Патент на изобретение №2295113

(54) ИНЕРЦИАЛЬНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРИБОР

(57) Реферат:

Изобретение относится к системам ориентации и навигации подвижных объектов, в частности к системам информационного обеспечения пилотажно-навигационных комплексов летательных аппаратов. Инерциальный измерительный прибор содержит инерциальные чувствительные элементы в виде гироскопа и акселерометра, установленные на имеющем шарикоподшипниковые опоры валу, на котором также установлены ротор электрического двигателя и ротор датчика угла поворота вала, а на корпусе прибора установлены соответственно статор электрического двигателя и электрический преобразователь датчика угла поворота вала, при этом выходы гироскопа и акселерометра соединены посредством устройств связи с соответствующими входами расположенного на корпусе электронного устройства обработки выходной информации, с другими входами этого устройства соединен через устройство сопряжения выход фотоэлектрического преобразователя датчика угла поворота вала, причем в качестве инерциальных чувствительных элементов используются однокомпонентные функционально завершенные модули в виде сборочных единиц гироскопа и акселерометра, дополнительно введены платформа, жестко соединенная с валом, скользящие круговые токоподводы, микропроцессорное устройство, интерфейсы связи, платы сервисной электроники гироскопа и акселерометра, причем измерительные оси гироскопа и акселерометра параллельны между собой и перпендикулярны оси вращения вала, скользящие круговые токоподводы установлены между валом с платформой и корпусом, введены в состав электронного устройства обработки выходной информации микропроцессор с интерфейсами связи, в качестве устройства связи выходов плат сервисной электроники гироскопа и акселерометра с электронным устройством обработки выходной информации использованы скользящие круговые токоподводы или бесконтактный инфракрасный интерфейс. Технический результат: повышение точности измерения абсолютных угловых скоростей и кажущихся ускорений. 4 з.п. ф-лы, 12 ил.

Изобретение относится к системам ориентации и навигации подвижных объектов (ПО), в частности к системам информационного обеспечения пилотажно-навигационных комплексов летательных аппаратов. Оно предназначено для определения абсолютных угловых скоростей и кажущихся ускорений ПО.

Уровень техники в данной области характеризуется следующей информацией.

Известен гирокомпас на волоконно-оптическом гироскопе [1], включающий поворотную платформу, датчик положения поворотной платформы и волоконно-оптический гироскоп, содержащий чувствительный контур в виде волоконно-оптической катушки, установленной на платформе так, что ось чувствительности гироскопа, перпендикулярная плоскости витков катушки, является ортогональной к оси вращения платформы, при этом катушка установлена на платформе так, что ось ее магнитной чувствительности, расположенная в плоскости витков катушки, совпадает с осью вращения платформы. Недостатками данного изобретения являются: невозможность измерения еще двух углов ориентации и необходимость иметь горизонтальную площадку на подвижном объекте, ограниченность области применения.

Известен малогабаритный гироскопический инклинометр [2], предназначенный для измерения азимута и зенитного угла осевой линии наклонно направленных скважин в заданных точках по всей их длине. Изобретение предназначено для использования в нефтегазовой промышленности и геофизике при исследовании траекторий скважин малого диаметра. Инклинометр содержит гироскоп, два маятниковых акселерометра, блок электроники для питания чувствительных элементов и передачи информации на наземную аппаратуру, прочную герметичную оболочку, систему виброгасителей и амортизаторов. Для механической и электрической связи с наземной аппаратурой используется каротажный кабель. Реверсивное вращение гироскопа на 180° в процессе измерений осуществляется двигателем постоянного тока через многоступенчатый редуктор, имеющий только один вал и одну ось, а стабильность ориентации гироскопа при измерениях обеспечивается за счет прижатия упора к базовым плоскостям с помощью одной пружины в обеих позициях, что позволяет использовать инклинометр в скважинах малого диаметра. Недостатками этого устройства являются невозможность повышения точности измерений из-за того, что производится реверсирование измерительных осей только единственного гироскопического датчика, без акселерометров, а также отсутствие устройств реверсирования маятниковых акселерометров и динамически настраиваемого гироскопа вокруг другой оси, в силу чего погрешности измерения по этой оси не могут быть снижены.

Известен гирогоризонткомпас на волоконно-оптических гироскопах с вращением блока чувствительных элементов, описанный в статье [3]. Гирогоризонткомпас содержит инерциальный измерительный модуль (ИИМ) на трех волоконно-оптических гироскопах, оси которых взаимно перпендикулярны, и трех кварцевых акселерометрах, оси которых взаимно перпендикулярны, со встроенным узлом микроэлектроники, расположенных на поворотной платформе, имеющей свободу вращения вокруг оси, перпендикулярной плоскости платформы и параллельной нормальной оси подвижного объекта. Встроенный узел микроэлектроники также включает в себя набор электронных цифровых плат, включающих микропроцессор с памятью и последовательными портами, плату аналого-цифровых преобразователей (АЦП), расширитель интерфейса и плату вторичного электропитания, которые вместе образуют бортовую микроЭВМ (бортовой вычислитель). Возможность вращения обеспечивается установкой модуля на платформе с безредукторным приводом, соединенным с системой управления, содержащей микроконтроллер, подключенный к бортовой микроЭВМ через последовательный порт. На платформе также расположены электронные схемы вторичного электропитания гироскопов и акселерометров и микроконтроллер, управляющий безредукторным приводом поворотной платформы. Для соединения вращающихся и неподвижных частей электрических цепей прибора использованы токоподводы неограниченного вращения. Вращение инерциальных датчиков используется для повышения точности примененных волоконно-оптических гироскопов и акселерометров, которые без автокомпенсации ошибок вращением не обеспечивают требуемую точность гирокомпасирования. Недостатками ИИМ по статье [3] являются:

1. Наличие устройства реверсирования измерительных осей гироскопов и акселерометров только вокруг нормальной оси подвижного объекта, что не позволяет повысить точность измерений по всем трем измерительным осям.

2. Высокая стоимость датчиков первичной информации – волоконно-оптических гироскопов и кварцевых акселерометров.

Отмеченные недостатки не могут быть устранены в данном аналоге [3] при том приборном составе гирогоризонткомпаса, при котором обеспечивается высокая точность определения только одного измеряемого компонента движения объекта – горизонтальной составляющей угловой скорости суточного вращения Земли. Они могут быть устранены при увеличении числа определяемых компонентов движения подвижного объекта и при снятии требования на то, чтобы подвижный объект имел малые углы отклонения от плоскости горизонта. Этому требованию может соответствовать инерциальный измерительный модуль (ИИМ), входящий с состав бесплатформенной инерциальной навигационной системы (БИНС), который может быть установлен на подвижном объекте, совершающем произвольные угловые и поступательные движения. Такой ИИМ может быть составлен из двух инерциальных измерительных приборов, подобных описанному в [4].

Известен инерциальный измерительный прибор (ИИП), описанный в патенте США [4]. Он принят за наиболее близкий аналог предлагаемого изобретения.

Инерциальный измерительный прибор включает в свой состав в качестве инерциальных чувствительных элементов (ИЧЭ) гироскоп и акселерометр с механическими пружинами, установленные на полом, имеющем шарикоподшипниковые опоры, валу, на котором также установлены ротор синхронного двигателя и ротор датчика угла поворота вала, на корпусе прибора – статор синхронного двигателя, а также фотоэлектрический преобразователь датчика угла поворота вала, при этом гироскоп и акселерометр выполнены в виде двух удлиненных пластин, закрепленных своими средними частями на полом валу взаимно перпендикулярно так, что в первой из них плоская часть пластины расположена в плоскости, перпендикулярной оси полого вала и соответствует гироскопу, а во второй из них плоская часть пластины расположена в плоскости, включающей ось полого вала и соответствует акселерометру, при этом к каждой пластине и к полому валу прикреплены изолированные друг от друга контуры оптического волокна, в каждом из которых один конец соединен со светоделителем, являющимся оптическим приемником, расположенным со стороны первого торца полого вала напротив излучающей поверхности светодиода, закрепленного на корпусе прибора, а вторые концы волоконно-оптических контуров соединены с другими изолированными друг от друга светоделителями, расположенными на втором торце полого вала напротив соответствующих каждому из них двух фотоприемников, закрепленных так, что светодиод, первый светоделитель, соответствующий контур оптического волокна, второй светоделитель, фотоприемник образуют интерферометр Маха-Зандера, один соответствует гироскопу, а второй – акселерометру, причем выход каждого фотоприемника соединен со входом первого и второго фильтров, выходы первого и второго фильтров соединены с первыми входами первого и второго демодуляторов соответственно, второй вход первого демодулятора соединен с выходом датчика угла с нулевым начальным фазовым сдвигом, а второй вход каждого второго демодулятора соединен с выходом датчика угла с фазовым начальным сдвигом, равным 90°, а выходы четырех демодуляторов соединены со входами четырех выходных фильтров, выходы двух из них являются выходами ИИП по двум компонентам абсолютной угловой скорости подвижного объекта (ПО) по осям, перпендикулярным оси вращения полого вала, а выходы третьего и четвертого выходных фильтров являются выходами по двум компонентам кажущегося ускорения ПО по тем же осям.

Недостатками данного наиболее близкого аналога предлагаемого изобретения являются:

1. Невысокая точность измерения угловых скоростей и кажущихся ускорений из-за использования гироскопа и акселерометра с механическими пружинами, в виде пластин, каждая из которых обладает большой погрешностью, величиной до 0,1…0,5% [5].

2. Необходимость разработки и изготовления сложной конструкции ИИП в соответствии с патентом США №5059690 в виде полого вала с двумя крестовинами и другими сложными конструктивными элементами. Это требует больших технико-экономических затрат и длительного времени для освоения и производства ИИП.

3. Наличие фильтров в каждом из четырех выходных каналов ИИП, приводящих к амплитудным и фазовым показаниям, т.е. к динамическим погрешностям выходных сигналов.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности измерения абсолютных угловых скоростей и кажущихся ускорений путем применения конструкции ИИП, основанной на использовании готовых модулей в виде сборочных единиц гироскопа и акселерометра разных типов, в том числе точных компенсационного типа, микропроцессоров и других элементов, упрощение технологии изготовления и регулировки за счет применения готовых модулей элементов, что ведет к снижению стоимости и времени изготовления ИИП. Кроме того, за счет использования в микропроцессорном устройстве новых алгоритмов и схемы электронного устройства обработки выходных сигналов гироскопов и акселерометров дополнительно снижаются погрешности ИИП.

Сущность изобретения. Поставленная задача решается тем, что в инерциальном измерительном приборе, включающем в свой состав инерциальные чувствительные элементы в виде гироскопа и акселерометра, установленные на имеющем шарикоподшипниковые опоры валу, на котором также установлены ротор электрического двигателя и ротор датчика угла поворота вала, а на корпусе прибора установлены соответственно статор электрического двигателя и электрический преобразователь датчика угла поворота вала, при этом выходы гироскопа и акселерометра соединены через посредство устройств их связи с соответствующими входами расположенного на корпусе электронного устройства обработки выходной информации, с другими входами этого устройства соединен через устройство сопряжения выход фотоэлектрического преобразователя датчика угла поворота вала, причем в качестве инерциальных чувствительных элементов используются однокомпонентные функционально завершенные модули в виде сборочных единиц гироскопа и акселерометра, дополнительно введены платформа, жестко соединенная с валом, скользящие круговые токоподводы, микропроцессорное устройство, интерфейсы связи, платы сервисной электроники гироскопа и акселерометра, причем измерительные оси гироскопа и акселерометра параллельны между собой и перпендикулярны оси вращения вала, скользящие круговые токоподводы установлены между валом с платформой и корпусом, введены в состав электронного устройства обработки выходной информации микропроцессор с интерфейсами связи, в качестве устройства связи выходов плат сервисной электроники гироскопа и акселерометра с электронным устройством обработки выходной информации использованы скользящие круговые токоподводы и интерфейсы связи.

Во второй разновидности инерциальный измерительный прибор выполнен по аналогичной описанной выше схеме, в его составе в качестве устройства связи выходов гироскопа и акселерометра с входами электронного устройства обработки информации применен бесконтактный инфракрасный интерфейс с подвижным и неподвижным портами, для передачи выходной информации гироскопа и акселерометра на корпус выходы плат сервисной электроники гироскопа и акселерометра соединены со входами подвижного инфракрасного порта беспроводного интерфейса, установленного на валу с платформой так, что направление излучаемого им света параллельно оси вращения вала с платформой, на корпусе установлены через 120° три неподвижных инфракрасных порта беспроводного интерфейса, расположенных по круговой траектории, по которой должен перемещаться луч света подвижного инфракрасного порта, выходы трех неподвижных портов инфракрасного бесконтактного интерфейса и выходы фотоэлектрического преобразователя датчика угла поворота вала соединены через интерфейсы связей со входами микропроцессорного устройства.

В третьей разновидности инерциальный измерительный прибор выполнен как описано выше, но в качестве инерциальных чувствительных элементов использованы шесть микромеханических гироскопов и шесть микромеханических акселерометров, объединенных в две триады микромеханических гироскопов и в две триады микромеханических акселерометров в каждой из триад – с параллельными измерительными осями инерциальных чувствительных элементов, четырьмя мажоритарными элементами, а также аккумуляторными батареями, установленными на валу с платформой, причем измерительные оси двух триад микромеханических гироскопов взаимно перпендикулярны и перпендикулярны оси вращения вала с платформой, измерительные оси первой триады микромеханических акселерометров параллельны измерительным осям первой триады микромеханических гироскопов, а измерительные оси второй триады микромеханических акселерометров параллельны измерительным осям второй триады микромеханических гироскопов, выходы плат сервисной электроники трех микромеханических гироскопов, а также трех микромеханических акселерометров в любой из триад соединены со входами соответствующих мажоритарных элементов, выход каждого мажоритарного элемента соединен с соответствующим входом микропроцессора, размещенного на валу с платформой, в качестве токоподводов от аккумуляторных батарей к электроэлементам, расположенным на валу с платформой, используются провода, соединяющие аккумуляторные батареи с соответствующими электроэлементами с помощью пайки, выходы микропроцессорного устройства по двум оценкам компонентов абсолютной угловой скорости и двум оценкам компонентов кажущегося ускорения подвижного объекта, перпендикулярных оси поворота вала с платформой, соединены с входом подвижного порта инфракрасного бесконтактного интерфейса, установленного на валу так, что направление излучаемого им света параллельно оси вращения вала с платформой, на корпусе установлены через 120° три неподвижных порта инфракрасного бесконтактного интерфейса, расположенных по круговой траектории, по которой имеет возможность перемещаться луч света подвижного порта инфракрасного бесконтактного интерфейса.

Технический результат изобретения достигается за счет того, что в инерциальном измерительном приборе применены однокомпонентные функционально завершенные модули сборочных единиц гироскопа и акселерометра, в том числе точные компенсационного типа, более чем на порядок точнее ИЧЭ с механическими пружинами [5], с платами сервисной электроники. На валу закреплена платформа, на которой закреплены ИЧЭ и платы сервисной электроники, введены микропроцессор, интерфейсы связи, скользящие круговые токоподводы для подвода питания к валу с платформой и съема с него информации, применены алгоритмы пересчета информации сигналов гироскопа, акселерометра и датчика угла поворота вала с платформой в оценки двух взаимно перпендикулярных компонентов абсолютной угловой скорости и двух взаимно перпендикулярных, перпендикулярных оси вращения вала компонентов кажущегося ускорения подвижного объекта. За счет вращения ИЧЭ и применения сглаживающих алгоритмов в микропроцессорном устройстве снижены погрешности определения и (i=1, 2, 3). Кроме того, за счет этого упрощается конструкция, технология, а значит снижены время и стоимость изготовления ИИП.

Технический результат второй разновидности изобретения достигается за счет того, что для повышения точности и надежности съема информации скользящие круговые токоподводы применены только в цепях электрического питания, а передачу информации с гироскопического измерителя угловой скорости и акселерометра осуществляют через посредство инфракрасного бесконтактного интерфейса, выполняющего роль круговых токоподводов, которые обладают более высокой точностью, чем интерферометр Маха-Зандера, конструктивно выполнены в модульном серийном варианте, обеспечивающем более простую и дешевую конструкцию ИИП.

Технический результат третьей разновидности изобретения достигается за счет использования шести микромеханических гироскопов и шести микромеханических акселерометров на валу с платформой, объединенных в триады, выходы каждой триады через соответствующие мажоритарные элементы связаны с микропроцессорным устройством электронного устройства обработки выходной информации, размещенных на валу с платформой, выходы микропроцессорного устройства связаны со входами инфракрасного бесконтактного интерфейса. Этот вариант в наибольшей степени является модульным, он проще, надежнее и дешевле, чем наиболее близкий аналог изобретения.

На фиг.1 представлена кинематическая схема инерциального измерительного прибора (ИИП). На фиг.2 представлена функциональная схема ИИП. На фиг.3 представлена кинематическая схема второго варианта инерциального измерительного прибора. На фиг.4 представлена кинематическая схема третьего варианта инерциального измерительного прибора, а также установки ММГ и ММА в инерциальном измерительном приборе. На фиг.5 представлена схема поворотов систем координат. На фиг.6 представлен график угловой скорости дрейфа микромеханического гироскопа ММГ1. На фиг.7 представлен график угловой скорости дрейфа микромеханического гироскопа ММГ2. На фиг. 8 представлен вид выходного сигнала датчика угловой скорости ММГ1, при угловой скорости подвижного объекта 0,1% с наложением измерительных шумов, приведенных на фиг.6 при вращении платформы. На фиг.9 представлен вид выходного сигнала датчика угловой скорости ММГ2 при угловой скорости подвижного объекта 0,1% с наложением измерительных шумов, приведенных на фиг.7, при вращении платформы. На фиг. 10 представлен вид сигнала датчика ММГ1 после проведения компенсации дрейфов. На фиг.11 представлен вид сигнала датчика ММГ2 после проведения компенсации дрейфов. На фиг.12 приведена итоговая ошибка определения угловой скорости.

Введены следующие позиции: 1 – гироскопический измеритель угловой скорости (ГИУС), например, волоконно-оптический (ВОГ), например, с компенсационной обратной связью, микромеханический гироскоп (ММГ) или малоразмерный гироскоп других типов; 2 – измеритель кажущегося ускорения в виде акселерометра кварцевого или, например, с компенсационной обратной связью другого типа. Позицией 3 обозначен вал с поворотной платформой, имеющей свободу вращения вокруг, например, нормальной оси подвижного объекта ох₂, обеспечиваемую конструктивно через посредство цапф (траверс) 4, шарикоподшипниковых опор 5, наружные кольца которых закреплены на корпусе 6 подвижного объекта. Гироскоп 1 в виде гироскопического измерителя угловой скорости (ГИУС) и акселерометр 2 имеют параллельные измерительные оси, перпендикулярные оси вала, соответственно 7 и 8 – это платы сервисной электроники, являющиеся устройствами предварительной обработки выходной информации гироскопа и акселерометра (фиг. 3), размещенные рядом или, например, в одних и тех же корпусах с гироскопом и акселерометром на валу с платформой 3. Позицией 9 показано устройство сопряжения. Для подвода напряжений от электрических источников тока и съема информации используются круговые скользящие токоподводы, состоящие из контактных колец 10 и токосъемников 11. На валу с платформой 3 установлен двигатель 12, например, синхронного типа, в частности электродвигатель ДБ-0,32. Кроме того, установлен ротор датчика угла 13, а на корпусе 6 – его фотоэлектрический преобразователь (например, цифровой датчик угла Лир-158 ГД, вариант 5 или Лир-119А фирмы СКБ измерительных систем, г.Санкт-Петербург). Электродвигатель 12, датчик угла 13 и усилитель (на фигурах не показан) образуют электропривод; ИИП через круговые скользящие токоподводы 10, 11 имеет электрические соединения с соответствующими электрическими источниками питающих напряжений (не показаны) и другими элементами.

На фиг.2 изображены функциональные взаимосвязи электроэлементов ИИП. Выходы гироскопа и акселерометра 1 и 2 соответственно соединены со входами плат сервисной электроники 7 и 8. Их выходы через круговые скользящие токоподводы 10, 11 соединены со входами интерфейсов связи 14 и 15, выходы которых соединены с первым и вторым входом микропроцессорного устройства 16 (выполненного, например, фирмой Tehas Instruments, марки TMS 320 F 2810). С третьим выходом микропроцессорного устройства 16 соединен выход устройства сопряжения 9, примененного для соединения датчика угла 12 с микропроцессорным устройством 16. Фактически, 16 – это бортовой компьютер.

Во второй разновидности в ИИП (фиг.3) с целью повышения точности и надежности съема информации в ИИП используются в качестве токоподводов беспроводные интерфейсы связи – инфракрасные порты. Позицией 17 обозначен подвижный инфракрасный порт бесконтактного интерфейса, установленный на валу с платформой 3. Позицией 18 обозначены неподвижные инфракрасные порты этого же интерфейса. Выходы плат 7 и 8 сервисной электроники ГИУС1 и акселерометра соединены с входными элементами подвижного инфракрасного порта 17. Направление излучения подвижного порта 17 параллельно оси вращения вала с платформой 3. Позицией 18 обозначена тройка неподвижных инфракрасных портов, установленных на корпусе прибора через 120° так, чтобы обеспечивать непрерывный съем информации с ИИП. Инфракрасные порты 17, 18 устанавливаются таким образом и на таком расстоянии, чтобы располагаться на круговой траектории света. Передача данных синхронизируется с положением платформы. В качестве инфракрасных портов могут применяться микросхемы ИК приемника/передатчика HSDL-3602 фирмы Agilent Technologies. Подвод цепей питания осуществляется через круговые скользящие токоподводы, число которых сокращено по сравнению с первым вариантом выполнения токоподводов съема информации.

Позицией 10, как и на фиг.1, обозначены токосъемные кольца, установленные на траверсах 4 вала с платформой 3, а позицией 11 – токосъемники, закрепленные на корпусе 6. Токосъемное кольцо 10 и токосъемник 11 образуют круговой скользящий токоподвод в ИИП.

При использовании в ИИП в качестве гироскопических измерителей угловой скорости и акселерометров приборов с малым энергопотреблением, например микромеханических гироскопов (ММГ) и микромеханических акселерометров (ММА) (фиг.4), в качестве источников электропитания электроэлементов ИИБ введены аккумуляторные батареи, например, V30145-K1310-X183 фирмы Siemens, также установленные на валу с платформой 3, обозначенные на схеме позицией 19. Скользящие токоподводы отсутствуют. В качестве токоподводов питающих напряжений для ПИЛ используются провода (жгуты), размещенные на валу с платформой 3 и соединяющие аккумуляторные батареи 19 через выключатели (не показаны) с соответствующими электроэлементами с помощью пайки.

На фиг.4 применены по шесть ММГ и шесть ММА в ИИП. На фиг.4 приняты обозначения позиций: 1_а, 1_в – триады микромеханических гироскопов (ТММГ) с мажоритарными элементами; 2_а, 2_в – триады микромеханических акселерометров (ТММА), с мажоритарными элементами. Измерительные оси ТММГ 1_а, и ТММА 2_а направлены по оси вала с платформой 3 ou₁ и параллельны между собой; измерительные оси ТММГ 1_в и ТММА 2_в направлены по оси ou₃ вала с платформой 3 и также совпадают между собой. Оси ou₁ и ou₃ взаимно перпендикулярны и перпендикулярны оси ОХ₂ подвижного объекта и оси ou₂ вращения вала с платформой 3. Особенностью ИИП, выполненного по фиг.4, является то, что микропроцессорное устройство 16 размещено на валу с платформой 4, с его входами соединены выходы всех мажоритарных элементов триад ИЧЭ 1a…2в.

Для пояснения работы ИИП введены: Ox₁x₃x₃ – система координат, связанная с подвижным объектом, причем ось Ox₁ совпадает с продольной осью подвижного объекта, оси Ох₂ – параллельна нормальной оси подвижного объекта, а Ох₃ – параллельна поперечной оси подвижного объекта, ou₁u₂u₃ – система координат, связанная с валом с платформой 3. Измерительные оси ГИУС и акселерометров совпадают с соответствующими по нумерации осями ou₁, ou₃ системы координат ou₁u₂u₃. Работа ИИП осуществляется следующим образом. Включается питание. Вал с платформой 3 начинает вращаться на конечный (неограниченный) угол относительно корпуса 6 подвижного объекта с угловой скоростью , задаваемой с помощью электропривода. Здесь _x1, _x2, _x3 – компоненты абсолютной угловой скорости вращения подвижного объекта; W_x1, W_x2, W_x3 – компоненты кажущегося ускорения точки О ПО.

Инерциальный измерительный прибор устанавливается на борту подвижного объекта как можно ближе к центру масс. В процессе работы инерциальные блоки вращаются вокруг оси Ох₂ и (ou₂) с частотой 10_k, где _k – максимальная частота изменения угловой скорости или кажущегося ускорения подвижного объекта. Сигналы об измеренных компонентах с ГИУС и акселерометров через платы сервисной электроники и мажоритарные элементы поступают через круговые скользящие токоподводы 10, 11 или бесконтактные интерфейсы 17, 18 (или провода) на соответствующие входы микропроцессорного устройства. На другой вход микропроцессорного устройства 16 поступает сигнал с устройства сопряжения 9 датчика угла 13 поворота вала с платформой. В микропроцессорном устройстве 16 производится пересчет измеренных компонентов кажущегося ускорения и абсолютной угловой скорости в соответствующие компоненты систему координат, связанной с корпусом ПО Ox₁x₂x₃.

Выходные сигналы цепей ГИУС и акселерометра включают следующие составляющие:

1. Медленно меняющиеся составляющие угловых скоростей дрейфов гироскопов (сдвигов нулей акселерометров), которые накладываются на угловую скорость вращения платформы и смещают характеристику на некоторую постоянную величину в течение одного поворота вала с платформой, благодаря чему появляется возможность исключить их влияние на результаты измерений.

2. Угловая скорость подвижного объекта – измеряемый сигнал, он модулируется угловой скоростью вращения платформы и при постоянной угловой скорости объекта имеет синусоидальную форму, причем максимальное значение эта составляющая сигнала будет иметь при совпадении измерительной оси гироскопа или акселерометра с вектором угловой скорости или кажущегося ускорения подвижного объекта, минимальным ее значение будет при таком повороте платформы, когда измерительная ось будет обратна вектору угловой скорости, и нулевым при таком повороте платформы, что угол между измерительной осью и вектором угловой скорости равен 90°. Благодаря синусоидальному характеру сигнала, его легко выделить из прочих составляющих. Аналогичная картина наблюдается в сигналах кажущихся ускорений – они будут модулированы синусными и косинусными членами.

3. Шумовые составляющие угловых скоростей дрейфов ГИУС и сдвигов нулей акселерометров (измерительные шумы). Они компенсируются лишь частично, так как выделить их из сигнала ГИУС и акселерометров достаточно сложно.

Ниже выводятся соотношения, показывающие, что для случая вращения ГИУС (гироскопа) и акселерометра по фиг.1, 3, 4 становится возможным в ИИП в основном устранить медленно меняющиеся составляющие дрейфа гироскопа, сдвига нуля акселерометра, являющиеся основными частями погрешностей, а также отчасти шумовых составляющих сигналов. Для вывода указанных соотношений на фиг.5 представлены схемы поворотов системы координат ou₁u₂u₃, а также проекций угловых скоростей и кажущихся ускорений _x1, W_x1, … ИИП. При этом изображены проекции абсолютных угловых скоростей _x1, _x3 и кажущихся ускорений W_x1, W_x3 подвижного объекта на измерительные оси (ИО) ГИУС 1 и акселерометра 2, совпадающие с осью Ou₁ вала с платформой 3. Обозначены эти проекции на измерительную ось в виде _u1 и W_u1 и определяются соотношениями:

Электропривод через посредство двигателя 12 вращает вал с платформой 3 с постоянной угловой скоростью , так что имеем для угла формулы:

где t₀ и t – начальное и текущее значения времени. Для простоты можно принять t₀=0. На фиг.5 номерами I, II, III, IV обозначены номера полуоборотов вала с платформой 3. Сигналы ГИУС 1, а также акселерометра 2, называемые оценками, обозначаем , , причем

где _u1, W_y1 – угловые скорости дрейфа ГИУС и сдвиг нуля акселерометра. Углам и оценкам переменных для различных полуоборотов ИО будем приписывать нижние индексы в _ni (i=1, 2, 3, 4). Индекс n – номер оборота, i – номер полуоборота, так i=1, это значит, что ИО находится в полуокружности I, то есть в секторе угла ₁[0,]; i=2 означает, что ИО находятся в секторе угла ₂[, 2] и т.д.

Выведем алгоритмы работы ИИП. Проинтегрируем сигнал ГИУС 1 Т для первого полуоборота I (фиг.5), соответствующего (n=1 пока не пишем):

где T₁ – период поворота ИО₁ на один первый оборот, ⁽¹⁾ – проинтегрированный сигнал ГИУС 1. Так как , то в силу этого имеет место соответствие между углом поворота и периодом поворота ИО. При этом

В состав погрешности _u1, как указано выше, входит медленно изменяющаяся составляющая, то есть угловая дрейфа и шумовая составляющая . Интегрирование дает следующую формулу с учетом соотношения (1), в силу которого в пределах периода оборота можно считать:

При этих условиях имеем:

здесь ₁ – погрешность, вызванная интегралом от шумовой составляющей переменного ГИУС 1 сигнала.

Для второго полуоборота II, а следовательно, для второго полупериода , …, T₁ по аналогии получили:

После сложения и вычитания сигналов ₁ и ₂ получаем для погрешности и информации ГИУС 1 следующие выражения:

Для ГИУС 1 выходной является информация ₁–₂, в которой скомпенсирована погрешность, вызванная медленно изменяющейся (постоянной в пределах первого оборота) угловой скоростью дрейфа. Влияние шумовой составляющей также снижено при интегрировании сигнала, в основном за счет высокочастотных по сравнению с гармоник шумов. Для n-го оборота на основе вышеизложенных выкладок, записывая для определения _n-1, _n-2 дифференциальные соотношения, получаем следующий алгоритм для определения разности оценок углов _n1–_n2 и угловой скорости подвижного объекта :

где – вычисленное бортовым вычислителем на значение оценки абсолютной угловой скорости подвижного объекта n-ом обороте ИО, , – значения оценок угловой скорости и угла поворота ИО n-го оборота. Для сдвинутого на угол =90° относительно оси Ox₁ угла поворота ИО имеем для полуоборотов III и IV (фиг.5) следующие интегралы:

где Ф₃, Ф₄ – оценки интегралов для нижнего и верхнего полуоборотов первого оборота измерительной оси ОИ ГИУС 1 по фиг.5. Период Т’ соответствует этому обороту .

Алгоритм определения компонента оценки абсолютной угловой скорости, найденной по аналогии с алгоритмами (7), (8), имеет для первого оборота вид:

Обобщая и записывая (9) в дифференциальной форме, для m-го оборота имеем алгоритмы:

Отсчет производится от значения времени t_m-1, соответствующего прохождению оси ОИ₁ через ось Ох₃. Погрешности определения не содержат постоянной на обороте m измерительной оси ГИУС угловой скорости дрейфа и имеют уменьшенную погрешность от шумов .

Идентичным образом выведены алгоритмы для определения оценок кажущихся ускорений и , в которых отсутствуют постоянные сдвиги нуля акселерометра и существенно снижена погрешность от шумов . Алгоритмы имеют вид:

Соответствующие индексы в (10)-(12) имеют тот же смысл, что и в (7), (8). Итак, алгоритмами определения оценок угловых скоростей , и кажущихся ускорений , подвижного объекта являются выражения (7), (8), (10), (11), (12) – в указанных оценках будут иметь место существенно сниженные погрешности от медленно изменяющихся погрешностей и шумов ГИУС и акселерометров. В подтверждение данного заключения рассмотрим пример для ГИУС. Задаем:

В соответствии с формулой (5) для оценки имеем

После интегрирования этого сигнала по полупериодам получаем формулы:

По формулам (6) имеем:

Нетрудно увидеть, что ₁+₂ несет в себе информацию об угловой скорости дрейфа и шумах ГИУС 1, а из формулы ₁–₂ определяем угловую скорость подвижного объекта по формуле (7):

Пример показывает полезность данного изобретения, так как в выходном сигнале отсутствуют погрешности, которые присущи ГИУС. На практике эффект снижения погрешности ниже, чем в данном примере. В [6] указано, что в эксперименте с отдельным ВОГ погрешности такого типа снизились в 60 раз.

Рассмотрим теперь, как снизятся погрешности в акселерометре 2. Задаем следующие параметры:

На основе формулы (5) для оценки имеем:

В сигнале акселерометра имеются погрешности величиной до 0,11%. Интегрируя, получаем с учетом t_l-1=0, Т_l=T₁, T₁=Т:

В также отсутствуют погрешности от акселерометров. Данный расчет также свидетельствует о полезности изобретения. Выполненные расчеты на основе соотношений (7), (8), (10)-(12) относятся к ГИУС и акселерометрам высокой и средней точности – им соответствуют схемы фиг.1-3. В случае применения ММГ и ММА указанные выше описания и схемы фиг.1-3 также могут быть использованы. Однако при применении ММГ и ММА с учетом их дешевизны целесообразно принять меры по повышению надежности ИИП. Этим случаям соответствуют фиг.4.

Работа ИИП в соответствии с фиг.4 происходит аналогично тому, как и для фиг.1, 2, 3. Отличия состоят в алгоритмах, приведенных ниже, а также в особенностях работы. Особенность функционирования (работы) ИИП по фиг.4 состоит в том, что каждая триада ММГ и ММА работает с мажоритарным элементом, который определяет, какой из трех ММГ (или какой из трех ММА) в соответствующей триаде вышел из строя, и отключает его сигнал. Если же исправны все ММГ и ММА в триадах, то используются все приборы. В микропроцессоре для каждой тройки ММГ и ММА непрерывно определяются средние значения оценок угловых скоростей и кажущихся ускорений со всех четырех триад:

где q означает номер триады. При отказе элемента вместо трех сигналов используются два и т.д. Затем эти сигналы (19) используются для определения дрейфов угловых скоростей и сдвигов нулей ускорений в следующих алгоритмах:

Дрейфы гироскопов и нулевые сигналы акселерометров вычисляются по следующим формулам:

где N – число измерений, выполненных за один полный поворот платформы;

– оценки значений составляющих угловой скорости, получаемые в соответствии с (13);

– оценки значений составляющих кажущегося ускорения, получаемые в соответствии с (13).

Устранение влияния дрейфов гироскопов и нулевых сигналов акселерометров производится путем вычитания полученных значений ошибок из соответствующих сигналов гироскопов и акселерометров согласно следующим формулам:

После этого по следующим формулам находятся значения составляющих угловой скорости и кажущегося ускорения:

где – оценка угла поворота платформы, получаемая по сигналам датчика угла поворота вала с платформой 12.

Результаты проведенного математического моделирования представлены на фиг.6 – фиг.12. Рассматривалась работа только ГИУСов, так как для акселерометров алгоритмы аналогичны. Для математического моделирования были заданы следующие условия: угловая скорость объекта по оси Ox₁ 0,1°/с, по осям Ох₂, Ох₃ – нулевая, частота вращения поворотной платформы – 10 Гц. Математическая модель гироскопов принималась как , , где i=1, 3, _ui – дрейф гироскопа, – постоянная составляющая угловой скорости дрейфа гироскопа, принималась равной 80°/ч; – шумовая составляющая дрейфа гироскопа, задаваемая как Марковский случайный процесс первого порядка со следующими параметрами: интервал корреляции 20 с, среднеквадратическое отклонение 40°/ч.

Заданные дрейфы сигналов датчиков ММГ1 и ММГ2 приведены на фиг.6 и фиг.7. На фиг.8 и фиг.9 приведены сигналы, получаемые с датчиков TMMГ1a и ТММГ1в. На фиг.10 и фиг.11 приведены сигналы, получаемые из сигналов датчиков ТММГ1а и ТММГ1в после компенсации дрейфов согласно формулам (13) и (16). На фиг.12 приведена итоговая ошибка определения угловой скорости объекта, полученная путем вычитания сигналов _x1 и .

Анализ показывает значительное снижение ошибок определения составляющих угловой скорости, получаемых при использовании микромеханических гироскопических измерителей угловой скорости (гироскопов) за счет их вращения. Постоянные составляющие угловых скоростей дрейфов снижены более чем в 20 раз. Шумовые составляющие угловых скоростей дрейфов уменьшились в 1,4-1,5 раза. Общий эффект повышения точности по результатам моделирования составил величину 10-12 раз – погрешности уменьшились от значений ; до значения . Аналогичный эффект будет наблюдаться по всем другим компонентам угловых скоростей, а также кажущихся ускорений ПО. Это свидетельствует о значительной технико-экономической полезности предлагаемого изобретения.

Источники информации

1. Логозинский В.Н., Соломатин В.А. Патент РФ №2080558, МКИ G 01 C 19/64. Волоконно-оптический гирокомпас.

4. Патент США №5059690, 1992, МПК G 01 P, авторы Califano H.T., Blomingdale N.J. «Волоконно-оптический гироскоп – акселерометр».

5. Гироскопические системы ч.2. / Под ред. Д.С.Пельпора – М.: Высшая школа, 1988, с.97.

Формула изобретения

1. Инерциальный измерительный прибор, включающий в свой состав инерциальные чувствительные элементы в виде гироскопа и акселерометра, установленных на имеющем шарикоподшипниковые опоры валу, на котором также установлены ротор электрического двигателя и ротор датчика угла поворота вала, а на корпусе прибора установлены соответственно статор электрического двигателя и электрический преобразователь датчика угла поворота вала, при этом выходы гироскопа и акселерометра соединены через посредство устройств их связи с соответствующими входами расположенного на корпусе электронного устройства обработки выходной информации, с другими входами этого устройства соединены через устройство сопряжения выход фотоэлектрического преобразователя датчика угла поворота вала, источник питающих напряжений, отличающийся тем, что в качестве инерциальных чувствительных элементов использованы функционально завершенные модули в виде сборочных единиц гироскопа и акселерометра, дополнительно введены платформа, жестко соединенная с валом, токоподводы, микропроцессорное устройство, платы сервисной электроники гироскопа и акселерометра, причем измерительные оси гироскопа и акселерометра перпендикулярны оси вращения вала, введены устройства связи выходов плат сервисной электроники гироскопа и акселерометра с электронным устройством обработки выходной информации, которое снабжено микропроцессором с интерфейсами связи.

2. Инерциальный измерительный прибор по п.1, отличающийся тем, что в качестве сборочных единиц гироскопа и акселерометра использованы по одному гироскопу и акселерометру, а для подвода питающих напряжений применены скользящие круговые токоподводы, расположенные на валу, в качестве устройства связи выходов плат сервисной электроники гироскопа и акселерометра со входами электронного устройства обработки информации применены такие же скользящие круговые токоподводы или бесконтактный инфракрасный интерфейс с подвижным и неподвижным портами для передачи выходной информации гироскопа и акселерометра на электронное устройство обработки выходной информации, при этом выходы плат сервисной электроники гироскопа и акселерометра соединены со входами подвижного инфракрасного порта бесконтактного интерфейса, установленного на платформе так, что направление излучаемого им света параллельно оси вращения вала, на корпусе прибора установлены через 120° три неподвижных инфракрасных порта бесконтактного интерфейса, расположенных по круговой траектории, по которой должен перемещаться луч света подвижного инфракрасного порта, выходы трех неподвижных портов инфракрасного бесконтактного интерфейса соединены со входами электронного устройства обработки выходной информации.

3. Инерциальный измерительный прибор по п.1, отличающийся тем, что в качестве сборочных единиц гироскопа и акселерометра использованы по шесть микромеханических гироскопов и шесть микромеханических акселерометров, объединенных в две триады микромеханических гироскопов и в две триады микромеханических акселерометров, в каждой триаде измерительные оси параллельны, причем измерительные оси триад микромеханических гироскопов взаимно перпендикулярны и измерительные оси триад микромеханических акселерометров также взаимно перпендикулярны, в качестве устройства связи выходов плат сервисной электроники гироскопов и акселерометров с выходами электронного устройства обработки выходной информации использован бесконтактный инфракрасный интерфейс с подвижными и неподвижными портами, для связи триад гироскопов и акселерометров с платами сервисной электроники гироскопов и акселерометров применены мажоритарные элементы, при этом выходы плат сервисной электроники гироскопа и акселерометра соединены со входами подвижного инфракрасного порта бесконтактного интерфейса, установленного на платформе так, что направление излучаемого им света параллельно оси вращения вала, на корпусе прибора установлены через 120° три неподвижных инфракрасных порта бесконтактного интерфейса, расположенных по круговой траектории, по которой должен перемещаться луч света подвижного инфракрасного порта, выходы трех неподвижных портов инфракрасного бесконтактного интерфейса соединены со входами электронного устройства обработки выходной информации.

4. Инерциальный измерительный прибор по п.3, отличающийся тем, что в качестве токоподводов от источника питающих напряжений использованы скользящие круговые токоподводы.

5. Инерциальный измерительный прибор по п.3, отличающийся тем, что в качестве источника питающих напряжений использованы установленные на валу с платформой аккумуляторные батареи, а в качестве токоподводов – провода этих аккумуляторных батарей.

РИСУНКИ

MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 16.04.2008

Извещение опубликовано: 20.04.2010 БИ: 11/2010