоп-акселерометр 
СКО 
— среднее квадратическое отклонение 

1.1 Классические механические гироскопы                         7 

1. Анализ особенностей работы и построения гироскопов 
и измерителей угловой скорости 

1.1. Классические механические гироскопы 

В 1852 г. французский ученый Л. Фуко изобрел прибор, предназначенный для демонстрации вращения Земли вокруг оси, 
названный им гироскопом, что означало хранитель направления. 
Фуко поместил вращающийся маховик в устройство, называемое 
подвесом Кардана (карданов подвес), поэтому в течение долгого 
времени гироскопом называли быстро закрученное симметричное 
вращающееся твердое тело [1]. 
В результате развития гироскопической техники к гироскопам 
стали относить широкий класс приборов. В настоящее время термин «гироскоп» означает устройство, содержащее материальный 
объект, совершающий быстрые периодические движения, в результате которых устройство становится чувствительным к угловой скорости в инерциальном пространстве. 
Простейшим гироскопом является волчок. При действии внешней силы ось волчка начинает двигаться в направлении, перпендикулярном вектору силы. Именно вследствие этого свойства вращающийся волчок не падает, а его ось описывает конус вокруг 
вертикали. Такое движение получило название «регулярная прецессия тяжелого твердого тела». 

Как и магнитный компас, гироскоп широко применяется в на- 

вигации. Во многих ситуациях, когда геомагнитное поле отсутствует или по каким-либо причинам нарушено, гироскоп является 
необходимым устройством для определения положения летательных аппаратов или подвижных объектов. Исследование движения 
таких гироскопов — одна из классических задач механики, аналитические решения которой были найдены Л. Эйлером в 1758 г. еще 
до изобретения гироскопа [6]. Гироскопическим устройствам, широко применяемым в различных областях техники, посвящена обширная научно-техническая литература [1–10]. 
Свободный гироскоп — устройство, у которого суммарный 
момент приложенных к нему внешних сил равен нулю, т. е. гироскоп является свободным, когда точка опоры, вокруг которой  

1. Анализ особенностей работы и построения гироскопов… 

он вращается, совпадает с его центром тяжести. Одним из способов обеспечения этого условия является помещение гироскопического ротора в кардановом подвесе. Последний состоит из двух 
рамок (внешней и внутренней), обеспечивающих подвешиваемому 
телу — ротору гироскопа — полную свободу угловых перемещений. Оси внешней и внутренней рамок ротора гироскопа в нормальном положении взаимно перпендикулярны и пересекаются в 
идеальном случае в одной точке, которая является неподвижной 
точкой подвеса. Существуют два вида карданова подвеса: внешний и внутренний. На рис. 1.1 приведены примеры гироскопов  
с внутренним подвесом Кардана. 

 

Рис. 1.1. Трехстепенные астатические гироскопы 
с внутренним кардановым подвесом 
 
Оба вида подвеса применяются в гироскопической технике. 
При помещении гироскопа в кардановом подвесе следует учитывать кинематику и динамику подвеса. Особенности подвеса Кардана могут привести к карданной погрешности, которую необходимо учитывать в гироскопических приборах [6]. 

Механический гироскоп состоит из массивного ротора, сво
бодно вращающегося вокруг основной оси вращения, удерживаемой рамкой, которая может вращаться относительно одной или 
двух осей. Таким образом, в зависимости от числа осей вращения 
гироскопы имеют одну или две степени свободы. При этом основная ось вращения свободного гироскопа не будет изменять свое 
пространственное положение при отсутствии внешних сил, действующих на нее. 

1.1 Классические механические гироскопы                          9 

В практических конструкциях гироскопов с кардановым подвесом ротор обычно совмещен с вращающим его двигателем, образуя гиромотор. В гироскопах наибольшее применение нашли 
электрические двигатели. Ротор двигателя является ротором гироскопа, а его корпус (кожух), снабженный полуосями (цапфами), 
служит внутренней рамкой подвеса. 
Точность гироскопического прибора, его масса, габариты, ресурс, надежность, а также стоимость во многом зависят от вида 
двигателя гироскопа, положенного в основу прибора, и опор оси 
ротора. Наиболее широко используются электрические двигатели 
гироскопа с шарикоподшипниковым подвесом или газостатической опорой ротора, которые характеризуются сравнительной простотой конструкции, распространенными в приборостроении материалами, хорошей надежностью. 
Опоры осей рамок карданова подвеса должны обеспечивать 
свободу вращения гироскопа вокруг осей подвеса и осуществлять 
удерживающую связь между ротором и основанием, исключающую 
возможность смещения центра тяжести гироскопа вдоль оси подвеса. В идеале в опорах подвеса должны отсутствовать одновременно 
как силы трения, так осевые и радиальные люфты. Практика показала, что в наиболее полной мере данным требованиям отвечают 
прецизионные шариковые подшипники, вследствие чего они нашли 
широкое применение в гироскопах. 
В значительной степени в приборостроении используются двухстепенные гироскопы с кардановым подвесом, отличающиеся от 
трехстепенных тем, что их подвес содержит всего одну рамку. Характеристики механических гироскопов последовательно улучшались на протяжении десятилетий за счет совершенствования технологии изготовления и конструкции опор ротора гироскопа [11]. 
Основной характеристикой гироскопа является его кинетический момент Н, равный произведению момента инерции ротора I  
относительно оси собственного вращения и его собственной угловой скорости 
:
  

.
H
I

                                            (1.1) 

Гироскоп с тремя степенями свободы сохраняет неизменным 
направление оси собственного вращения в абсолютном пространстве, если вдоль осей его подвеса не действуют моменты внешних 
сил. 

1. Анализ особенностей работы и построения гироскопов… 

Если к какой-либо оси карданова подвеса гироскопа приложен 
момент внешних сил 
в,
M
 то начинается специфическое движение 
гироскопа — прецессия, при которой вектор кинетического момента гироскопа H  будет совмещаться c вектором момента внешних сил 
в
M  по кратчайшему пути. 
Наличие прецессии вызывает появление гироскопического момента [12, 13] 

г
cos ,
M
H


                                       (1.2) 

где   — угловая скорость прецессии;   — угол отклонения внутренней рамки относительно наружной. 
Этот момент равен моменту внешних сил, вызывающему прецессию гироскопа, и направлен противоположно ему, т. е. 

в
г.
M
M

                                         (1.3) 

Таким образом, приложение внешнего момента обусловливает 
прецессию гироскопа вокруг оси, перпендикулярной вектору момента внешних сил, но не поворот гироскопа вокруг оси приложения этого момента. 
Угловая скорость прецессии 

в
.
cos
M
H
 
                                       (1.4) 

Если угол   мал, можно считать, что 

в .
M
H
 
                                        (1.5) 

Из выражения (1.5) следует, чем больше кинетический момент, 
т. е. чем больше угловая скорость собственного вращения гироскопа 
и момент инерции ротора относительно оси собственного вращения, 
тем меньше угловая скорость прецессии — тем медленнее будет отклоняться от своего первоначального положения гироскоп. 
Кроме прецессионного движения, существует движение по 
инерции вокруг осей карданова подвеса — нутационное движение, 
которое представляет собой колебания оси гироскопа, происходящие с большой частотой и малой амплитудой. Нутационные колебания быстро затухают вследствие наличия трения в осях карданова подвеса и трения о воздух.