Датчик угловой скорости на базе динамически настраиваемого гироскопа

Авторы патента:

Попов Дмитрий Вадимович (RU)

Попов Вадим Анатольевич (RU)

Фатеев Владимир Васильевич (RU)

Подчерезцев Виктор Павлович (RU)

G01C19/02 - вращающиеся гироскопы

Владельцы патента RU 2734277:

Публичное акционерное общество Арзамасское научно-производственное предприятие " ТЕМП-АВИА" (RU)

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к гироскопическим преобразователям угловой скорости на базе динамически настраиваемого гироскопа. Сущность изобретения заключается в том, что датчик угловой скорости (ДУС) на базе динамически настраиваемого гироскопа дополнительно содержит сумматор, усилитель с коэффициентом усиления, обратно пропорциональным нутационной частоте гироскопа и дополнительное корректирующее звено с передаточной функцией , где постоянная времени Т прямо пропорциональна кинетическому моменту гироскопа и обратно пропорциональна коэффициенту усиления усилителя К, а постоянная времени Т₁ равна постоянной времени изодрома основного корректирующего звена, причем выход измерителя тока по каждому каналу измерения подключен к первому входу сумматора этого канала и через последовательно соединенные дополнительно корректирующее звено и усилитель - ко второму входу сумматора второго канала измерения, а выход каждого сумматора является выходом ДУСа. Технический результат – повышение точности измерения угловой скорости. 7 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к гироскопическим преобразователям угловой скорости на базе динамически настраиваемого гироскопа.

Известен датчик угловой скорости [1] содержащий корпус, динамически настроенный ротор и два канала измерения, каждый из которых содержит преобразователь угла, усилитель и преобразователь момента с измерителем тока.

Преобразователи угла и момента выполняют функции датчиков угла и момента гироскопа соответственно.

Наиболее близким по технической сущности является датчик угловой скорости [2] содержащий корпус, динамически настроенный ротор в двухосном подвесе, датчик угла, датчик момента с обмоткой управления, основное корректирующее звено, включающее последовательно соединенные изодром с постоянной времени Т₁ и усилитель с коэффициентом усиления К, и измеритель тока датчика момента по каждому каналу измерения, причем выход датчика угла по каждой оси чувствительности подключен через основное корректирующее звено ко входу датчика момента по перекрестной оси, а измеритель тока датчика момента включен последовательно в цепь его обмотки управления.

Недостатком такого датчика угловой скорости является погрешность измерения знакопеременной угловой скорости, обусловленная наличием перекрестной связи между измерительными каналами гироскопа из-за конечной величины квазиупругой жесткости подвеса ротора гироскопа, то есть при действии угловой скорости, изменяющейся по синусоидальному закону, по одному измерительному каналу на выходе перекрестного измерительного канала появляется паразитный сигнал с той же частотой, хотя угловая скорость по данному измерительному каналу не действует, при этом величина паразитного сигнала помехи возрастает с ростом частоты действующей угловой скорости.

При измерении постоянных угловых скоростей данная погрешность отсутствует.

Для пояснения механизма возникновения данной погрешности представим структурную схему датчика угловой скорости в следующем виде:

на Фиг. 1 обозначено

W(s) - передаточная функция усилителя каждого канала,

K_ду - крутизна датчика угла,

ω_x и ω_y - угловые скорости корпуса вокруг осей х и у,

и - углы отклонения корпуса вокруг осей х и у,

α_n, β_n - углы нутационных бросков ротора вокруг осей х и у,

α_oc, β_ос - углы прецессионного движения ротора вокруг осей х и у,

α, β - углы отклонения ротора относительно корпуса вокруг осей х и у,

М_х и М_у - моменты, развиваемые датчиками моментов вокруг осей х и у и вызываемые токами J_x и J_y соответственно.

Для анализа возможности компенсации перекрестной погрешности гироскопа в режиме датчика угловой скорости полагаем, что корпус гироскопа вращается лишь вокруг оси х, т.е. ω_х≠0, а ω_у=0. Также полагаем, что при этом величина перекрестной чувствительности достаточно мала в сравнении с основным сигналом, т.е. J_x << J_y (что эквивалентно М_х << М_у), поэтому нутационным броском в прямом канале можно пренебречь, как величиной второго порядка малости (тем более, что величина квазиупругой жесткости гироскопа всегда достаточно велика). В силу этого соответствующая связь между М_х и α_n обозначена на рис. 1, пунктиром и далее не учитывается.

Прямой канал обеспечивает измерение угловой скорости корпуса ω_х вокруг оси х. Величина выходного сигнала J_y, в соответствии со схемой на Фиг. 1., определяется выражением:

Для исключения угла поворота ротора относительно корпуса α при измерении постоянной угловой скорости в W(s) вводится изодром, т.е.

Тогда , где , и выходной сигнал равен

При этом будет иметь место сигнал в перекрестном канале, равный

и относительная величина перекрестной погрешности равна

Углы поворота ротора гироскопа относительно корпуса равны

где - передаточная функция перекрестного канала по входной угловой скорости ω_x.

Причиной возникновения сигнала в перекрестном канале является нутационный бросок ротора гироскопа по перекрестной оси, возникающий при входной угловой скорости ω_x из-за конечной величины квазиупругой жесткости подвеса ротора гироскопа

С целью уменьшения ошибки от перекрестной угловой скорости, в него по каждому каналу измерения введены сумматор, усилитель с коэффициентом усиления, обратно пропорциональным нутационной частоте гироскопа, и дополнительное корректирующее звено с передаточной функцией , где постоянная времени Т прямо пропорциональна кинетическому моменту гироскопа и обратно пропорциональна коэффициенту усиления усилителя К, а постоянная времени Т₁ равна постоянной времени изодрома основного корректирующего звена, причем выход измерителя тока по каждому каналу измерения подключен к первому входу сумматора этого канала и через последовательно соединенные дополнительное корректирующее звено и усилитель - ко второму входу сумматора второго канала измерения, а выход каждого сумматора является выходом датчика угловой скорости.

Компенсация погрешности от перекрестной связи (для одного измерительного каналов) производится в соответствии со структурной схемой, представленной на Фиг. 2.

В этой схеме перекрестные ошибки моделируется на операционном усилителе и вычитается из выходных сигналов J_x и J_y по перекрестным осям.

В результате имеем

Данный метод компенсации требует формирования более сложной передаточной функции компенсирующего сигнала вида:

точность компенсации при этом определяется точностью формирования аналогового сигнала на операционном усилителе.

Эту передаточную функцию можно упростить для случая выбора параметров прибора Т₁>Т и привести к виду

Таким образом, для компенсации перекрестной погрешности, ДУС, необходимо выходной сигнал прямой цепи J умножить на аналоговом моделирующем устройстве (операционном усилителе) на передаточную функцию Ф_к(s) (в точном или упрощенном виде) и полученное произведение вычесть из выходного сигнала по перекрестной оси. Полученная разность и будет представлять собой скомпенсированный сигнал по перекрестной оси.

На Фиг. 3 и Фиг. 4 представлена реализация в среде Matlab (Simulink) методики компенсации погрешности от перекрестной связи между каналами ДУС, где передаточные функции W(s)1 и W(s)2, имеют вид, представленный на Фиг. 4.

На Фиг. 5 представлены ЛАЧХ и ФЧХ для скорректированной и нескорректированной системы.

Как видно из полученных результатов имеет место снижение перекрестной погрешности на всех частотах, и в частности на частоте 10 Гц это снижение составило с 27 дБ до 52.4 дБ

Результаты экспериментальной проверки датчика ДУС РВГ-01 №50 с реализованным алгоритмом компенсации погрешности от перекрестной связи для входной угловой скорости 40°/с в диапазоне частот (3…30) Гц представлены на Фиг. 6, Фиг. 7.

Как видно из Фиг. 6 и Фиг. 7 использование компенсации перекрестных связей в датчике угловой скорости на базе динамически настраиваемого гироскопа обеспечивает существенное снижение погрешности от перекрестной связи между измерительными каналами ДУС.

Источники информации:

[1] "Динамически настраиваемые гироскопы." Д.С. Пельпор, В.А. Матвеев, В.Д. Арсеньев. "Машиностроение", Москва, 1988 г., стр. 249-252.

[2] "Гироскоп - это просто." В.А. Матвеев, МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, 2012 г., стр. 146-148.

Датчик угловой скорости на базе динамически настраиваемого гироскопа, содержащий корпус, динамически настроенный ротор в двухосном подвесе, датчик угла, датчик момента с обмоткой управления, основное корректирующее звено, включающее последовательно соединенные изодром с постоянной времени Т₁ и усилитель с коэффициентом усиления К, и измеритель тока датчика момента по каждому каналу измерения, причем выход датчика угла по каждой оси чувствительности подключен через основное корректирующее звено ко входу датчика момента по перекрестной оси, а измеритель тока датчика момента включен последовательно в цепь его обмотки управления, отличающийся тем, что с целью уменьшения ошибки от перекрестной угловой скорости в него по каждому каналу измерения введены сумматор, усилитель с коэффициентом усиления, обратно пропорциональным нутационной частоте гироскопа, и дополнительное корректирующее звено с передаточной функцией , где постоянная времени Т прямо пропорциональна кинетическому моменту гироскопа и обратно пропорциональна коэффициенту усиления усилителя К, а постоянная времени Т₁ равна постоянной времени изодрома основного корректирующего звена, причем выход измерителя тока по каждому каналу измерения подключен к первому входу сумматора этого канала и через последовательно соединенные дополнительное корректирующее звено и усилитель - ко второму входу сумматора второго канала измерения, а выход каждого сумматора является выходом датчика угловой скорости.

Похожие патенты:

Гироскоп // 2728733

Изобретение относится к приборостроению и может использоваться при создании бескарданных гироскопов на сферической шарикоподшипниковой опоре. Гироскоп содержит корпус с расположенным внутри него гиродвигателем, включающим статор с катушками и ротор на сферической шарикоподшипниковой опоре, трансформаторно-индуктивные датчики угла и электромагнитные датчики момента, размещенные на корпусе гироскопа напротив торцевой части ротора, при этом на сердечниках электромагнитного датчика момента установлены по две обмотки: обмотка возбуждения и обмотка управления, причем направление обмоток, расположенных на одном сердечнике, совпадает, а направление обмоток, расположенных на другом сердечнике, противоположно, при этом обмотки возбуждения между собой и обмотки управления между собой соединены последовательно.

Двухканальный датчик угловой скорости // 2725880

Изобретение относится к гироскопическому приборостроению. Двухканальный датчик угловой скорости построен на базе гироскопа со сферической опорой.

Способ настройки арретирующего механизма гироскопа // 2722951

Изобретение относится к техническим измерениям в машиностроении. Способ настройки арретирующего механизма гироскопа управляемого снаряда содержит этапы, на которых осуществляют настройку арретирующего механизма ведут путем измерения линейного перемещения, выставляя величину условного зазора, образованного плоскостями сопряжения подвижной защелки арретира, которую предварительно снабжают технологической прорезью, и торца, неподвижного относительно рабочего хода защелки, подпружиненного поршня, микрометрическим индикатором, измерительный стержень которого через технологическую прорезь в защелке упирают в торец поршня, при этом ось прорези в защелке выполняют соосно оси поршня, а ее линейные размеры, обеспечивающие центровку и вертикальность погружаемого в прорезь измерительного стержня микрометрического индикатора, затем пружину поршня сжимают резьбовой пробкой, ввинчивая ее до упора, выставляют на шкале индикатора «0», после этого на верхний конец оси индикатора прикладывают усилие, закрепив на ней тарированный груз, после чего, вывинчивая пробку, по шкале микрометрического индикатора выставляют величину условного зазора, пропорциональную усилию поджатия поршня к защелке.

Датчик угловой скорости на базе динамически настраиваемого гироскопа // 2709028

Способ определения погрешности двухстепенного гироблока // 2688915

Изобретение относится к области прецизионного приборостроения и может быть использовано при разработке и производстве двухстепенных гироблоков. Достигаемый технический результат - повышение точности (достоверности) определения составляющей погрешности гироблока, обусловленной резонансом его конструкции.

Динамически настраиваемый гироскоп // 2687169

Изобретение относится к гироскопической технике и может быть использовано для измерения абсолютной угловой скорости подвижных объектов. Сущность изобретения заключается в том, что динамически настраиваемый гироскоп содержит магниты, при этом на торцах магнитов, обращенных друг к другу, выполнены пазы, стороны катушек датчика момента, протекание тока в которых создает управляющий момент, расположены над сплошными частями магнитов, стороны катушек датчика угла, в которых формируется сигнал об угловых отклонениях ротора, расположены над пазами в магнитах, в рабочий зазор магнитной системы помещены генераторные катушки прямоугольной формы, соединенные последовательно и расположенные парами в два ряда над кольцевыми магнитами так, что они не выходят за пределы магнитной системы ротора датчика угла и момента, а оси каждого ряда находятся над пазами в соответствующем магните.

Динамически настраиваемый гироскоп // 2653155

Изобретение относится к гироскопической технике и может быть использовано для измерения абсолютной угловой скорости подвижных объектов. Динамически настраиваемый гироскоп содержит корпус, вал, упругий подвес, установленный на вал и обеспечивающий ротору возможность поворота относительно вала вокруг двух ортогональных осей, ротор, установленный на упругий подвес и имеющий кольцевой магнит, намагниченный в радиальном направлении и имеющий чередующиеся участки большей и меньшей намагниченности, статор двухкоординатного датчика угла, установленный на корпусе и имеющий катушки, вставленные в кольцеобразный канал ротора, при этом между статором двухкоординатного датчика угла и корпусом установлены две втулки, одна из которых присоединена к статору и имеет сферическую поверхность с центром в точке пересечения оси вала с осями подвеса, а вторая, установленная на корпусе, имеет коническую поверхность, сопрягающуюся со сферической поверхностью первой втулки, с возможностью углового смещения первой втулки относительно второй.

Способ автономного определения угловых положений объекта с шестью степенями свободы пространственного движения // 2629691

Использование: для преобразования угловых положений. Сущность заключается в том, что способ автономного определения положения объекта основан на формировании информативного гармонического сигнала частоты вращения гироскопа с радиально намагниченным ротором–магнитом путем индуцирования эдс в обмотке сферического соленоида, механически закрепленного на объекте, электрическом арретировании ротора гироскопа, наведении его оси вращения на объект внешнего пространства и установке начального отсчета координат, разарретировании и выделении из информативного сигнала параметров по двум координатам, курса и тангажа, при этом формируют одновременно три попарно биортогональных между собой синусно-косинусных сигнала индуцированием эдс частоты вращения ротора, выполненного в форме полого полного или неполного шара, намагниченного перпендикулярно его оси вращения и помещенного внутри или снаружи сферы из немагнитного материала, на которой взаимно пространственно перпендикулярно расположены три сферических соленоида, а параметры трех угловых положений объекта, представленного связанной с ним системой координат в виде трех попарно биортогональных между собой синусно-косинусных сигналов, относительно внешнего инерциального, псевдоинерциального или неинерциального пространства, представленного вращающимся шаровым ротором-магнитом, определяют одновременной демодуляцией по трем каналам амплитуд и фаз трех пар обозначенных синусно-косинусных сигналов по заданным алгоритмам.

Гироскопический датчик угловых положений объекта с шестью степенями свободы // 2629690

Использование: для первичных измерительных преобразователей (датчиков) угловых положений объектов с шестью степенями свободы пространственного движения. Сущность изобретения заключается в том, что гироскопический датчик угловых положений объекта с шестью степенями свободы содержит гироскоп с вращающимся ротором-магнитом, намагниченным перпендикулярно оси вращения, помещенный внутри сферического соленоида и разгонного устройства, снабженного системами электрического арретирования и стабилизации частоты вращения ротора, при этом дополнительно введены еще два сферических соленоида, расположенных попарно биортогонально с первым соленоидом и между собой, а вместе трехмерно ортогонально, все три соленоида расположены на сфере, выполненной из немагнитного материала и жестко соединенной с объектом зафиксированным внешним кардановым подвесом, а ротор-магнит выполнен в форме полого сферического шара, частично заполненного немагнитной демпфирующей жидкой средой, а зазор между ротором и сферой с соленоидами заполнен жидкой смазкой, на сфере параллельно оси сферического соленоида начального отсчета расположено прицельное устройство, а на втулках карданового подвеса установлены элементы снятия фиксации.

Устройство и способ измерения абсолютной угловой скорости // 2621642

Изобретение относится к гироскопической технике и может быть использовано для измерения абсолютной угловой скорости подвижных объектов - самолетов, ракет, морских судов.