научная статья по теме РАБОТЫ КАФЕДРЫ "ПРИБОРЫ УПРАВЛЕНИЯ" ТУЛЬСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА В ОБЛАСТИ МИКРОСИСТЕМНОЙ ТЕХНИКИ Энергетика

Текст научной статьи на тему «РАБОТЫ КАФЕДРЫ "ПРИБОРЫ УПРАВЛЕНИЯ" ТУЛЬСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА В ОБЛАСТИ МИКРОСИСТЕМНОЙ ТЕХНИКИ»

УДК 623.4.054.002.56

РАБОТЫ КАФЕДРЫ "ПРИБОРЫ УПРАВЛЕНИЯ" ТУЛЬСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА В ОБЛАСТИ МИКРОСИСТЕМНОЙ ТЕХНИКИ

В. Я. Распопов

На кафедре "Приборы управления" ТулГУ уже через год после ее образования, начиная с 1962 г., выполняются научно-технические разработки, ориентированные на создание малых серий и отдельных образцов приборов и систем различного назначения [1, 2]. В 1997 г. были начаты работы в области микросистемной техники (МСТ) или, что то же самое — в области микроэлектромеханических систем.

Первые работы кафедры в области МСТ, имевшие практическое значение, были связаны с математическим моделированием динамики чувствительного элемента (ЧЭ) маятникового акселерометра, выполненного из монокристаллического кремния [3—5]. Работа была инициирована ОАО "Темп-Авиа" (г. Арзамас), где была получена оценка адекватности результатов моделирования, использованных при расчете ЧЭ акселерометров серии АТ [6].

Интерес отечественных разработчиков оборонной техники в конце 1990-х гг. к МСТ носил достаточно сдержанный характер. Между тем, к этому времени появились публикации, прежде всего авторов из США, об использовании МСТ, в том числе микромеханических гироскопов (МГ) и микромеханических акселерометров (МА), в бортовой аппаратуре управляемых артиллерийских снарядов — летательных аппаратов (ЛА). Сдержанность в этом вопросе объяснялась, прежде всего, отсутствием МГ и МА отечественной разработки, удовлетворяющих

условиям их применения в бортовой аппаратуре управляемых ЛА.

По инициативе предприятий оборонного профиля кафедрой был выполнен цикл поисковых обзорно-аналитических работ, имевших целью определить возможные варианты использования МСТ на борту ЛА и состояние отечественных разработок в этом направлении [7].

С началом XXI века ситуация с разработкой отечественных МГ и МА, обладающих приемлемыми для некоторых применений техническими характеристиками, стала меняться в лучшую сторону. Здесь следует пояснить, что микромеханическим датчиком (МГ, МА и др.) является изделие, в котором ЧЭ, воспринимающий изменение измеряемой физической величины, выполнен на одном кристалле в едином технологическом цикле вместе с сервисной электроникой, обслуживающей работу ЧЭ. Следует признать, что в настоящее время ни одна организация в РФ не располагает комплексом технологического оборудования, на котором можно было бы производить изделия МСТ, сопоставимые по техническим характеристикам с аналогичными изделиями, выпускаемыми иностранными фирмами "Analoge Devices", "Motorola", "Murata" и др. Тем не менее, ведущие разработчики МСТ в РФ, имеющие опыт работы в области электронных технологий, такие как ОАО "Гирооптика", ФГУП ЦНИИ "Электроприбор", ОАО Рамен-

ское ПКБ, ФГУП НИИ физических измерений (Пенза) и другие, заявили о создании МГ, МА и микромеханических датчиков давления, характеристики которых приближаются к характеристикам аналогичных иностранных изделий МСТ. Следует заметить, что отечественные разработки МГ и МА могут найти применение скорее в изделиях оборонной техники, чем в коммерческой продукции бытового назначения, включая и автомобильный транспорт. Причина в том, что коммерческий сектор рынка давно и прочно занят иностранными фирмами, соперничать с которыми по критерию "цена—качество" отечественные изделия МСТ в обозримом будущем вряд ли смогут. В изделиях же оборонной техники существуют ограничения по применению импортной элементной базы. Поэтому разработка импортозамещающей микросистемной техники в интересах обороны имеет явный приоритет.

С появлением отечественных образцов МГ и МА возникает проблема адаптации этих приборов для решения задач управления ЛА, оснащенных в настоящее время бортовыми ги-роприборами и акселерометрами традиционного исполнения. Имея в виду богатый опыт кафедры в области создания теории, методов проектирования бортовых гироприборов, выполненных на базе классической схемы трехстепенного гироскопа с быстровращающимся ротором, а также в разработке собс-

твенно бортовых гироприборов, на кафедре по инициативе ФГУП ЦНИИ "Электроприбор" была исследована возможность решения одной из задач управления на борту вращающегося по крену ЛА с применением МГ разработки ЦНИИ "Электроприбор".

Некоторые результаты теоретического исследования альтернативных (на базе МГ и МА) систем управления вращающимися ЛА были изложены в докладе на заседании выездной сессии академии навигации и управления движением (АНУД) в Туле (9, 10 ноября 2006 г.).

Микросистемная элементная база является весьма привлекательной в силу своей доступности из-за небольшой стоимости, но требует привлечения серьезных схемотехнических и алгоритмических решений, компенсирующих ее невысокие точностные характеристики, а также нестабильность, зависящую от многих факторов.

Указанные отрицательные качества микроэлементной базы учитывались при разработке микросистемной авионики для малоразмерного (массой до 6 кг) беспилотного ЛА (БПЛА) [6, 7], создаваемой на концептуальной основе и явившейся одним из результатов совместной с ФГУП ОКБ "Электроавтоматика" работы в области обработки информационных потоков в системах авионики.

Микросистемный модуль авионики малоразмерного беспилотного летательного аппарата

Системы ориентации на основе микросистемных технологий:

а — инерциальный измерительный модуль; б — магнитный измерительный модуль

Микросистемная авионика беспилотного ЛА имеет три электронных модуля — "Пилот", "Штурман", "Радист", которые объединены в систему, работающую по алгоритмам, реализующим выполнение функций пилота, штурмана и радиста так, как если бы они находились на борту БПЛА. Ядром модуля "Пилот" является инерциаль-ный измерительный модуль, выполненный на трех МГ и трех МА фирмы "Analoge Devices". Применение Калмановской фильтрации позволило алгоритмически учесть систематические составляющие дрейфов МГ, которые все же настолько велики, что не допускают автономную навигацию в течение приемлемого времени, вследствие чего требуется спутниковая коррекция. Модуль "Штурман" осуществляет текущую коррекцию параметров маршрута полета в соответствии с цифровой картой местности, располагае-

мой в памяти модуля. Модуль снабжен микросистемными датчиками высоты, воздушной скорости полета и термометром, показания которых используются при расчете высоты и скорости полета. Модуль "Радист" осуществляет прием и обработку спутниковой информации о местоположении БПЛА, а также связь с наземной станцией управления.

Более чем десятилетний опыт работы по созданию датчиков уровня с различными чувствительными элементами (физический маятник, акселерометр типа АТ-1103) для систем управления путевых железнодорожных машин позволил разработать недорогой миниатюрный датчик уровня, в котором роль чувствительного элемента выполняет микромеханический акселерометр. Всесторонние лабораторные испытания подтвердили ожидаемые технические характеристики датчика уровня.

Отечественные и иностранные публикации, посвященные различным вопросам теории, расчета и испытаний микромеханических гироскопов и акселерометров, по своему содержанию и результатам в целом равнозначны. Заметны два достаточно традиционных различия: в отечественных публикациях присутствует, как правило, более развитая аналитическая составляющая, а в иностранных —

Датчик уровня для путевых железнодорожных и строительных машин ИИУ-МЧ с микромеханическим акселерометром в качестве чувствительного элемента

68

Sensors & Systems • № 7.2007

практически всегда имеются ссылки на экспериментальные результаты и широко используются программные средства исследований.

К концу 1990-х гг. в ряде высших учебных заведений (МГТУ им. Н. Э. Баумана, МАИ, СПбГУАП, ТулГУ и др.) была осознана необходимость ввести, по крайней мере, в специальные дисциплины, изучение технологий МСТ (МЭМС). Отвечая потребностям времени, на кафедре "Приборы управления" в 2002 г. было подготовлено учебное пособие "Микромеханические приборы" (автор В. Я. Распопов) [10], которое оказалось востребованным не только учебными заведениями, но и организациями, занимающимися проблемами МСТ. В 2004 г. было подготовлено и издательством "Машиностроение" выпущено второе издание этого пособия. В нем изложены вопросы конструкции, технологии изготовления, теории и расчета микромеханических акселерометров, датчиков давления и гироскопов.

Редакция журнала "Датчики и системы", начиная с 2005 г., в разделе "Образовательный цикл" начала публикацию журнального варианта лекций по микроэлектромеханическим системам (к настоящему времени опубликовано 12 из 24 лекций) [11], прочитанных автором в МАТИ им. К. Э. Циолковского.

На кафедре "Приборы управления" реализован учебно-лабораторный комплекс, где проводятся как расчетные работы на персональных компьютерах (виртуальные лабораторные работы), так и лабораторные работы, выполняемые на стендах с реальными образцами микроприборов и микросистем. Лабораторные работы включают в себя исследование: микромеханических акселерометров серии ADXL фирмы "Analog Devices" и серии ММА фирмы "Motorola"; микромеханических гироскопов серии ADXRS фирмы "Analog Devices"; малогабаритной системы ориентации магнитного типа; малогабаритной бесплатформенной системы ориентации.

Учебно-лабораторный комплекс представляет интерес не только для студентов, но и для инженеров, которые по роду своей служебной деятельности привлекаются к разработке МСТ (МЭМС). В течение 20052006 гг. на кафедре прошли обучение по теории и расчету микромеханических приборов навигации две группы инженеров из РФЯЦ им. акад. Забабахина.

В заключение следует отметить, что МСТ (МЭМС) - замечательный объект для исследования, интегрирующий знания из области специальных технологий, механики, электроники, вычислительной техники и др. Можно надеяться, что усилия отечественных разработчиков в

обозримом будущем приведут к созданию достойных образцов МСТ. Коллектив кафедры "Приборы управления" ТулГУ будет активно принимать участие в этом процессе.

ЛИТЕРАТУРА

1. Распопов В. Я. Научно-технические разработки кафедры "Приборы управления" ТулГУ // Датчики и системы. - 2001.

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком