Способ считывания и управления колебаниями волнового твердотельного гироскопа Российский патент 2019 года по МПК G01C19/56 

Изобретение относится к области точного приборостроения и может быть использовано при создании прецизионных волновых твердотельных 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 его реализации 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.

Основными недостатками являются использование 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. Кроме того, способ реализуется с помощью достаточно сложной системы съема информации.

Известен способ считывания и управления волнового твердотельного гироскопа (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 волнового гироскопа.

Наиболее близким к заявляемому по своей технической сущности является способ считывания и управления колебаниями волнового твердотельного гироскопа (ВТГ), который 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 (RU 2670245 [4]). 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

где – сигналы напряжений, подаваемые на m – управляющих электродов блока ВСУ, Вольт;

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

- коэффициент обратной связи по амплитуде А колебаний полусферического резонатора ВТГ, размерность ;

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

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

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

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

.

где , - базовые сигналы, формируемые на основании первичных сигналов , снимаемых с n-информационных электродов блока ВСУ; Вольт.

Недостатком этого способа является наличие в первичном сигнале инерциального датчика нескомпенсированного инструментального дрейфа ВТГ, отрицательно влияющего на точность измерений прибора.

Заявляемый способ направлен на повышение точности интегрирующего гироскопа и уменьшение не скомпенсированного дрейфа.

Указанный результат достигается тем, что новый способ считывания и управления колебаниями волнового твердотельного гироскопа (ВТГ) включает установку внутри резонатора блока возбуждения, съема и управления (ВСУ) с равномерно установленными по окружности нечетным и простым числом n электродов съема информации и m электродов управления, возбуждение в резонаторе колебаний второй моды, регистрацию выходных сигналов с электродов съема информации и их математическую обработку с определением параметров одной или более стоячих волн и подачу на управляющие электроды напряжения для поддержания в резонаторе колебаний второй моды, сформированного для каждого отдельного электрода в соответствии со следующими соотношениями

(1)

где: – сигналы переменных напряжений, подаваемые на m – управляющих электродов блока ВСУ, для поддержания второй рабочий моды колебаний, размерность, Вольт;

- опорное напряжение, подаваемое на полусферу резонатора, размерность, Вольт;

- коэффициент обратной связи по амплитуде колебаний полусферического резонатора на второй (N=2) рабочей моде, размерность, ;

t – время, сек;

- коэффициент обратной связи по квадратуре колебаний полусферического резонатора на второй (N=2) рабочей моде, размерность, 1/В;

- заданная амплитуда колебаний полусферического резонатора на второй (N=2) рабочей моде, размерность, Вольт;

- текущая амплитуда колебаний полусферического резонатора на второй (N=2) рабочей моде, размерность, Вольт;

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

. (2)

где: , - базовые сигналы, формируемые на второй рабочей моде коле-баний резонатора, на основании измерения первичных сигналов , снимаемых с n-информационных электродов блока ВСУ; размерность, Вольт.

- первичные сигналы, снимаемые с n-информационных электродов, - круговая частота вибраций резонатора на второй рабочей моде.

При этом в резонаторе одновременно с колебаниями второй моды возбуждают колебания третьей моды, а для ее поддержания на управляющие электроды одновременно с напряжением поддержания второй моды подают напряжение, сформированное для каждого отдельного электрода в соответствии со следующими соотношениями:

(3)

где – сигналы переменных напряжений, подаваемые на m – управляющих электродов блока ВСУ, для поддержания третьей моды колебаний, размерность, Вольт;

- опорное напряжение, подаваемое на полусферу резонатор, размерность, Вольт;

- коэффициент обратной связи по амплитуде A₃ колебаний полусферического резонатора на третьей (N=3) рабочей моде, размерность, ;

t – время, сек;

- коэффициент обратной связи по квадратуре колебаний полусферического резонатора на третьей (N=3) рабочей моде, размерность, 1/В;

- заданная амплитуда колебаний полусферического резонатора на третьей (N=3) рабочей моде, размерность, Вольт;

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

. (4)

где: , - базовые сигналы, формируемые на третьей рабочей моде колебаний резонатора, на основании измерения первичных сигналов , снимаемых с n-информационных электродов блока ВСУ; размерность, Вольт.

-первичные сигналы, снимаемые с n-информационных электродов, - круговая частота вибраций резонатора на третьей рабочей моде.

Отличительными признаками заявляемого способа являются возбуждение колебаний третьей моды одновременно с колебаниями второй моды и подача напряжения для их поддержания на управляющие электроды блока ВСУ одновременно с напряжением поддержания второй моды. Причем управляющее напряжение сформировано для каждого отдельного электрода в соответствии с приведенными в формуле изобретения соотношениями.

Реализация принципиально нового синтезированного алгоритма «пушпульного» управления интегрирующим гироскопом возможна с помощью нечетного числа электродов съема информации и нечетного числа электродов управления, входящих в состав комбинированного электромеханического узла возбуждения, съема/управления (ВСУ) и бортового модуля цифровой обработки сигналов на базе современной программируемой логической интегральной схемы обеспечивает полную компенсацию с помощью нового алгоритма съема/управления дополнительной четвертой гармоники погрешностей колебаний полусферического резонатора (ПСР) интегрирующего ВТГ, которая неизбежно возникает и всегда имеет место для второй рабочей моды, и отсутствует для третьей рабочей моды колебаний, что позволит существенно снизить величину нескомпенсированного случайного дрейфа нового гироскопа на один-два порядка и как следствие, повысить точности измерения угла поворота или угловой скорости объекта, на котором предлагается установка инерциального прибора.

Сущность заявляемого способа поясняется примером его реализации.

Способ реализуется следующим образом.

Задаем простое число электродов съема и управления равное семи (n=m=7). Известным образом возбуждаем в теле ВТГ колебания второй рабочей моды. Тогда алгоритм съема и управления формируется следующим образом. Пусть – сигналы, снимаемые с n-информационных электродов, где индексом обозначен номер электрода, с которого снимается сигнал (). Соседние электроды, как съема информации, так и управления, отстоят друг от друга на фиксированный и заранее известный угол . По этим семи информационным сигналам формируются два сигнала, которые будем называть базовыми

. (5)

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

(6)

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

(7)

Величины 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

(8)

Эти же величины позволяют определять (вычислять) и угол поворота стоячей волны относительно тела резонатора и/или инерциального пространства.

Таким образом формируется первое напряжение - для управления и поддержания второй рабочей моды колебаний резонатора

(9)

Одновременно с колебаниями второй моды известным образом возбуждаем и поддерживаем в ВТГ колебания третьей рабочей моды. Для управления третьей рабочей модой колебаний резонатора формируется второе напряжение, которое подается на управляющие электроды одновременно с первым:

(10)

Использование полученной информации для управления колебаниями ВТГ. Подаем на семь управляющих электродов необходимое напряжение, сформированное для каждого отдельного электрода в соответствии с приведенными выше соотношениями (9) и (10). Сформированное указанным выше образом распределение напряжений на одних и тех же семи управляющих электродах будет поддерживать заданную амплитуду колебаний кромки высокодобротного резонатора ВТГ и равную нулю квадратуру на второй рабочей моде, а также заданную амплитуду колебаний кромки резонатора и равную нулю квадратуру на третьей рабочей моде. Такое управление также устойчивое, и оно не будет иметь интерференции каналов.

Изобретение относится к области метрологии, в частности к гироскопам. Способ считывания и управления колебаниями волнового твердотельного гироскопа (ВТГ) включает установку внутри резонатора блока возбуждения, съема и управления (ВСУ) с равномерно установленными по окружности нечетным и простым числом n электродов съема информации и m электродов управления, возбуждение в резонаторе колебаний второй моды, регистрацию выходных сигналов с электродов съема информации и их математическую обработку с определением параметров одной или более стоячих волн и подачу на управляющие электроды напряжения для поддержания в резонаторе колебаний второй моды, сформированного для каждого отдельного электрода в соответствии с установленными для этого соотношениями. При этом в резонаторе ВТГ одновременно с колебаниями на второй моде возбуждают колебания третьей рабочей моды, а для ее поддержания на управляющие электроды блока ВСУ одновременно с напряжением поддержания второй моды подают напряжение, сформированное для каждого отдельного электрода в соответствии с установленными математическими соотношениями. Технический результат - повышение точности интегрирующего гироскопа и уменьшение не скомпенсированного дрейфа.

Способ считывания и управления колебаниями волнового твердотельного гироскопа (ВТГ), включающий установку внутри резонатора блока возбуждения, съема и управления (ВСУ) с равномерно установленными по окружности нечетным и простым числом n электродов съема информации и m электродов управления, возбуждение в резонаторе колебаний второй моды, регистрацию выходных сигналов с электродов съема информации и их математическую обработку с определением параметров одной или более стоячих волн и подачу на управляющие электроды напряжения для поддержания в резонаторе колебаний второй моды, сформированного для каждого отдельного электрода в соответствии со следующими соотношениями:

(1)

где – сигналы переменных напряжений, подаваемые на m управляющих электродов блока ВСУ, для поддержания второй рабочий моды колебаний, размерность, вольт;

- опорное напряжение, подаваемое на полусферу резонатора, размерность, вольт;

- коэффициент обратной связи по амплитуде колебаний полусферического резонатора на второй (N=2) рабочей моде, размерность, ;

t – время, с;

- коэффициент обратной связи по квадратуре колебаний полусферического резонатора на второй (N=2) рабочей моде, размерность, 1/В;

- заданная амплитуда колебаний полусферического резонатора на второй (N=2) рабочей моде, размерность, вольт;

- текущая амплитуда колебаний полусферического резонатора на второй (N=2) рабочей моде, размерность, вольт;

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

. (2)

где U_c(2), U_s(2) - базовые сигналы, формируемые на второй рабочей моде колебаний резонатора, на основании измерения первичных сигналов , снимаемых с n-информационных электродов блока ВСУ; размерность, вольт.

- первичные сигналы, снимаемые с n-информационных электродов, - круговая частота вибраций резонатора на второй рабочей моде, отличающийся тем, что в резонаторе одновременно с колебаниями второй моды возбуждают колебания третьей моды, а для ее поддержания на управляющие электроды одновременно с напряжением поддержания второй моды подают напряжение, сформированное для каждого отдельного электрода в соответствии со следующими соотношениями:

(3)

где – сигналы переменных напряжений, подаваемые на m управляющих электродов блока ВСУ, для поддержания третьей моды колебаний, размерность, вольт;

- опорное напряжение, подаваемое на полусферу резонатор, размерность, вольт;

- коэффициент обратной связи по амплитуде A₃ колебаний полусферического резонатора на третьей (N=3) рабочей моде, размерность, ;

t – время, с;

- коэффициент обратной связи по квадратуре σ₃ колебаний полусферического резонатора на третьей (N=3) рабочей моде, размерность, 1/В;

- заданная амплитуда колебаний полусферического резонатора на третьей (N=3) рабочей моде, размерность, вольт;

- текущая амплитуда колебаний полусферического резонатора на третьей (N=3) рабочей моде, размерность, вольт;

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

. (4)

где , - базовые сигналы, формируемые на третьей рабочей моде колебаний резонатора, на основании измерения первичных сигналов , снимаемых с n информационных электродов блока ВСУ; вольт.

- первичные сигналы, снимаемые с n информационных электродов, - круговая частота вибраций на третьей рабочей моде.