Трехкомпонентный измеритель угловой скорости

 

Изобретение относится к измерительной технике. Технический результат - уменьшение погрешностей, вызванных эффектом некоммутативности конечных поворотов. Измеритель содержит три гироскопических датчика угловой скорости с взаимно перпендикулярными измерительными осями, три двухвходовых умножителя, три двухвходовых сумматора. В измеритель введены два интегратора, входы которых соединены с выходами первого и третьего датчиков угловой скорости. Выход первого интегратора соединен с входами второго и третьего умножителей, а выход второго интегратора соединен с входом первого умножителя. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться в системах ориентации.

Известны трехкомпонентные измерители угловой скорости, содержащие три однокомпонентных гироскопических датчика угловой скорости и блок электроники, вырабатывающий корректирующие сигналы, связанные с наличием методической погрешности от вращательного движения основания относительно оси, перпендикулярной к оси чувствительности и к оси подвеса гидроузла, и вычисляющий величину каждой составляющей вектора угловой скорости (Патент России 2140088, МПК⁶ G 01 Р 9/02, опуб. БИ 29, 20.10.99).

Однако такие устройства не учитывают влияние погрешности обусловленной эффектом некоммутативности конечных поворотов.

Погрешность, обусловленная эффектом некоммутативности конечных поворотов, возникает при коническом движении измерительной оси гироскопа относительно инерциального пространства, являющемся следствием колебаний объекта относительно двух взаимно перпендикулярных осей начальному положению измерительной оси. Для определения этих погрешностей можно воспользоваться теоремой о некоммутативности конечных вращений твердого тела [Ишлинский Ю.А. Механика специальных гироскопических систем. М.: Наука , 1976, с. 185-197].

Погрешность гироскопического датчика угловой скорости 2 (см. чертеж), обусловленная эффектом некоммутативности конечных поворотов, при колебаниях основания относительно осей ОХ и OZ по законам γ = γ_asin(νt), Θ = Θ_asin(νt+μ), где γ_a,Θ_a - амплитуды угловых колебаний; ν - круговая частота колебаний; μ - сдвиг фаз между колебаниями, будет проявляться в том, что гироскопический датчик угловой скорости 2 будет реагировать на проекцию угловой скорости колебания основания относительно оси OZ на измерительную ось гироскопического датчика угловой скорости 2, которая имеет постоянную составляющую [Гироскопические системы. Гироскопические приборы и системы: Учеб. для вузов по спец. "Гироскоп. Приборы и устройства"/Д. С. Пельпор, И.А. Михалев, В.А. Бауман и др. Под ред. Д.С. Пельпора . - 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. шк., 1988. - С. 88.]: Таким образом, хотя основание гироскопического датчика угловой скорости не будет иметь разворота вокруг измерительной оси, в показаниях гироскопического датчика угловой скорости будет содержаться сигнал, соответствующий постоянной угловой скорости Δ.

Учитывая, что угловые скорости γ = ω_x = γ_aνcos(νt), Θ = ω_z = Θ_aνcos(νt+μ), выражения для угловой скорости Δ можно записать в виде: или

где ω_xa = γ_aν, ω_za = Θ_aν - амплитудное значение угловой скорости колебаний основания.

Следовательно, для устранения указанной погрешности из показаний гироскопического датчика угловой скорости 2 нужно вычесть сигнал пропорциональный угловой скорости Δ. В соответствии с формулой (*) для того, чтобы вычислить сигнал пропорциональный угловой скорости Δ, необходимо перемножить сигнал, пропорциональный одной второй угловой скорости ω_x с гироскопического датчика угловой скорости 1, и сигнал, пропорциональный интегралу от угловой скорости ω_z с гироскопического датчика угловой скорости 3 . Аналогично - и для двух других гироскопических датчиков угловой скорости.

Задачей настоящего изобретения является уменьшение погрешностей трехкомпонентного измерителя угловой скорости, вызванных эффектом некоммутативности конечных поворотов. Это позволит измерять угловые скорости, не содержащие составляющих, обусловленных эффектом некоммутативности конечных поворотов.

Указанная задача достигается тем, что в измеритель, содержащий первый, второй и третий гироскопические датчики угловой скорости с взаимно перпендикулярными измерительными осями, первый, второй и третий двухвходовые умножители, первый, второй и третий двухвходовые сумматоры; при этом первый вход первого сумматора соединен с выходом первого гироскопического датчика угловой скорости, первый вход второго сумматора соединен с выходом второго гироскопического датчика угловой скорости, первый вход третьего сумматора соединен с выходом третьего гироскопического датчика угловой скорости, на второй вход первого сумматора поступает сигнал с первого умножителя, на второй вход второго сумматора поступает сигнал с третьего умножителя, на второй вход третьего сумматора поступает сигнал со второго умножителя, при этом вторые входы первого и второго умножителей соединены с выходом второго гироскопического датчика угловой скорости, а второй вход третьего умножителя соединен с выходом третьего гироскопического датчика угловой скорости, введены первый и второй интеграторы, вход первого из которых соединен с выходом первого гироскопического датчика угловой скорости, а вход второго интегратора соединен с выходом третьего гироскопического датчика угловой скорости, при этом выход первого интегратора соединен с первыми входами второго и третьего умножителей, а выход второго интегратора соединен с первым входом первого умножителя.

На чертеже приведен пример конструктивной схемы трехкомпонентного измерителя угловой скорости.

Он состоит из трех каналов. По каждому из каналов установлены: 1, 2 и 3 - гироскопический датчик угловой скорости; 6, 7 и 8 - двухвходовый умножитель; 9, 10 и 11 - двухвходовый сумматор. По двум каналам установлены интеграторы 4, 5.

Выходы гироскопических датчиков угловой скорости 1 и 3 соединены с входами 12 и 13 интеграторов 4 и 5 соответственно. Выход интегратора 5 соединен с первым входом 17 умножителя 6. Выход интегратора 4 соединен с входами 15 и 16 умножителей 8 и 7. Вход 17 умножителя 6 соединен с выходом гироскопического датчика угловой скорости 2. Входы 18 и 19 умножителей 8 и 7 соединены с выходами гироскопических датчиков угловой скорости 2 и 3 соответственно. Входы 20, 21 и 22 сумматоров 9, 10 и 11 соединены с выходом соответствующих датчиков угловой скорости 1, 2 и 3 соответственно. Выходы умножителей 6, 7 и 8 соединены с входами 23, 24 и 25 сумматоров 9, 10 и 11 соответственно.

Трехкомпонентный измеритель угловой скорости работает следующим образом. Сигналы с гироскопических датчиков угловой скорости 1 и 3, пропорциональные проекции абсолютной угловой скорости основания на ось ОХ и OZ, поступают на входы 12 и 13 интеграторов 4 и 5. С выхода интегратора 4 сигнал поступает на входы 15 и 16 умножителей 8 и 7. На входы 17 и 18 умножителей 6 и 8 поступают сигналы с выхода гироскопического датчика угловой скорости 2. На вход 19 умножителя 7 поступает сигнал с выхода гироскопического датчика угловой скорости 3. Сигнал с выхода интегратора 5 поступает на вход 14 умножителя 6. На вход 19 умножителя 7 поступает сигнал с гироскопического датчика угловой скорости 2. Сигналы с выходов умножителей 6, 7, 8 поступают на входы 23, 24, 25 сумматоров 9, 10 и 11 соответственно. На входы 20, 21, 22 сумматоров 9, 10, 11 поступают выходные сигналы с гироскопических датчиков угловой скорости 1, 2, 3. На выходах сумматоров 9, 10 и 11 получим соответственно три сигнала U(ω_x),U(ω_y) и U(ω_z), пропорциональных проекциям вектора абсолютной угловой скорости основания на оси OX, OY, OZ.

где U(ω_x),U(ω_y) и U(ω_z) - выходные сигналы сумматоров 9, 10, 11 соответственно;
Uʹ(ω_x),U'(ω_y),Uʹ(ω_z) - выходные сигналы гироскопических датчиков угловой скорости 1, 2 и 3 соответственно;
- выходные сигналы интеграторов 4 и 5 соответственно.

Здесь каждое уравнение определяет одну компоненту абсолютной угловой скорости основания.

Проведенное моделирование показало, что при использовании данной конструктивной схемы трехмерного измерителя угловой скорости погрешности, обусловленные эффектом некоммутативности конечных поворотов, уменьшаются на порядок.

Таким образом, использование изобретения позволяет измерять угловые скорости, не содержащие составляющих, обусловленных эффектом некоммутативности конечных поворотов.

Формула изобретения

Трехкомпонентный измеритель угловой скорости, содержащий первый, второй и третий гироскопические датчики угловой скорости с взаимно перпендикулярными измерительными осями, первый, второй и третий двухвходовые умножители, первый, второй и третий двухвходовые сумматоры, при этом первый вход первого сумматора соединен с выходом первого гироскопического датчика угловой скорости, первый вход второго сумматора соединен с выходом второго гироскопического датчика угловой скорости, первый вход третьего сумматора соединен с выходом третьего гироскопического датчика угловой скорости, на второй вход первого сумматора поступает сигнал с первого умножителя, на второй вход второго сумматора поступает сигнал с третьего умножителя, на второй вход третьего сумматора поступает сигнал со второго умножителя, при этом вторые входы первого и второго умножителей соединены с выходом второго гироскопического датчика угловой скорости, а второй вход третьего умножителя соединен с выходом третьего гироскопического датчика угловой скорости, отличающийся тем, что в него введены первый и второй интеграторы, вход первого из которых соединен с выходом первого гироскопического датчика угловой скорости, а вход второго интегратора соединен с выходом третьего гироскопического датчика угловой скорости, при этом выход первого интегратора соединен с первыми входами второго и третьего умножителей, а выход второго интегратора соединен с первым входом первого умножителя.

РИСУНКИ

Рисунок 1