СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВОЙ СКОРОСТИ ОДНООСНЫМ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИМ ГИРОСКОПОМ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2010 года по МПК G01P9/04 G01C19/56 

Изобретение относится к области приборостроения - микромеханическим гироскопам авиационно-космических пилотажных систем управления, используемых в качестве датчиков угловых скоростей [1-5].

Известны следующие способы и устройства для измерения угловых скоростей летательных аппаратов: механические с вращающимся ротором, оптические - с вращающимся лучом света, ядерные - с использованием спинэффекта электронов и атомного ядра, микромеханические - с вибрирующей чувствительной массой [4, 5].

Известен способ повышения точности микромеханического гироскопа с линейными информационными колебаниями чувствительного элемента и аналоговым выходом информации, основанный на компенсации влияния воздействия линейных ускорений на измеряемую гироскопом угловую скорость, в котором выходной аналоговый сигнал U_г гироскопа формируют путем дифференциального считывания аналоговых сигналов U₁, U₂ с двух одинаковых датчиков, установленных на общем базовом основании со встречным расположением осей чувствительности [2]. Выходное напряжение каждого датчика состоит из двух составляющих: напряжения, обусловленного измеряемой угловой скоростью U_ω, и напряжения, вызванного действием линейных ускорений . Выходное напряжение одного датчика будет равно , а второго . Результирующий сигнал гироскопа будет равен . To есть сигналы, обусловленные действием линейных ускорений, будут исключены из полезного сигнала U_ω.

Основным недостатком этого способа является сложность его реализации и ограниченная эффективность компенсации из-за невозможности сделать два датчика совершенно одинаковыми.

Наиболее близким техническим решением, т.е. прототипом предложенного способа повышения чувствительности микромеханического гироскопа с аналоговым выходным информационным сигналом, является способ, основанный на формировании аналогового сигнала угловой скорости ω за счет изменения его параметров под воздействием внешней нагрузки в направлении оси чувствительности гироскопа Z [2].

Основным недостатком такого способа является существенная зависимость его выходного сигнала от действия линейных ускорений в плоскости, перпендикулярной оси чувствительности Z. При воздействии на гироскоп по ортогональным осям X и Y, лежащим в плоскости, перпендикулярной оси чувствительности гироскопа, линейных ускорений в его выходном сигнале возникает дополнительное напряжение, пропорциональное величине этих ускорений. Этот дополнительный сигнал является ошибкой измерения угловой скорости, вызванной воздействием линейных ускорений.

Известно устройство, в котором микромеханический датчик гироскопа выполнен в виде двухмассной системы. Каждая масса совершает независимые друг от друга встречные колебания. В результате сложения в выходном сигнале двух независимых сигналов, создаваемых встречно перемещающимися массами, происходит компенсация влияния линейных ускорений [3].

Основным недостатком такого устройства является остаточная нескомпенсированность влияния линейных ускорений на выходной сигнал гироскопа, которая по данным зарубежных фирм составляет величину порядка 0,2 град/c/g [3].

Наиболее близким техническим решением, т.е. прототипом предложенного устройства, является устройство, содержащее одноосный микромеханический датчик угловых скоростей с аналоговым выходным информационным сигналом и базовое основание [2].

Основным недостатком такого устройства является существенная зависимость его выходного сигнала от действия линейных ускорений в плоскости, перпендикулярной оси чувствительности Z.

Техническим результатом заявленного изобретения является повышение точности измерений микромеханического гироскопа с линейными колебаниями чувствительного элемента.

Сущность заявленного в изобретении способа повышения точности одноосного микромеханического гироскопа, основанного на формировании аналогового сигнала угловой скорости ω за счет изменения его параметров под воздействием внешней нагрузки в направлении оси чувствительности гироскопа, заключается в том, что дополнительно на этапе настройки гироскопа формируют аналоговые сигналы ускорения (α_xi,α_yi) дополнительно введенным двухосным микромеханическим акселерометром по осям X и Y в плоскости, перпендикулярной направлению оси чувствительности гироскопа Z, преобразовывают их в цифровые сигналы, вычисляют значения коэффициентов зависимости угловой скорости от величины действующего в направлении каждой оси линейного ускорения по формулам:

, ,

где g=9,874 м/с² - ускорение силы тяжести,

α_xi, α_yi - линейное угловое ускорение [град/с²], и - [град·с/м], ω₁÷ω₄ линейная угловая скорость [град/с] и запоминают, а в рабочем режиме формируют соответственно аналоговые сигналы текущих значений угловой скорости Ω_z и линейных ускорений α_x и α_y для каждого момента времени, преобразовывают их в цифровые сигналы, для каждого отсчета вычисляют компенсированное значение угловой скорости по формуле: [град/с] и формируют сигнал для потребителя.

Сущность заявленного в изобретении устройства повышения точности одноосного микромеханического гироскопа, содержащего одноосный микромеханический датчик угловых скоростей с аналоговым выходным информационным сигналом и базовое основание, заключается в том, что в него дополнительно введены двухосный микромеханический акселерометр с аналоговыми выходными информационными сигналами, многоканальный аналогово-цифровой преобразователь, первый вычислитель и цифроаналоговый преобразователь, причем двухосный микромеханический акселерометр установлен на базовом основании совместно с одноосным микромеханическим датчиком угловых скоростей так, что оси чувствительности акселерометра лежат в плоскости, перпендикулярной оси чувствительности микромеханического датчика угловых скоростей, при этом выход одноосного микромеханического датчика угловых скоростей, первый и второй выходы двухосного микромеханического акселерометра соответственно через аналогово-цифровой преобразователь соединены с первым, вторым и третьим входами первого вычислителя, выход которого через цифроаналоговый преобразователь подключен к потребителю.

Техническая реализация заявленного устройства осуществляется на аппаратно-программном комплексе с использованием элементной базы компьютерной техники и микроэлектроники.

На фиг.1 представлена функциональная схема заявленного микромеханического гироскопа, где базовое основание - 1, одноосный микромеханический датчик угловых скоростей - 2, двухосный микромеханический акселерометр - 3, аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) - 4, первый вычислитель 5, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) - 6.

На фиг.2 приведена функциональная схема устройства для калибровки микромеханического гироскопа, где обозначено: кронштейн - 7, оптическая делительная головка - 8, индикатор - 9, поворотный механизм с приводом - 10, блок памяти - 11, второй вычислитель - 12.

Реализация способа повышения точности одноосного микромеханического гироскопа заключается в том, что на этапе его изготовления на общем базовом основании 1 (фиг.1) жестко закрепляют одноосный микромеханический датчик 2 и двухосный микромеханический акселерометр 3. При этом ось чувствительности Z одноосного микромеханического датчика 2 устанавливают перпендикулярно плоскости базового основания 1, а оси чувствительности X,Y акселерометра 3 - в плоскости базового основания.

Для каждой конкретной пары «гироскоп-акселерометр» измеряют значения линейных скоростей (ω₁ и ω₂) и линейных ускорений (α_x1 и α_x2) в направлении оси X при условии, когда вектор ускорения силы тяжести g=9,8174 м/с² совпадает с направлением оси чувствительности X акселерометра 3 и когда ось чувствительности X акселерометра 3 направлена противоположно направлению вектора ускорения силы тяжести. Формируют соответствующие электрические сигналы, преобразовывают их в цифровые и запоминают.

Аналогично измеряют значения линейных скоростей (ω₃ и ω₄) и линейных ускорений (α_y1 и α_y2) при совпадении вектора ускорения силы тяжести g с направлением оси чувствительности Y акселерометра 3 и в противоположном направлении. Формируют соответствующие электрические сигналы, преобразовывают их в цифровые и запоминают.

Значения коэффициентов зависимости угловой скорости от величины действующего в направлении каждой оси линейного ускорения вычисляют по формулам:

,,

где g - ускорение силы тяжести.

Формируют и запоминают электрические сигналы, соответствующие вычисленным числовым значениям коэффициентов и .

В рабочем режиме на выходе датчика гироскопа формируют электрический сигнал первичных измерений , в котором наряду с полезным сигналом присутствует и сигнал ошибки измерений, а на выходе двухосного акселерометра формируют электрические сигналы линейных ускорений (α_x и α_y) соответственно по осям X и Y и вычисляют значение компенсированной угловой скорости по формуле:

Рассмотренный алгоритм реализован в устройстве, представленном на фиг.1.

Работает устройство следующим образом.

На общем базовом основании 1 (фиг.1) жестко закрепляют одноосный микромеханический датчик 2 и двухосный микромеханический акселерометр 3 и на их выходах формируют аналоговые электрические сигналы линейных скоростей Ω_z (в направлении оси Z) и линейных ускорений α_x и α_y (в направлении осей X и Y). Выходы одноосного микромеханического датчика 2 и двухосного микромеханического акселерометра 3 через N-входовой аналогово-цифровой преобразователь 4 (N - число обрабатываемых сигналов, например, для данного случая N=3) подключены к соответствующим входам первого вычислителя 5, выполненного, например, на микропроцессоре, в котором для каждого отсчета поступающих сигналов вычисляют компенсированное значение линейной скорости по формуле:

, где и - коэффициенты зависимости угловой скорости от величины действующего в направлении каждой оси линейною ускорения.

Сигнал, соответствующий вычисленному значению линейной скорости с выхода первого вычислителя через цифроаналоговый преобразователь 6, подают на вход потребителя.

Числовые значения коэффициентов и определяют для каждой конкретной пары экспериментально на этапе настройки на специализированном стенде (фиг.2) и соответствующие им сигналы вводят в каждый конкретный первый вычислитель 5, например, в микропроцессор при его программировании вместе с расчетной формулой (2).

При настройке (фиг.2) отключают информационные сигналы от первого, второго и третьего входов первого вычислителя 5 и подключают их соответственно к первому, второму и третьему входу блока памяти 11, который двухсторонней линией связи соединен с вторым вычислителем 12, а выход блока памяти 11 подключают к четвертому входу первого вычислителя 5, а затем устанавливают устройство на кронштейн 7 и закрепляют в поворотном механизме с приводом 10 оптической делительной головки 8. Кронштейн 7 с установленным на нем базовым основанием 1 поворотным механизмом с приводом 10 поворачивают таким образом, чтобы вектор ускорения силы тяжести g=9,8174 м/с² совпадал с направлением оси чувствительности X двухосного акселерометра 3, и фиксируют это положение индикатором 9 оптической головки 8 как нулевое (0 градусов).

На выходе микромеханического датчика линейных скоростей 2 формируют аналоговый сигнал, соответствующий линейной скорости Ω_Z1, а на выходе двухосного акселерометра 3 формируют аналоговый сигнал линейных ускорений =+g, оба сигнала подают на первый и второй входы аналогово-цифрового преобразователя 4, а соответствующие сигналы с его выходов запоминают в блоке памяти 11.

Затем кронштейн 7 с базовым основанием 1 поворачивают приводом 10 оптической делительной головки 8 на 180 градусов так, чтобы ось чувствительности X акселерометра 3 была направлена противоположно направлению вектора ускорения силы тяжести, вновь повторяют процедуру определения показаний микромеханического датчика линейных скоростей 2 и двухосного акселерометра 3. В блоке памяти 11 запоминают сигналы, соответствующие полученным значениям линейной скорости Ω_Z2 и линейного ускорения a_x2=-g.

По результатам измерений во втором вычислителе 12 рассчитывают коэффициент влияния линейных ускорений, действующих на гироскоп по оси X, по формуле:

где ΔΩ_x [град/с] - приращение угловой скорости, вызванное действием линейных ускорений по оси X.

Затем базовое основание 1 переустанавливают на кронштейне 8, поворачивая его на 90 градусов, и повторяют цикл измерений при действии линейного ускорения (ускорения силы тяжести) по оси Y.

Для каждого положения (при совпадении вектора ускорения силы тяжести g с направлением оси чувствительности Y акселерометра 3 и при их направлении в противоположные стороны) запоминают сигналы, соответствующие показаниям микромеханического датчика линейных скоростей 2 - Ω_Z3, Ω_Z4 и двухосного акселерометра 3 a_y1=+g, a_y2=-g.

По результатам измерений во втором вычислителе 12 рассчитывают коэффициент влияния линейных ускорений, действующих на гироскоп оси Y, по формуле:

,

где ΔΩ_y [град/с]- приращение угловой скорости, вызванное действием линейных ускорений по оси Y.

На выходе второго вычислителя 12 формируют сигналы, соответствующие коэффициентам влияния воздействия линейных ускорений , на измеряемые гироскопом угловые скорости, запоминают их в блоке памяти 11 и с его выхода подают на четвертый вход первого вычислителя 5.

Отключают первый, второй и третий выходы аналого-цифрового преобразователя 4 от первого, второго и третьего входов блока памяти 11 и соответственно подключают их к первому, второму и третьему входам первого вычислителя 5 и отсоединяют базовое основание 1 от кронштейна 7. Гироскоп готов к штатной работе.

Как показали результаты экспериментальных исследований, использование заявленного изобретения позволит более чем на порядок уменьшить погрешность измерения угловой скорости, обусловленную воздействием на гироскоп линейных ускорений, что приведет к повышению точности систем управления авиационно-космическими аппаратами и соответственно к повышению безопасности полетов.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Суминов В.М., Галкин В.И. Состояние и перспективы развития микромеханических гироскопов: Научные труды «МАТИ» - Российский государственный технологический университет им. К.Э.Циолковского. Вып.10 (82). - М.: ИЦ МАТИ, 2006. - С.154-160.

2. Распопов В.Я. Микромеханические приборы. - Учебное пособие 2-е изд., Тульский государственный университет, Российский государственный технологический университет им. К.Э.Циолковского. Тула: «Гриф и К», 2004.

3. Техническое описание микромеханического датчика ADXRS 150 фирмы Analog Devices, http:// www analog. com.

4. Браславский Д.А., Логунов С.С., Пельпер Д.С. Авиационные приборы и автоматы. - М.: Машиностроение, 1978.

5. Пешехонов В.Г. Ключевые задачи современной автономной навигации, «Гироскопия и навигация», 1966, №1, с.48.

Изобретение относится к области авиационно-космического приборостроения и может быть использовано в пилотажных системах управления для измерения угловых скоростей подвижного объекта. Способ основан на компенсации влияния воздействия линейных ускорений на измеряемую гироскопом угловую скорость путем предварительного определения зависимости измеряемой угловой скорости от действия линейных ускорений по ортогональным осям X, Y, лежащим в плоскости, перпендикулярной оси чувствительности гироскопа Z, в виде коэффициентов , [град·с/м] и их алгоритмической компенсации по формуле [град/с]. Устройство содержит одноосный микромеханический датчик угловой скорости с аналоговым выходом информации и базовое основание, на котором дополнительно установлен двухосный микромеханический акселерометр так, что оси чувствительности акселерометра лежат в плоскости, перпендикулярной оси чувствительности микромеханического датчика угловых скоростей. Изобретение обеспечивает повышение точности измерений. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ измерения угловой скорости одноосным микромеханическим гироскопом, основанный на формировании аналогового сигнала угловой скорости ω за счет изменения его параметров под воздействием внешней нагрузки в направлении оси чувствительности гироскопа Z, отличающийся тем, что дополнительно на этапе настройки гироскопа формируют аналоговые сигналы ускорения (α_xi, α_yi) дополнительно введенным двухосным микромеханическим акселерометром по осям Х и Y в плоскости перпендикулярной направлению оси чувствительности гироскопа Z, преобразовывают их в цифровые сигналы, вычисляют значения коэффициентов зависимости угловой скорости от величины действующего в направлении каждой оси линейного ускорения по формулам
,
,
где g=9,874 м/с² - ускорение силы тяжести, α_xi, α_yi - линейное угловое ускорение [град/с²], и [град·с/м],
ω₁÷ω₄ линейная угловая скорость [град/с], и запоминают, а в рабочем режиме формируют соответственно аналоговые сигналы текущих значений угловой скорости Ω_z и линейных ускорений α_x и α_y для каждого отсчетного момента времени, вычисляют компенсированное значение угловой скорости по формуле:
[град/ с] и формируют сигнал для потребителя.

2. Устройство для реализации способа по п.1, содержащее одноосный микромеханический датчик угловых скоростей с аналоговым выходным информационным сигналом и базовое основание, отличающееся тем, что в него дополнительно введены двухосный микромеханический акселерометр с аналоговыми выходными информационными сигналами, многоканальный аналогово-цифровой преобразователь, первый вычислитель и цифроаналоговый преобразователь, причем двухосный микромеханический акселерометр установлен на базовом основании совместно с одноосным микромеханическим датчиком угловых скоростей так, что оси чувствительности акселерометра лежат в плоскости, перпендикулярной оси чувствительности микромеханического датчика угловых скоростей, а выход одноосного микромеханического датчика угловых скоростей, первый и второй выходы двухосного микромеханического акселерометра соответственно через аналогово-цифровой преобразователь соединены с первым, вторым и третьим входами первого вычислителя, выход которого через цифроаналоговый преобразователь подключен к потребителю.