Способ считывания и управления колебаниями волнового твердотельного гироскопа Российский патент 2018 года по МПК G01C19/56 

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 V_i - 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;

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

(i=1,…,n)

где U_C, U_S - базовые сигналы формируемые на основании первичных сигналов U_i, 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 U_i - 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 V_i 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 U_i - 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 V_i - 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;

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

(i=1,…,5)

где U_C, U_S - базовые сигналы формируемые на основании первичных сигналов U_i.

Для режимов функционирования прибора, когда необходимо управлять прецессией стоячей волны, а также частотой колебаний, в приведенное выше выражение (8) для управляющих напряжений V_i 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.

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.

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 V_j - 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;

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

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

где U_C, U_S - базовые сигналы, формируемые на основании первичных сигналов U_i, снимаемых с n информационных электродов блока ВСУ; В.