Способ и система компенсации дрейфа твердотельного волнового гироскопа

Авторы патента:

G01C19/00 - Гироскопы; поворотно-чувствительные устройства с колеблющимися массами; Поворотно-чувствительные устройства без движущихся масс

Владельцы патента RU 2619815:

Акционерное общество "Ижевский электромеханический завод "Купол" (RU)

Изобретение относится к твердотельным волновым гироскопам (ТВГ), работающим в режиме датчика углового положения. Способ компенсации дрейфа ТВГ включает предварительное определение математических параметров модели температурной скорости дрейфа ТВГ, определение углового положения волны резонатора в рабочем режиме и алгоритмическую компенсацию его температурной скорости дрейфа в соответствии с этой моделью, рассчитывают значения производной частоты резонатора, при этом модель дрейфа использует значения углового положения волны, частоту резонатора и производную частоты и рассчитывается в виде функции

где A_k, B_k - полиномы степени N по члену f и степени M по члену g; θ - значение углового положения волны; - резонансная частота твердотельного волнового гироскопа; g - значение производной резонансной частоты; N - максимальная степень в функциональной зависимости величины дрейфа от частоты; M - максимальная степень в функциональной зависимости величины дрейфа от производной частоты; K - количество гармоник в функциональной зависимости дрейфа от угла; параметры a_k,i,j, b_k,i,j находят для конкретного прибора путем проведения съемов значений электрического угла θ, скорости изменения электрического угла, резонансной частоты производной резонансной частоты g для различных температур и скоростей изменения температур на неподвижном основании. Технический результат – повышение точности компенсации дрейфа ТВГ. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к твердотельным волновым гироскопам, работающим в режиме датчика углового положения. Твердотельный волновой гироскоп (ТВГ) измеряет угол поворота. Выходной сигнал ТВГ содержит систематическую погрешность - дрейф. Дрейф - собственная скорость прецессии волны в резонаторе ТВГ. Дрейф зависит от углового положения волновой картины в резонаторе, от температуры резонатора, от температурного градиента в резонаторе. Температура резонатора характеризуется его частотой. Температурный градиент характеризуется изменением частоты резонатора. Для компенсации дрейфа в выходном сигнале ТВГ используется система компенсации дрейфа.

Известны способы моделирования дрейфа твердотельного волнового гироскопа для их последующей компенсации в работающем приборе.

Способ компенсации погрешностей в показаниях твердотельного волнового гироскопа (см. книгу Н.Е. Егармин «Погрешности волнового твердотельного гироскопа», Москва, Институт проблем механики АН СССР, препринт №391,1989 г., 23 с.):

где θ' - эволюция волновой картины колебаний резонатора волнового твердотельного гироскопа при неподвижном основании, k_n,i, θ_n,i - параметры, зависящие от времени и отражающие специфику того или иного механизма дрейфа, n - натуральное число. В данном способе модель дрейфа учитывает в явном виде зависимость от углового положения волны, другие факторы дрейфа не уточняются.

Известен способ алгоритмической компенсации температурной скорости дрейфа твердотельного волнового гироскопа (патент РФ №2480713, опубл. 27.04.2013). В данном способе компенсации модель дрейфа представляется:

где υ - угол волны резонатора;

Θ_р - температура резонатора;

ω₀₁ - постоянная составляющая дрейфа в первом цикле измерений;

ω_m - амплитуда переменной составляющей дрейфа;

ϕ₁ - начальный фазовый угол переменной составляющей дрейфа;

k - номер гармоники;

δω₀=ω₀₈-ω₀₁ - разность постоянных составляющих дрейфа в восьмом и первом циклах измерений;

δω(υ)=δω_m sink(υ+ϕ₂);

δω_m - амплитуда зависимости конечного температурного изменения переменной составляющей дрейфа от угла волны резонатора;

ϕ₂ - начальный фазовый угол зависимости температурного изменения переменной составляющей дрейфа от угла волны резонатора;

- текущее значение частоты резонатора;

- частота резонатора в первом цикле измерений на угле волны резонатора минус 90°;

- установившаяся частота резонатора в восьмом цикле измерений на угле волны резонатора минус 90°.

Недостатками известной модели являются использование только одной гармоники зависимости дрейфа от углового положения волны; представление зависимости дрейфа от частоты в виде линейной функции; не учитывается зависимость дрейфа от скорости изменения температуры.

Задачей заявляемого изобретения является повышение точности компенсации дрейфа ТВГ.

Указанный технический результат достигается тем, что способ компенсации дрейфа ТВГ включает предварительное определение математических параметров модели температурной скорости дрейфа твердотельного волнового гироскопа, определение углового положения волны резонатора в рабочем режиме и алгоритмическую компенсацию его температурной скорости дрейфа в соответствии с этой моделью, рассчитывают значения производной частоты резонатора, при этом модель дрейфа использует значения углового положения волны, частоту резонатора и производную частоты и рассчитывается в виде функции

где A_k, B_k - полиномы степени N по члену f и степени M по члену g;

θ - значение углового положения волны;

- резонансная частота твердотельного волнового гироскопа;

g - значение производной резонансной частоты;

N - максимальная степень в функциональной зависимости величины дрейфа от частоты;

M - максимальная степень в функциональной зависимости величины дрейфа от производной частоты;

K - количество гармоник в функциональной зависимости дрейфа от угла,

параметры a_k,i,j, b_k,i,j находят для конкретного прибора путем проведения съемов значений электрического угла θ, скорости изменения электрического угла, резонансной частоты производной резонансной частоты g для различных температур и скоростей изменения температур на неподвижном основании.

Система компенсации дрейфа ТВГ содержит резонатор, соединенный с блоком обработки сигналов, формирующий значение углового положения волны в резонаторе, блок фазовой подстройки частоты резонатора, формирующий значение частоты резонатора, соединенный с блоком обработки сигналов. Выход блока фазовой подстройки частоты резонатора соединен с цифровым дифференцирующим фильтром и блоком расчета значения дрейфа, выход цифрового дифференцирующего фильтра соединен с блоком расчета значения дрейфа, выход которого соединен с блоком компенсации дрейфа, который также соединен с блоком обработки сигналов.

Изобретение поясняется структурной схемой.

Система компенсации дрейфа ТВГ содержит резонатор, блок обработки сигналов ТВГ 1, соединенный с блоком фазовой подстройки частоты 2 резонатора ТВГ, блоком 3 расчета значения дрейфа D и блоком компенсации дрейфа 4. Блок расчета значения дрейфа 3 соединен с блоком фазовой подстройки частоты 2 через цифровой дифференцирующий фильтр 5. Выход блока 3 соединен с блоком компенсации дрейфа 4.

Блок фазовой подстройки частоты 2 резонатора ТВГ определяет текущее значение частоты резонатора . Цифровой дифференцирующий фильтр 5 рассчитывает производную g частоты резонатора ТВГ. Блок обработки сигналов 1 формирует текущее значение углового положения волны θ. Блок 3 рассчитывает значения дрейфа D по значениям текущего углового положения волны θ, текущей частоты текущему значению производной частоты g и хранящихся в памяти параметров модели дрейфа ТВГ для данного изделия.

Блок компенсации дрейфа 4 выходного сигнала ТВГ формирует уточненное значение углового положения волны.

Способ компенсации дрейфа реализуют следующим образом.

ТВГ может работать в широком диапазоне температур. Точность прибора определяется дрейфом волны в резонаторе. В установившемся тепловом режиме дрейф ТВГ будет описываться суммой гармонических функций. При изменении температуры резонатора амплитуды гармонических функций в представлении дрейфа будут меняться, при этом зависимость может иметь нелинейный закон.

В частности дрейф ТВГ зависит от добротности резонатора, которая в свою очередь имеет нелинейную зависимость от температуры. Частота резонатора монотонно и почти линейно зависит от температуры. Поэтому модель дрейфа эффективнее представлять через зависимости от резонансной частоты, так как частоту можно получить из блока фазовой автоподстройки частоты, а для получения температуры потребуется дополнительный датчик.

Также амплитуды гармонических функций в представлении дрейфа проявляют зависимость от скорости изменения температуры. В частности, это связано с тем, что дрейф зависит от сил реакции в месте крепления резонатора, которые меняются с изменением температуры. Температура в месте крепления резонатора и в самом резонаторе будет отличаться тем сильнее, чем больше температурный градиент. Для получения большей точности компенсации дрейфа в модели необходимо учесть температурный градиент. Температурный градиент пропорционален скорости изменения частоты резонатора.

Резонансная частота характеризует температурные изменения в резонаторе. Производная резонансной частоты g характеризует температурный градиент в резонаторе. Текущие значение θ, g подаются в блок расчета 3 значения дрейфа волны, использующего модель дрейфа в виде функции трех переменных. Значение дрейфа используется в блоке 4 компенсации дрейфа, на выходе которого появляется уточненное значение измеренного угла поворота.

Модель дрейфа D представляет собой функцию

где A_k, B_k - полиномы степени N по члену и степени M по члену g;

θ - угол, выходное значение блока обработки сигналов;

- резонансная частота ТВГ;

g - значение производной резонансной частоты ТВГ;

N - максимальная степень в функциональной зависимости дрейфа от частоты;

M - максимальная степень в функциональной зависимости дрейфа от производной частоты;

K - количество гармоник в функциональной зависимости дрейфа от угла;

N, M, K - выбираются исходя из необходимой точности компенсации и ограничений на количество коэффициентов для хранения в памяти.

Параметры a_ij, b_ij - находятся для конкретного прибора путем проведения съемов значений электрического угла θ, скорости изменения электрического угла θ', частоты скорости изменения частоты g для различных температур и скоростей изменения температур на неподвижном основании. В зависимости от диапазона рабочих температур и требований на температурные градиенты выбирается план проведения съемов и степень многочлена. По полученным данным методом наименьших квадратов вычисляются параметры модели a_ij, b_ij.

Изобретение обеспечивает повышение точности компенсации дрейфа и соответственно точность выходного сигнала ТВГ в условиях быстрого изменения температуры внешней среды.

1. Способ компенсации дрейфа твердотельного волнового гироскопа, включающий предварительное определение математических параметров модели температурной скорости дрейфа твердотельного волнового гироскопа, определение углового положения волны резонатора в рабочем режиме и алгоритмическую компенсацию его температурной скорости дрейфа в соответствии с этой моделью, отличающийся тем, что определяют значения производной резонансной частоты, а модель дрейфа D рассчитывают по формуле

где A_k, В_k - полиномы степени N по члену f и степени М по члену g;

θ - значение углового положения волны;

- резонансная частота твердотельного волнового гироскопа; g - значение производной резонансной частоты;

N - максимальная степень в функциональной зависимости величины дрейфа от частоты;

М - максимальная степень в функциональной зависимости величины дрейфа от производной частоты;

K - количество гармоник в функциональной зависимости дрейфа от угла,

параметры а_k,i,j, b_k,j,j находят для конкретного прибора путем проведения съемов значений электрического угла θ, скорости изменения электрического угла, резонансной частоты , производной резонансной частоты g для различных температур и скоростей изменения температур на неподвижном основании.

2. Система компенсации дрейфа твердотельного волнового гироскопа содержит резонатор, соединенный с блоком обработки сигналов, формирующим значение углового положения волны в резонаторе, блок фазовой подстройки частоты резонатора, формирующий значение частоты резонатора, соединенный с блоком обработки сигналов, отличающаяся тем, что выход блока фазовой подстройки частоты резонатора соединен с цифровым дифференцирующим фильтром и блоком расчета значения дрейфа, выход цифрового дифференцирующего фильтра соединен с блоком расчета значения дрейфа, выход которого соединен с блоком компенсации дрейфа, который также соединен с блоком обработки сигналов.

Изобретение относится к трехосным гироскопам средней и повышенной точности, а конкретно к способу оценки их систематических погрешностей. Технический результат заключается в повышении точностных характеристик трехосного гироскопа за счет повышения достоверности оценки систематических погрешностей трехосного гироскопа, с одновременным уменьшением трудоемкости процесса измерений.

Способ автокомпенсации независящих от ускорения дрейфов гироскопического устройства // 2603767

Изобретение относится к области прецизионного приборостроения и может быть использовано при создании и эксплуатации навигационных систем на базе гироскопических устройств (ГУ).

Микромеханический датчик угловой скорости с цифровым выходом // 2602407

Изобретение относится к области приборостроения, в частности к измерительной технике, и предназначено для измерения угловой скорости, например, в системах управления, навигации, стабилизации и наведения.

Регулирующее устройство, датчик угловой скорости и способ эксплуатации регулирующего устройства с гармоническим сигналом номинального значения // 2599281

Изобретение относится к регулирующим устройствам. Заявлена группа изобретений, включающая регулирующее устройство, датчик угловой скорости, способ эксплуатации регулирующего устройства с гармонической задающей величиной.

Способ определения масштабных коэффициентов трехосного лазерного гироскопа // 2599182

Изобретение относится к области гироскопического приборостроения и предназначено для определения величин масштабных коэффициентов трехосных лазерных гироскопов (ТЛГ) с взаимно ортогональными осями чувствительности при проведении калибровки (паспортизации) бесплатформенных инерциальных навигационных систем, построенных на основе ТЛГ, или их составных частей.

Гирокомпас для орбитальных космических аппаратов // 2597018

Изобретение относится к области авиационно-космического приборостроения и может найти применение для пространственной угловой ориентации орбитальных космических аппаратов (КА), в которых применяются системы ориентирования, построенные по принципу орбитального гирокомпасирования.

Способ компенсации ошибок орбитального гирокомпаса // 2597017

Изобретение относится к области авиационно-космического приборостроения и может найти применение для повышения точности угловой ориентации орбитальных космических аппаратов (КА), в которых применяются системы ориентирования с использованием орбитальных гирокомпасов (ОГК).

Двухстепенной поплавковый гироскоп // 2594628

Изобретение относится к области прецизионного приборостроения и может быть использовано при разработке и производстве двухстепенных поплавковых гироскопов. Двухстепенной поплавковый гироскоп содержит корпус с двумя торцевыми крышками, цилиндрическую поплавковую гирокамеру, установленную в корпусе на камневых опорах, поддерживающую жидкость, заполняющую зазор между корпусом гироскопа и поплавковой гирокамерой, обмотку обогрева и обмотку термодатчика, размещенные на наружной цилиндрической поверхности корпуса, датчик угла, датчик момента, при этом внутри корпуса соосно с ним установлен цилиндр, на внутренней поверхности которого вдоль поплавковой камеры изолированно от корпуса установлены две идентичные системы из m электродов, где m=2(n+2), n=1,2 …, жестко связанных с цилиндром, геометрический центр поверхности плоской развертки одной системы электродов лежит по одну сторону от плоскости, перпендикулярной продольной оси гироскопа, делит цилиндрическую поверхность встроенного цилиндра на две равные части и симметричен геометрическому центру поверхности плоской развертки второй системы.

Способ демпфирования нутационных колебаний ротора гироскопа // 2591297

Изобретение относится к следящим системам (СС) с гироскопическим приводом в качестве исполнительного механизма (ИМ). Технический результат - обеспечение устойчивой работы СС.

Способ изготовления ротора электростатического гироскопа // 2586396

Изобретение относится к области прецизионного приборостроения и может быть использовано при производстве электростатических гироскопов. Способ изготовления ротора электростатического гироскопа содержит этапы, на которых: формируют из сплошной заготовки сферическую поверхность ротора, выполняют вдоль его диаметральной оси сквозное цилиндрическое отверстие, выполняют финишную обработку поверхности ротора, устанавливают ротор в корпусе гироскопа, выполняют обезгаживание ротора в корпусе, при этом вдоль диаметральной оси ротора, перпендикулярной к оси сквозного цилиндрического отверстия, выполняют второе сквозное цилиндрическое отверстие.

Способ управления индикаторной гироскопической платформой и устройство для его осуществления // 2622235

Изобретение относится к точному приборостроению, а именно к гироскопической технике, и может быть использовано в индикаторных гиростабилизаторах. Технический результат - выравнивание скоростей управления платформой. Для этого индикаторная гироскопическая платформа содержит электромеханическую часть, состоящую из гироскопа, дифференциальных датчиков угла первого и второго канала гироскопа, первого и второго датчиков момента первого канала гироскопа, первого и второго датчиков момента второго канала гироскопа, шунтирующих резисторов, датчиков угла платформы, двигателей стабилизации платформы, оси управления X и Y и электронную часть, состоящую из первого и второго усилителей управления платформой, первого и второго усилителей стабилизации платформы, диодов. Способ выравнивания скоростей управления платформой заключается в регулировке шунтирующими резисторами тока, протекающего в обмотках датчиков момента гироскопа, таким образом, чтобы моменты, создаваемые каждым датчиком момента гироскопа, и как следствие скорости управления платформой были одинаковы. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Гиростабилизатор оптических элементов // 2625643

Изобретение относится к гироскопической технике, а конкретно к двухосным гироскопическим стабилизаторам оптических элементов, работающим на подвижных объектах и предназначенным для стабилизации и управления оптическими элементами, и может найти применение в создании систем типа бинокль, перископ, лазерный дальномер. Заявленный гиростабилизатор оптических элементов, содержащий трехстепенной гироскоп, у которого во внешней рамке установлен гироузел, с которым кинематически шарнирно связан оптический элемент, и коррекционный двигатель, при этом оптический элемент представляет два зеркала, установленные во внешней рамке гироскопа симметрично относительно оси подвеса гироузла, а в кинематические шарнирные связи введены пружины, причем оси вращения зеркал параллельны оси подвеса гироузла, на котором с одной стороны в направлении оси ротора гиромотора установлена штанга с закрепленным на ее конце шарикоподшипнике, а на противоположном конце закреплена направляющая механического арретира, при этом шарикоподшипник штанги может перемещаться по направляющей бугеля, которая имеет П-образное сечение и средний радиус, равный длине штанги от центра подвеса гироузла до шарикоподшипника, при этом ось вращения бугеля находится в корпусе прибора и перпендикулярна оси подвеса внешней рамки. Технический результат состоит в увеличении угла обзора и угловых скоростей слежения с увеличением точности управления оптическими элементами с уменьшением массы и габаритов. 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

Микромеханический гироскоп rr-типа // 2626570

Изобретение относится к микромеханическим гироскопам (ММГ) вибрационного типа. Сущность изобретения заключается в том, что в ММГ с квадратурными электродами и источниками напряжения, соединенными с ними, введены последовательно сумматор и делитель, обеспечивающие компенсацию изменений зазора, и источники напряжения выполнены управляемыми, при этом вход их управления соединен с выходом делителя. Технический результат - повышение точности ММГ. 1 ил.

Двухстепенной поплавковый гироскоп // 2641018

Изобретение относится к области прецизионного приборостроения и может быть использовано при разработке и производстве двухстепенных поплавковых гироскопов. Сущность изобретения заключается в том, что электроды на внутренней поверхности цилиндра двухстепенного поплавкового гироскопа устанавливают таким образом, что плоскость симметрии i-той пары электродов в каждой системе, проходящая через продольную ось корпуса, составляет с плоскостью, проходящей через ось вращения ротора гиромотора и продольную ось корпуса, угол, равный α=180⋅(2i+1)/m, где m - количество электродов в одной системе, i=0, 1, 2… - порядковый номер плоскости симметрии пары электродов. Технический результат – уменьшение времени готовности гироскопа, расширение диапазона функционирования гироскопа без потери точности. 3 ил.

Способ построения астроинерциальной навигационной системы // 2641515

Изобретение относится к области приборостроения, а именно к высокоточным комплексным навигационным системам с использованием астроизмерений, и может найти применение в составе бортового оборудования авиационно-космических объектов. Технический результат - повышение точности астровизирования. Для этого осуществляют выбор звезды, доступной визированию в данной точке местоположения визирующего объекта в данный момент времени, вычисляют ее декартовые координаты в проекциях на оси сопровождающего трехгранника и углы наведения на нее телеблока, последующее визирование звезды с определением ее фактических координат, которые пересчитываются в ошибки корректируемой системы, при этом на этапе визирования звезды основание телеблока устанавливается в плоскости местного горизонта. Причем определенные в проекциях на оси сопровождающего трехгранника декартовы координаты звезды перепроектируются на оси базового приборного трехгранника перемножением вектора ее декартовых координат на транспонированную матрицу ориентации визирующего объекта, и по полученным декартовым координатам в проекциях на оси приборного трехгранника вычисляются углы наведения телеблока, которые используются в качестве целеуказания при визировании звезды. 5 ил.

Способ оптимизации времени включения кориолисова гироскопа и кориолисов гироскоп, подходящий для этого // 2644079

Предложен способ для определения факта выхода гироскопа на установившийся режим работы, позволяющий его использовать для достоверных измерений, и устройство для реализации данного способа. Заявленный способ оптимизации времени включения Кориолисова гироскопа заключается в том, что система масс указанного гироскопа приводится в состояние возбуждающих колебаний параллельно первой оси (х), причем отклонение системы масс в результате действия Кориолисовой силы вдоль второй оси (y), заданной перпендикулярно первой оси (х), проверяют с использованием выходного сигнала Кориолисова гироскопа, содержащего определение амплитуды (А) возбуждающих колебаний Кориолисова гироскопа в заданный момент времени, и генеририруют нормированный выходной сигнал (S0) от Кориолисова гироскопа путем умножения определенного выходного сигнала (S) на отношение амплитуды (А0) возбуждающих колебаний Кориолисова гироскопа в установившемся состоянии к определенной амплитуде (А), на основании которого судят о выходе гироскопа на установившийся режим работы, и тем самым оптимизируют процесс использования гироскопа с момента его включения. Указанный способ реализуется при помощи соответствующего устройства, включающего в себя специальные электронные блоки. Данная группа изобретений позволяет более оптимально использовать Кориолисов гироскоп, начиная с момента его включения. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 5 ил.

Устройство арретирования ротора электродвигателя-маховика в магнитном подвесе // 2645023

Изобретение относится к устройствам, осуществляющим арретирование ротора электродвигателя-маховика в магнитном подвесе и может быть использовано в космической технике. Устройство арретирования ротора электродвигателя-маховика в магнитном подвесе, содержит две конические опоры, по меньшей мере одна из которых подвижна с возможностью поворота вокруг своей оси при одновременном перемещении в осевом направлении, приводной двигатель арретирующего устройства, ротор которого установлен на подвижном элементе, кольцевой ограничитель радиальных и угловых перемещений вала ротора, который при контактном взаимодействии с валом вращающегося ротора в режиме снятого электропитания с электромагнитных опор и приводного двигателя арретирующего устройства перемещает подвижную опору в окружном и осевом направлениях до жесткого контакта вала подвижной опоры с валом ротора электродвигателя-маховика и валом второй опоры и последующего совместного вращения ротора и валов обеих опор. Каждая опора содержит двигатель вращения вала опоры, который при функционирующем магнитном подвесе и вращающемся роторе электродвигателя-маховика вращает вал опоры в направлении, совпадающем с направлением вращения ротора, так, что угловая скорость вращения вала опоры равна или близка к угловой скорости вращения вала ротора. Технический результат – повышение надежности и долговечности устройства арретирования. 6 ил.