Способ считывания и управления колебаниями волнового твердотельного гироскопа

Изобретение относится к области точного приборостроения и может быть использовано при создании твердотельных волновых гироскопов и систем ориентации и навигации на их основе. Технический результат – повышение точности интегрирующего гироскопа и уменьшение дрейфа прецизионного прибора. Способ считывания и управления колебаниями волнового твердотельного гироскопа (ВТГ) включает генерацию задающих напряжений, подачу задающих напряжений на электроды блока возбуждения, съема и управления (ВСУ) и на полусферу резонатора, регистрацию выходных сигналов с электродов съема информации и их математическую обработку с определением параметров одной или более стоячих волн. При этом внутри резонатора устанавливают блок возбуждения, управления и съема с установленными равномерно по окружности нечетным и простым числом n электродов съема информации и m электродов управления, при этом на управляющие электроды подают напряжение, сформированное для каждого отдельного электрода в соответствии с установленными для этого математическими соотношениями.

 

Изобретение относится к области точного приборостроения и может быть использовано при создании твердотельных волновых гироскопов и систем ориентации и навигации на их основе.

Известен способ считывания и управления волнового твердотельного гироскопа (ВТГ), заключающийся в том, что генерируют оптические излучения, направляют их на резонатор, имеющий светоотражающую поверхность, отражаясь от которой оптические излучения попадают на фоточувствительные приемники. Определяют параметры одной или более стоячих волн посредством выполнения действий над сигналами фоточувствительных приемников и подают управляющие сигналы. При этом генерируют когерентные оптические излучения в четном числе волоконно-оптических интерферометрах Фабри-Перо, все выходящие оптические излучения располагают равномерно по окружности, симметричной оси резонатора, и направляют по радиусам резонатора, многократно отражают между поверхностями, преобразуют в интерферометрах периодические временные распределения освещенности в периодические электрические сигналы, по которым определяют параметры одной или более стоячих волн (RU 2009 144 432 [1]). Недостатком известного способа является то, что при реализации способ используется большое четное число электродов съема и управления, которое приводит к наличию в выходном сигнале интегрирующего гироскопа дополнительной четвертой гармоники погрешностей колебаний резонатора. Эта составляющая сигнала приводит к дополнительному систематическому дрейфу ВТГ, компенсация которого практически невозможна с помощью существующей системы электродов съема сигналов и силовых электродов управления. Кроме того способ реализуется с помощью достаточно сложной системы съема информации.

Известен способ считывания и управления твердотельного волнового гироскопа, включающий считывание сигналов колебаний резонатора и подачу управляющих сигналов при реализации которого частично решается проблема подавления квадратурных колебаний (RU 2185601 [2]). Для реализации способа генерируют оптические излучения источниками оптического излучения, направляют их на резонатор, имеющий светоотражающую поверхность, отражаясь от которой, оптические излучения попадают на фоточувствительные приемники, и определяют параметры одной или более стоячих волн посредством выполнения операций обработки сигналов фоточувствительных приемников, включающих, например, усиление и преобразование сигналов.

При включении гироскопа происходит возбуждение колебаний резонатора на одной из собственных мод стоячих волн электродом управления, подключенным к схеме возбуждения электронного блока управления. При колебаниях резонатора изменяется величина оптического потока источников оптического излучения, отраженного от торцевой поверхности или от внутренней поверхности и попадающего на фоточувствительные приемники. При нахождении стоячей волны между фоточувствительными приемниками изменение величины оптического потока для второй собственной моды стоячей волны по соответствующим осям пропорционально удвоенному косинусу и синусу угла положения пучности стоячей волны. Изменение оптического потока вызывает изменение величины, например, светового тока для фотодиодов и, соответственно, изменение амплитуды напряжений на выходе устройства преобразования сигналов фоточувствительных приемников.

Недостатками являются использование определенного четного числа электродов съема и управления, которое приводит к наличию в выходном сигнале интегрирующего гироскопа дополнительной четвертой гармоники погрешностей колебаний резонатора, которая приводит к дополнительному систематическому дрейфу ВТГ, компенсация которого весьма затруднительна с помощью существующей четной системы электродов съема сигналов и силовых электродов управления.

Такое четное число электродов создает вышеназванные причины возникновения дополнительных колебаний резонатора ВТГ на четвертой гармонике, которая не может быть минимизирована или полностью скомпенсирована в существующих конструкциях гироскопа и при существующих алгоритмах съема информации и управления функционированием всего прибора и, в конечном итоге, вызывает не-компенсируемый инструментальный дрейф классического волнового гироскопа. Кроме того, способ реализуется с помощью достаточно сложной системы съема информации.

Наиболее близким к заявляемому по своей технической сущности является способ считывания и управления твердотельного волнового гироскопа известный из RU 2194249[3]. Способ включает генерацию задающих напряжений, подачу задающих напряжений на электроды корпуса и резонатора и определение параметров одной или более стоячих волн. Также генерируют набор сигналов управления и опорного напряжения, причем сигналы управления включают составляющие напряжения высокой частоты для питания емкостных преобразователей перемещений, образованных электродом резонатора и электродами корпуса, и напряжения управления для стабилизации амплитуды колебаний резонатора и подавления квадратурных колебаний. Подают сигналы управления на электроды корпуса, а опорное напряжение - на электрод резонатора, выполняют операции над сигналами с емкостных преобразователей перемещений для выделения сигналов колебаний резонатора. Причем операции включают в себя дифференциальное суммирование сигналов с емкостных преобразователей перемещений, расположенных по первой основной оси колебаний резонатора, умножение полученного сигнала на временную функцию прямоугольных импульсов A0(t) и заданную функцию времени F0(t), за которым следует фильтрация нижних частот, и дифференциальное суммирование сигналов с емкостных преобразователей перемещений, расположенных по второй основной оси колебаний резонатора, умножение полученного сигнала на временную функцию прямоугольных импульсов A0(t) и заданную функцию времени F0(t), за которым следует фильтрация нижних частот.

Недостатками являются использование определенного четного числа электродов съема и управления, которое приводит к наличию в выходном сигнале интегрирующего гироскопа дополнительной четвертой гармоники погрешностей колебаний резонатора, которая приводит к дополнительному систематическому дрейфу ВТГ, компенсация которого весьма затруднительна с помощью существующей четной системы электродов съема сигналов и силовых электродов управления.

Такое четное число электродов создает вышеназванные причины возникновения дополнительных колебаний резонатора ВТГ на четвертой гармонике, которая не может быть минимизирована или полностью скомпенсирована в существующих конструкциях гироскопа и при существующих алгоритмах съема информации и управления функционированием всего прибора и, в конечном итоге, вызывает некомпенсируемый инструментальный дрейф классического волнового гироскопа.

Заявляемый способ направлен на повышения точности интегрирующего гироскопа и уменьшение дрейфа прецизионного прибора.

Указанный результат достигается тем, что способ считывания и управления колебаниями волнового твердотельного гироскопа (ВТГ) включает генерацию задающих напряжений, подачу задающих напряжений на электроды блока возбуждения, съема и управления (ВСУ) и на полусферу резонатора, регистрацию выходных сигналов с электродов съема информации и их математическую обработку с определением параметров одной или более стоячих волн. При этом внутри резонатора устанавливают блок возбуждения, управления и съема с установленными равномерно по окружности нечетным и простым числом n электродов съема информации и m электродов управления, при этом на управляющие электроды подают напряжение, сформированное для каждого отдельного электрода в соответствии со следующими соотношениями

(i=1,…,m)

где Vi - сигналы напряжений, подаваемые на m - управляющих электродов блока ВСУ, В;

V0 - опорное напряжение, подаваемое на полусферу резонатора ВТГ, В;

ε - коэффициент обратной связи по амплитуде А колебаний полусферического резонатора ВТГ, размерность t/B2;

μ - коэффициент обратной связи по квадратуре о колебаний полусферического резонатора ВТГ, размерность 1/В;

A0 - заданная амплитуда колебаний полусферического резонатора ВТГ, которая обеспечивается путем подачи на электроды управления блока ВСУ соответствующего напряжения, В;

A - текущая амплитуда колебаний полусферического резонатора ВТГ которая пропорциональна соответствующему напряжению, снимаемому с информационных электродов съема, В;

Ui - сигналы, снимаемые с n-информационных электродов блока ВСУ, на основании которых формируют два базовых сигнала

(i=1,…,n)

где UC, US - базовые сигналы формируемые на основании первичных сигналов Ui, снимаемых с n-информационных электродов блока ВСУ; В.

Отличительными признаками заявляемого способа является установка блока возбуждения, управления и съема с установленными равномерно по окружности нечетным числом n-электродов съема информации и нечетным числом m-электродов управления и подача напряжения, сформированного для каждого отдельного управляющего электрода в соответствии с указанными выше соотношениями.

Реализация принципиально нового синтезированного алгоритма «пушпульного» управления интегрирующим гироскопом с помощью нечетного числа электродов съема информации и нечетного числа электродов управления, входящих в состав комбинированного электромеханического узла возбуждения, съема/управления и бортового модуля цифровой обработки сигналов на базе современной программируемой логической интегральной схемы обеспечивает компенсацию с помощью нового алгоритма съема/управления дополнительной четвертой гармоники погрешностей колебаний полусферического резонатора (ПСР) интегрирующего ВТГ и существенное уменьшение величины случайного инструментального дрейфа такого гироскопа на один-два порядка как следствие, повышение точности измерения угла поворота или угловой скорости.

Сущность заявляемого способа поясняется примерами его реализации.

Пример 1. Способ реализуется следующим образом. Задаем простое число электродов съема и управления равное семи (n=m=7). Тогда алгоритм съема и управления формируется следующим образом. Пусть Ui - сигналы, снимаемые с n-информационных электродов, где индексом i обозначен номер электрода, с которого снимается сигнал (i=1,…,7). Соседние электроды, как съема информации, так и управления, отстоят друг от друга на фиксированный и заранее известный угол 2π/7. По этим семи информационным сигналам формируются два сигнала, которые будем называть базовыми

Эти сигналы являются функциями времени, и их можно представить в виде

При помощи известной процедуры детектирования выделяются косинусные (основные) составляющие A1 и A2, а также синусные (квадратурные) составляющие B1 и B2:

Величины A1, A2, B1, B2 позволяют, так же, как и в обычной классической схеме волнового твердотельного гироскопа (например, 8 съема и/или 16 управляющих электродов) вычислить используемые далее при формировании управления полную амплитуду рассматриваемой моды колебаний резонатора и ее квадратуру

Эти же величины позволяют определять и угол поворота стоячей волны относительно тела резонатора.

Использование полученной информации для управления колебаниями ВТГ. Подаем на семь управляющих электродов необходимое напряжение, сформированное для каждого отдельного электрода в соответствии со следующими ниже соотношениями

Здесь V0 - опорное напряжение, подаваемое на полусферу самого резонатора ВТГ. Положительные величины ε и μ представляют собой коэффициенты обратных связей соответственно по амплитуде и по квадратуре колебаний.

Сформированное указанным выше образом распределение напряжений на семи управляющих электродах будет поддерживать заданную амплитуду A=A0 и равную нулю квадратуру σ(σ=о) колебаний кромки резонатора.

Для режимов функционирования прибора, когда необходимо управлять прецессией стоячей волны, а также частотой колебаний, в приведенное выше выражение (8) для управляющих напряжений Vi необходимо включить два следующих дополнительных слагаемых

Такое управление устойчивое, и оно не имеет интерференции каналов. Управление прецессией используется в частности тогда, когда гироскоп переводится в режим нуль индикатора интегрирующего типа. Необходимость управления частотой возникает в случае поддержания колебаний при помощи параметрического возбуждения.

Пример 2. Задаем простое число электродов съема и управления равное пяти (n=m=5). Тогда алгоритм съема и управления формируется следующим образом. Пусть Ui - сигналы, снимаемые с пяти информационных электродов, где индексом i обозначен номер электрода, с которого снимается сигнал (i=1,…,5). Соседние электроды, как съема информации, так и управления, отстоят друг от друга на фиксированный и заранее известный угол 2π/5. По этим пяти информационным сигналам формируются два сигнала, которые будем называть базовыми

Эти сигналы являются функциями времени, и их можно представить в виде

При помощи известной процедуры детектирования выделяются косинусные (основные) составляющие A1 и A2, а также синусные (квадратурные) составляющие B1 и B2:

Величины A1, A2, B1, B2 позволяют, так же, как и в обычной классической схеме волнового твердотельного гироскопа (например, 8 съема и/или 16 управляющих электродов) вычислить используемые далее при формировании управления полную амплитуду рассматриваемой моды колебаний резонатора и ее квадратуру

Эти же величины позволяют определять и угол поворота стоячей волны относительно тела резонатора.

Использование полученной информации для управления колебаниями ВТГ. Подаем на пять управляющих электродов блока ВСУ необходимое напряжение, сформированное для каждого отдельного электрода в соответствии со следующими ниже соотношениями

где Vi - сигналы напряжений, подаваемые на пять управляющих электродов блока ВСУ, В;

V0 - опорное напряжение, подаваемое на полусферу резонатора ВТГ, В;

ε - коэффициент обратной связи по амплитуде А колебаний полусферического резонатора ВТГ, размерность t/B2;

μ - коэффициент обратной связи по квадратуре о колебаний полусферического резонатора ВТГ, размерность 1/В;

A0 - заданная амплитуда колебаний полусферического резонатора ВТГ, В;

A - текущая амплитуда колебаний полусферического резонатора ВТГ, В;

Ui - сигналы, снимаемые с пяти информационных электродов блока ВСУ, на основании которых формируют два базовых сигнала

(i=1,…,5)

где UC, US - базовые сигналы формируемые на основании первичных сигналов Ui.

Для режимов функционирования прибора, когда необходимо управлять прецессией стоячей волны, а также частотой колебаний, в приведенное выше выражение (8) для управляющих напряжений Vi необходимо включить два следующих дополнительных слагаемых

по аналогии, здесь (i=1,…,5)

Такое управление также устойчивое, и оно не имеет интерференции каналов. Управление прецессией используется в частности тогда, когда гироскоп переводится в режим нуль индикатора интегрирующего типа.

Необходимость управления частотой возникает в случае поддержания колебаний при помощи параметрического возбуждения, (в случае интегрирующего ВТГ). Основным техническим результатом предлагаемого способа съема и управления, является компенсация дефектов полусферического резонатора (ПСР) интегрирующего ВТГ, имеющих гармоники, кратные четырем, является улучшение волновой картины колебаний чувствительного элемента, уменьшение дрейфа нулевого сигнала и, как следствие, повышение точности измерения угла поворота или угловой скорости.

Способ считывания и управления колебаниями волнового твердотельного гироскопа (ВТГ), включающий генерацию задающих напряжений, подачу задающих напряжений на электроды блока возбуждения, съема и управления (ВСУ) и на полусферу резонатора, регистрацию выходных сигналов с электродов съема информации и их математическую обработку с определением параметров одной или более стоячих волн, отличающийся тем, что внутри резонатора устанавливают блок возбуждения, управления и съема с установленными равномерно по окружности нечетным и простым числом n электродов съема информации и m электродов управления, при этом на управляющие электроды подают напряжение, сформированное для каждого отдельного электрода в соответствии со следующими соотношениями

(i=1,…, m),

где Vj - сигналы напряжений, подаваемые на m управляющих электродов блока ВСУ, В;

V0 - опорное напряжение, подаваемое на полусферу резонатора ВТГ, В;

ε - коэффициент обратной связи по амплитуде А колебаний полусферического резонатора ВТГ, размерность t/B2;

μ - коэффициент обратной связи по квадратуре σ колебаний полусферического резонатора ВТГ, размерность 1/В;

A0 - заданная амплитуда колебаний полусферического резонатора ВТГ, которая обеспечивается путем подачи на электроды управления блока ВСУ соответствующего напряжения, В;

A - текущая амплитуда колебаний полусферического резонатора ВТГ, которая пропорциональна соответствующему напряжению, снимаемому с информационных электродов съема, В;

Ui - сигналы, снимаемые с n информационных электродов блока ВСУ, на основании которых формируют два базовых сигнала

(i=1,..., n),

где UC, US - базовые сигналы, формируемые на основании первичных сигналов Ui, снимаемых с n информационных электродов блока ВСУ; В.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться в вибрационных кориолисовых гироскопических датчиках угловой скорости. Способ заключается в одновременном возбуждении автоколебаний первой и второй (ортогональной) мод, причем фаза возбуждающих сил при линейных колебаниях или моментов при угловых колебаниях соответствует фазе сигнала, пропорционального сумме скоростей колебаний в первой моде и во второй (ортогональной) моде, а выходной сигнал формируется так, чтобы он был пропорционален разности амплитуд возбуждающих сил или моментов, отличающийся тем, что стабилизируют амплитуду составляющей скорости колебаний, которую выделяют путем фазочувствительного выпрямления с использованием фазы сигнала, пропорционального сумме скоростей колебаний в первой и во второй (ортогональной) моде.

Настоящее изобретение относится к средствам адаптивной оптики и может быть использовано для стабилизации частоты кольцевого лазера в системах регулировки периметра кольцевого резонатора лазерного гироскопа.

Изобретение относится к гироскопам вибрационного типа, в частности к микромеханическим гироскопам, которые предназначены для измерения угловой скорости движения основания.

Изобретение относится к области измерительной техники и микросистемной техники, а более конкретно к интегральным измерительным элементам величин угловой скорости и ускорения.

Изобретение относится к микромеханическим гироскопам (ММГ) вибрационного типа, в частности к устройству для измерения зазора между неподвижными электродами и подвижной массой (ПМ).

Изобретение относится к устройствам, осуществляющим арретирование ротора электродвигателя-маховика в магнитном подвесе и может быть использовано в космической технике.

Предложен способ для определения факта выхода гироскопа на установившийся режим работы, позволяющий его использовать для достоверных измерений, и устройство для реализации данного способа.

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.

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.

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.

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться в вибрационных кориолисовых гироскопических датчиках угловой скорости. Способ заключается в одновременном возбуждении автоколебаний первой и второй (ортогональной) мод, причем фаза возбуждающих сил при линейных колебаниях или моментов при угловых колебаниях соответствует фазе сигнала, пропорционального сумме скоростей колебаний в первой моде и во второй (ортогональной) моде, а выходной сигнал формируется так, чтобы он был пропорционален разности амплитуд возбуждающих сил или моментов, отличающийся тем, что стабилизируют амплитуду составляющей скорости колебаний, которую выделяют путем фазочувствительного выпрямления с использованием фазы сигнала, пропорционального сумме скоростей колебаний в первой и во второй (ортогональной) моде.

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться в вибрационных кориолисовых гироскопических датчиках угловой скорости. Способ заключается в одновременном возбуждении автоколебаний первой и второй (ортогональной) мод, причем фаза возбуждающих сил при линейных колебаниях или моментов при угловых колебаниях соответствует фазе сигнала, пропорционального сумме скоростей колебаний в первой моде и во второй (ортогональной) моде, а выходной сигнал формируется так, чтобы он был пропорционален разности амплитуд возбуждающих сил или моментов, отличающийся тем, что стабилизируют амплитуду составляющей скорости колебаний, которую выделяют путем фазочувствительного выпрямления с использованием фазы сигнала, пропорционального сумме скоростей колебаний в первой и во второй (ортогональной) моде.
Изобретение относится к кориолисовым вибрационным гироскопам (КВГ). Сущность изобретения заключается в том, что непрерывный съем навигационной информации с КВГ осуществляется путем приложения к резонатору через торсионы компенсирующего момента сил для обеспечения работы КВГ в заторможенном режиме и без отключения режима возбуждения резонатора.
Изобретение относится к кориолисовым вибрационным гироскопам (КВГ). Сущность изобретения заключается в том, что способ компенсации погрешности от углового ускорения основания для кориолисова вибрационного гироскопа с непрерывным съемом навигационной информации содержит этапы, на которых для непрерывного съема навигационной информации вибрирующая оболочка резонатора по узловым линиям колебаний и с помощью торсионов крепится к основанию, на котором установлены средства возбуждения колебаний резонатора, непрерывно взаимодействующие с резонатором, и средства детектирования, непрерывно взаимодействующие с торсионами, для обнаружения осевого момента инерционных сил, действующих на резонатор, и приложения через торсионы компенсирующего момента сил, противоположного моменту инерционных сил, действующих на резонатор, а для компенсации погрешности от углового ускорения основания соосно (параллельно) с резонатором кориолисова вибрационного гироскопа расположен специализированный измеритель углового ускорения поворота основания, инерционная масса которого выполнена в виде точной копии оболочки резонатора и крепится такими же, как у резонатора, торсионами к основанию, на котором установлены средства детектирования, взаимодействующие с торсионами специализированного измерителя углового ускорения.

Изобретение относится к гироскопам вибрационного типа, в частности к микромеханическим гироскопам, которые предназначены для измерения угловой скорости движения основания.

Изобретение относится к гироскопам вибрационного типа, в частности к микромеханическим гироскопам, которые предназначены для измерения угловой скорости движения основания.

Изобретение относится к микромеханическим гироскопам (ММГ) вибрационного типа, в частности к устройству для измерения зазора между неподвижными электродами и подвижной массой (ПМ).

Изобретение относится к микромеханическим гироскопам (ММГ) вибрационного типа, в частности к устройству для измерения зазора между неподвижными электродами и подвижной массой (ПМ).

Изобретение относится к области авиационного приборостроения и может быть использовано в одноосных и трехосных измерителях угловых скоростей и линейных ускорений, используемых в инерциальных навигационных системах и в пилотажных системах управления подвижными объектами в качестве датчиков первичной информации.

Изобретение относится к гироскопическим приборам, а именно к датчикам угловой скорости, основанным на Кориолисовых силах, и может быть использовано для измерения угловой скорости.

Изобретение относится к области точного приборостроения и может быть использовано при создании твердотельных волновых гироскопов и систем ориентации и навигации на их основе. Технический результат – повышение точности интегрирующего гироскопа и уменьшение дрейфа прецизионного прибора. Способ считывания и управления колебаниями волнового твердотельного гироскопа включает генерацию задающих напряжений, подачу задающих напряжений на электроды блока возбуждения, съема и управления и на полусферу резонатора, регистрацию выходных сигналов с электродов съема информации и их математическую обработку с определением параметров одной или более стоячих волн. При этом внутри резонатора устанавливают блок возбуждения, управления и съема с установленными равномерно по окружности нечетным и простым числом n электродов съема информации и m электродов управления, при этом на управляющие электроды подают напряжение, сформированное для каждого отдельного электрода в соответствии с установленными для этого математическими соотношениями.

Наверх