Способ определения угловой скорости с использованием волнового твердотельного гироскопа

Изобретение относится к области точного приборостроения и может быть использовано при создании датчиков угловой скорости на основе волнового твердотельного гироскопа (ВТГ). Способ определения угловой скорости с использованием ВТГ заключается в том, что после измерения чувствительными элементами ВТГ деформации кромки резонатора путем сдвига полученного сигнала измерения на π/2 формируется дополнительный сигнал, на основе измерения которого и с учетом уравнения движения кромки резонатора ВТГ в режиме чувствительности реализуется интегрируемая далее система дифференциальных уравнений оценки параметров движения кромки резонатора ВТГ в виде линейного фильтра Калмана, в котором в качестве наблюдателя вектора состояния используются сигнал измерения деформации кромки резонатора ВТГ и сигнал, полученный масштабированием измерения дополнительного сигнала с коэффициентом, равным частоте ускорения, обусловленного действием элементов возбуждения резонатора ВТГ. Выходом линейного фильтра Калмана является оптимальная в среднеквадратическом оценка амплитуды деформации кромки резонатора ВТГ, пропорциональная угловой скорости основания ВТГ и масштабируемая для ее определения в дискретные моменты времени с последующим формированием искомого значения угловой скорости как результата усреднения промасштабированных значений оценки амплитуды деформации кромки резонатора ВТГ. Технический результат – повышение точности определения угловой скорости объекта с использованием ВТГ для навигационных систем. 1 ил.

 

Изобретение относится к области точного приборостроения и может быть использовано при создании датчиков угловой скорости на основе волнового твердотельного гироскопа (ВТГ).

Известны способы повышения точности определения угловой скорости с использованием ВТГ на основе определения и последующей алгоритмической компенсации дрейфа ВТГ, заданного детерминированной математической моделью [Патент РФ №2480713 от 27.04.2013; Патент РФ №2619815 от 18.05.2017], или нелинейных искажений выходного сигнала ВТГ, описываемых сложной нелинейной детерминированной математической моделью [Патент РФ №2544308 от 20.05.2015]. Недостатком данных способов является сложность их аппаратной реализации и невозможность учета случайного характера дрейфа ВТГ.

Известны способы определения угловой скорости с использованием ВТГ на основе предварительного определения синфазных и квадратурных составляющих выходного сигнала ВТГ [Патент РФ №2526585 от 27.01.2014; Распопов В.Я. и др. Волновой твердотельный гироскоп с металлическим резонатором. Тула: Изд-во Тульского госуниверситета, 2018. - 189 с. - стр. 137] с использованием при вычислении их амплитуд сложных вычислительных алгоритмов в предположении статического характера ошибки измерения. Недостатком данных способов является сложность их вычислительной и аппаратной реализации и невозможность учета динамического широкополосного характера дрейфа ВТГ.

Наиболее близким по вычислительной и аппаратной реализации к предложенному способу является способ определения угловой скорости с использованием ВТГ, заключающийся в том, что после измерения чувствительными элементами ВТГ деформации кромки резонатора путем сдвига полученного сигнала измерения на π/2 формируется дополнительный сигнал, на основе измерения которого и с учетом уравнения движения кромки резонатора ВТГ в режиме чувствительности реализуется интегрируемая далее система дифференциальных уравнений оценки параметров движения кромки резонатора ВТГ в виде линейного фильтра Калмана, в котором в качестве наблюдателя вектора состояния используется сигнал измерения деформации кромки резонатора ВТГ, а выходом линейного фильтра Калмана является оптимальная в среднеквадратическом оценка амплитуды деформации кромки резонатора ВТГ, пропорциональная угловой скорости основания ВТГ и масштабируемая для ее определения в дискретные моменты времени с последующим формированием искомого значения угловой скорости как результата усреднения промасштабированных значений оценки амплитуды деформации кромки резонатора ВТГ [Патент №2729944 от 12.04.2019]. Недостатком данного способа является отсутствие использования измерения скорости изменения деформации кромки резонатора ВТГ при формировании оценки ее амплитуды на основе линейного фильтра Калмана, что снижает точность оценивания параметров деформации кромки резонатора ВТГ и, следовательно, точность определения угловой скорости объекта.

Заявленное изобретение направлено на решение задачи повышения точности определения угловой скорости объекта с использованием ВТГ. Поставленная задача возникает при разработке датчиков угловой скорости на основе ВТГ для навигационных систем.

Для обеспечения высокой точности определения угловой скорости объекта с использованием ВТГ предлагается способ, заключающийся в том, что после измерения чувствительными элементами ВТГ деформации кромки резонатора путем сдвига полученного сигнала измерения на π/2 формируется дополнительный сигнал, на основе измерения которого и с учетом уравнения движения кромки резонатора ВТГ в режиме чувствительности реализуется интегрируемая далее система дифференциальных уравнений оценки параметров движения кромки резонатора ВТГ в виде линейного фильтра Калмана, в котором в качестве наблюдателя вектора состояния используются сигнал измерения деформации кромки резонатора ВТГ и сигнал, полученный масштабированием измерения дополнительного сигнала с коэффициентом, равным частоте ускорения, обусловленного действием элементов возбуждения резонатора ВТГ, а выходом линейного фильтра Калмана является оптимальная в среднеквадратическом оценка амплитуды деформации кромки резонатора ВТГ, пропорциональная угловой скорости основания ВТГ и масштабируемая для ее определения в дискретные моменты времени с последующим формированием искомого значения угловой скорости как результата усреднения промасштабированных значений оценки амплитуды деформации кромки резонатора ВТГ.

Сущность способа состоит в следующем. Оценка амплитуды деформации кромки резонатора ВТГ х0 и скорости ее изменения x1 производится на основе системы уравнений, представленных в векторной форме Ланжевена [Распопов В.Я. и др. Волновой твердотельный гироскоп с металлическим резонатором. Тула: Изд-во Тульского госуниверситета, 2018. - 189 с. - стр. 177; Патент №2729944 от 12.04.2019]:

ω - собственная частота резонатора, соответствующая второй форме колебаний, Q - добротность резонатора, - белый гауссовский шум с нулевым средним и известной интенсивностью DW1, Ω - угловая скорость основания, К - коэффициент Брайана (для второй формы колебаний равный 0,4), - амплитуда и частота ускорения, обусловленного действием элементов возбуждения.

В способе, предложенном в [Патент №2729944 от 12.04.2019], для оценки переменных х0 и x1 в качестве сигнала наблюдения вектора используется только измерительный сигнал, снимаемый с выхода чувствительного элемента ВТГ:

W - белый гауссовский шум с нулевым средним и известной интенсивностью DW⋅ Т.к. в этом случае в явном виде наблюдается только переменная хо, что ухудшает точность оценивания вектора состояния кромки резонатора ВТГ в целом, то в предложенном способе для увеличения наблюдаемости вектора помимо сигнала z в качестве нового сигнала наблюдения z2 используется преобразование сигнала

следующим образом. С учетом выражения скорости деформации кромки резонатора

измерение z1 преобразуется к измерению z2 переменной x1 путем масштабирования с коэффициентом ν:

В этом случае уравнение оценки вектора приобретает вид:

где - оценки амплитуды деформации кромки резонатора ВТГ х0 и скорости ее изменения x1, R - апостериорная ковариационная матрица. После формирования оценки амплитуды деформации кромки резонатора ВТГ определение угловой скорости вращения основания ВТГ осуществляется аналогично способу-прототипу [Патент №2729944 от 12.04.2019] (этапы 7, 8 там же).

Таким образом, заявленный способ включает (фиг. 1):

- измерение чувствительными элементами ВТГ амплитуды деформации кромки резонатора (сигнала х) - этап 1,

- формирование дополнительного сигнала х* путем сдвига сигнала х на π/2 - этап 2,

- измерение дополнительного сигнала х* - этап 3,

- формирование уравнения движения кромки резонатора ВТГ в режиме чувствительности в векторной форме Ланжевена с использованием измерения дополнительного сигнала х* - этап 4,

- формирование первого сигнала наблюдения за движением кромки резонатора ВТГ (сигнала измерения амплитуды деформации кромки резонатора х) - этап 5,

- формирование второго сигнала наблюдения за движением кромки резонатора ВТГ (сигнала измерения скорости изменения амплитуды деформации кромки резонатора x1) на основе масштабирования измерения дополнительного сигнала х* - этап 6,

- оценка амплитуды деформации кромки резонатора ВТГ (сигнал ) и скорости ее изменения (сигнал ) на основе линейного фильтра Калмана - этап 7,

- вычисление в дискретные моменты времени текущих значений на основе полученной оценки сигнала , пропорциональной Ω, - этап 8,

- усреднение текущих дискретных значений и формирование искомого значения угловой скорости вращения основания ВТГ как результата данного усреднения - этап 9.

Таким образом, повышается точность оценки амплитуды кромки резонатора ВТГ за счет использования дополнительного наблюдения скорости ее изменения, что, в свою очередь, обеспечивает повышение точности определения самой угловой скорости основания ВТГ.

Способ определения угловой скорости с использованием волноводного твердотельного гироскопа (ВТГ), заключающийся в том, что после измерения чувствительными элементами ВТГ деформации кромки резонатора путем сдвига полученного сигнала измерения на π/2 формируется дополнительный сигнал, на основе измерения которого и с учетом уравнения движения кромки резонатора ВТГ в режиме чувствительности реализуется интегрируемая далее система дифференциальных уравнений оценки параметров движения кромки резонатора ВТГ в виде линейного фильтра Калмана, в котором в качестве наблюдателя вектора состояния используется сигнал измерения деформации кромки резонатора ВТГ, а выходом линейного фильтра Калмана является оптимальная в среднеквадратическом оценка амплитуды деформации кромки резонатора ВТГ, пропорциональная угловой скорости основания ВТГ и масштабируемая для ее определения в дискретные моменты времени с последующим формированием искомого значения угловой скорости как результата усреднения промасштабированных значений оценки амплитуды деформации кромки резонатора ВТГ, отличающийся тем, что в состав наблюдателя вектора состояния кромки резонатора ВТГ, используемого в линейном фильтре Калмана, введен новый сигнал наблюдения, полученный масштабированием измерения дополнительного сигнала с коэффициентом, равным частоте ускорения, обусловленного действием элементов возбуждения резонатора ВТГ.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области приборостроения, в частности к конструкции чувствительного элемента (далее - резонатор) твердотельных волновых гироскопов с металлическим резонатором (ВТГ). Сущность изобретения заключается в том, что угол конуса рабочей части резонатора составляет 6,45°-6,7°, при этом подвес выполнен цилиндрическим, соотношение толщины стенки рабочей части со стороны торца-кромки Н и толщины стенки подвеса h составляет 2,3-2,6, а соотношение длины рабочей части резонатора L и длины подвеса l составляет 1,8-2,2.

Изобретение относится к области приборостроения, в частности к конструкции чувствительного элемента (далее - резонатор) твердотельных волновых гироскопов с металлическим резонатором (ВТГ). Сущность изобретения заключается в том, что угол конуса рабочей части резонатора составляет 6,45°-6,7°, при этом подвес выполнен цилиндрическим, соотношение толщины стенки рабочей части со стороны торца-кромки Н и толщины стенки подвеса h составляет 2,3-2,6, а соотношение длины рабочей части резонатора L и длины подвеса l составляет 1,8-2,2.

Изобретение относится к области точного приборостроения и может быть использовано при создании датчиков угловой скорости на основе волнового твердотельного гироскопа (ВТГ). Сущностью заявленного решения является то, что при определении угловой скорости после измерения чувствительными элементами ВТГ деформации кромки резонатора путем сдвига полученного сигнала измерения на формируется дополнительный сигнал, на основе измерения которого и уравнения движения кромки резонатора ВТГ в режиме чувствительности реализуется фильтр Калмана, выходом которого является оптимальная в среднеквадратическом оценка амплитуды деформации кромки резонатора ВТГ, пропорциональная угловой скорости основания ВТГ и масштабируемая для ее определения в дискретные моменты времени с последующим формированием искомого значения угловой скорости как результата усреднения промасштабированных значений.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано при построении одноосных и трехосных измерителей угловых скоростей и линейных ускорений с цифровым выходом информации. Сущность заявленного решения заключается в том, что способом цифровой фильтрации шумовой составляющей в инерциальных датчиках путем выделения из выходного сигнала датчика на заданном интервале времени его среднего значения, определения на последующем участке времени знака шумовой составляющей относительно среднего значения выходного сигнала, определенного на предыдущем интервале времени, и вычитания из выходного сигнала датчика шумовой составляющей заданной величины с учетом ее знака, при этом дополнительно осуществляется предварительное осреднение выходного сигнала датчика, полученный результат вычитается из среднего значения выходного сигнала, определенного на рабочем интервале фильтрации, и сравнивается с допустимой для дальнейшей фильтрации их разностью по модулю, при превышении этой величины дальнейшая фильтрация не производится, при соблюдении заданного ограничения фильтрация выходного сигнала датчика осуществляется путем вычитания из выходного сигнала разности между мгновенным и средним значениями выходного сигнала, при этом вводится задержка включения фильтра на заданное время.

Изобретение относится к области приборостроения и может применяться при создании резонаторов твердотельных волновых гироскопов и датчиков угловой скорости. В способе изготовления сферического резонатора формируют глухие отверстия в кремниевой пластине с планарной стороны, размещают на ней стеклянную пластину.

Изобретение относится к области микромеханики, в частности к микромеханическим гироскопам (ММГ) вибрационного типа. Сущность изобретения заключается в том, что предварительно экспериментально определяют зависимость амплитуды компенсирующего напряжения на синфазных электродах от выходного сигнала встроенного датчика температуры при изменении температуры окружающей среды, затем реализуют эту зависимость с помощью введения блока преобразования напряжения, формируют напряжение на синфазных электродах путем модуляции выходного сигнала блока преобразования напряжения опорным сигналом демодулятора.

Изобретение относится к области микромеханики, в частности к микромеханическим гироскопам (ММГ) вибрационного типа. Сущность изобретения заключается в том, что предварительно экспериментально определяют зависимость амплитуды компенсирующего напряжения на синфазных электродах от выходного сигнала встроенного датчика температуры при изменении температуры окружающей среды, затем реализуют эту зависимость с помощью введения блока преобразования напряжения, формируют напряжение на синфазных электродах путем модуляции выходного сигнала блока преобразования напряжения опорным сигналом демодулятора.

Изобретение может быть использовано в акселерометрах или гироскопах для измерения малых сдвигов пробного тела при действии ускорений. Прямой преобразователь перемещений для микромеханических приборов состоит из корпуса и подвижной части, выполненной с возможностью перемещения в корпусе по направлению действия силы.

Изобретение относится к метрологии, в частности, к твердотельным волновым гироскопам. Твердотельный волновой гироскоп содержит резонатор в виде осесимметричного тонкостенного элемента, способного к вибрации, один электрод резонатора, множество электродов датчиков, электродов управления, электронный блок управления, содержащий устройства вычисления угла, стабилизации амплитуды колебаний, подавления квадратурных колебаний и соединенный с электродами резонатора, электродами датчиков, электродами управления.

Изобретение относится к метрологии, в частности, к твердотельным волновым гироскопам. Твердотельный волновой гироскоп содержит резонатор в виде осесимметричного тонкостенного элемента, способного к вибрации, один электрод резонатора, множество электродов датчиков, электродов управления, электронный блок управления, содержащий устройства вычисления угла, стабилизации амплитуды колебаний, подавления квадратурных колебаний и соединенный с электродами резонатора, электродами датчиков, электродами управления.

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности, конкретно к бурению скважин, и предназначено для измерения зенитного угла искривления скважины. Техническим результатом является повышение точности измерения зенитного угла искривления ствола скважины непосредственно в процессе бурения и передачи сигнала по беспроводному каналу связи забоя с устьем скважины. Предложенное устройство для измерения зенитного угла искривления скважины содержит поворотную рамку с эксцентричным грузом и электронно-механический преобразователь, выполненный в виде камертона с электронной схемой возбуждения, снабженного эксцентричными грузами, шарнирно закрепленными в его ветвях. При этом ветви камертона с эксцентричными грузами развернуты относительно друг друга на 180 градусов. Кроме того, устройство снабжено микропроцессором, делителем частоты, преобразователем частота-код и усилителем. Причем вход электронной схемы возбуждения электронно-механического преобразователя, выполненного в виде системы привода и съема колебаний через делитель частоты, соединен с выходом тактового генератора микропроцессора, выход системы съема колебаний камертона соединен со входом преобразователя частота-код, а его выход соединен со входом микропроцессора и выход последнего через усилитель связан с каналом связи забоя с устьем скважины. 1 ил.
Наверх