Трехкомпонентный измеритель угловой скорости Российский патент 2024 года по МПК G01P3/44 

Описание патента на изобретение RU2828994C1

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к области измерения параметров движения объекта и может быть использовано в бесплатформенных инерциальных навигационных системах. Вектор угловой скорости объекта определяется по измеренным трем компонентам угловой скорости, направленным по осям чувствительности трех двухстепенных гироскопических датчиков угловой скорости.

Недостатком двухстепенных гироскопов является отсутствие компенсации погрешности от проекций углового ускорения объекта на измерительные оси гироскопов.

Известен трехкомпонентный измеритель угловой скорости [1], содержащий первый, второй и третий гироскопические датчики угловой скорости с взаимно перпендикулярными измерительными осями, первый, второй и третий двухвходовые умножители, первый и второй интеграторы, первый, второй и третий двухвходовые сумматоры, при этом первый вход первого сумматора соединен с выходом первого гироскопического датчика угловой скорости, первый вход второго сумматора соединен с выходом второго гироскопического датчика угловой скорости, первый вход третьего сумматора соединен с выходом третьего гироскопического датчика угловой скорости, на второй вход первого сумматора поступает сигнал с первого умножителя, на второй вход второго сумматора поступает сигнал с третьего умножителя, на второй вход третьего сумматора поступает сигнал со второго умножителя, при этом вторые входы первого и второго умножителей соединены с выходом второго гироскопического датчика угловой скорости, а второй вход третьего умножителя соединен с выходом третьего гироскопического датчика угловой скорости, вход первого интегратора соединен с выходом первого гироскопического датчика угловой скорости, а вход второго интегратора соединен с выходом третьего гироскопического датчика угловой скорости, при этом выход первого интегратора соединен с первыми входами второго и третьего умножителей, а выход второго интегратора соединен с первым входом первого умножителя.

В данном устройстве компенсируются погрешности некоммутативности конечных поворотов, (конечное положение тела после поворотов зависит от их последовательности). Погрешности, вызванные влиянием углового ускорения объекта на измеряемые компоненты вектора угловой скорости объекта устройством не компенсируются.

Известен трехкомпонентный измеритель угловой скорости [2], содержащий три датчика угловой скорости с датчиками моментов в обратных связях с взаимно перпендикулярными измерительными осями и осями собственного вращения, три трехвходовых сумматора, шесть инвертирующих усилителей, причем первые входы трехвходовых сумматоров соединены с выходами соответствующих датчиков угловой скорости, при этом содержащий также три измерителя угловых качаний роторов, выходы первого из которых соединены через первый инвертирующий усилитель со вторым входом первого трехвходового сумматора, а через пятый инвертирующий усилитель с третьим входом второго трехвходового сумматора, выходы второго измерителя качания ротора связаны через посредство второго инвертирующего усилителя со вторым входом второго трехвходового сумматора, а через посредство шестого инвертирующего усилителя с третьим входом третьего трехвходового сумматора, выход третьего измерителя качания ротора соединен через посредство третьего инвертирующего усилителя со вторым входом третьего трехвходового сумматора, а через посредство четвертого инвертирующего усилителя связан с третьим входом первого трехвходового сумматора, при этом коэффициенты инвертирующих усилителей имеют вид:

; ; , (j=1, 2, 3),

а скорректированный ток датчиков моментов имеет вид:

,

,

,

где ij (s), IO, IS, ISP, k, m, , - нескорректированный ток датчика моментов, моменты инерции измерителя угловой скорости относительно выходной оси, оси собственного вращения ротора и ротора в кожухе соответственно, коэффициенты демпфирования датчика угловой скорости и его ротора соответственно, угол неортогональности оси собственного вращения и угол качания ротора, начальная ориентация осей измерителя угловой скорости соответствует:

,

где X, Y, Z - измерительные оси трехкомпонентного измерителя угловой скорости; , , - оси трехгранников, связанные с измерителями угловой скорости: ось чувствительности, выходная ось и ось собственного вращения соответственно, (j=1, 2, 3).

При разомкнутой связи первых входов трехвходовых сумматоров с соответствующими измерителями угловой скорости выходы трехвходовых сумматоров подключены к дополнительным обмоткам датчиков моментов, соответствующих измерителей угловой скорости

Недостатком устройства в функциональной сложности компенсации погрешности от влияния угловых ускорений объекта. Дополнительные сигналы для компенсации формируются из сигналов нестабильного вращения роторов. Для этого необходимы дополнительные элементы конструкции, например, измерители фазовой нестабильности, преобразователи высокочастотного питания гиромоторов в постоянный ток электронной схемы и дополнительные связи сигналов гиромоторов с выходными сигналами измерителей скорости объекта.

В «Трехкомпонентном измерителе угловой скорости» [3], содержатся первый, второй и третий гироскопические датчики угловой скорости с взаимно перпендикулярными измерительными осями, первый, второй и третий двухвходовые сумматоры, при этом первые входы первого, второго и третьего сумматоров соединены с выходами первого, второго, третьего датчиков угловой скорости соответственно, в него также введены первое и второе запаздывающие устройства, первый и второй измерители периода сигнала, первый, второй, третий трехвходовые умножители, при этом выход первого датчика угловой скорости соединен со входом первого запаздывающего устройства, выход которого соединен со вторым входом третьего умножителя, выход третьего датчика угловой скорости соединен со входом второго запаздывающего устройства, выход которого соединен со вторыми входами первого и второго умножителей, выход первого датчика угловой скорости соединен также со входом первого измерителя периода сигнала, выход которого соединен с третьим входом третьего умножителя, выход третьего датчика угловой скорости соединен со входом второго измерителя периода сигнала, выход которого соединен с третьими входами первого и второго умножителей, первый вход первого умножителя соединен с выходом первого датчика угловой скорости, а выход второго датчика угловой скорости соединен с первыми входами второго и третьего умножителей, при этом выход второго умножителя соединен со вторым входом первого сумматора, выход первого умножителя соединен со вторым выходом второго сумматора, а выход третьего умножителя соединен со вторым входом третьего сумматора.

Наиболее близким техническим решением является [4] «Трехкомпонентный измеритель угловой скорости», содержащий первый, второй и третий датчики угловой скорости с взаимно перпендикулярными измерительными осями; первый, второй и третий трехвходовые сумматоры; первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой инвертирующие усилители, причем первый вход первого трехвходового сумматора соединен с выходом первого датчика угловой скорости, первый вход второго трехвходового сумматора соединен с выходом второго датчика угловой скорости, первый вход третьего трехвходового сумматора соединен с выходом третьего датчика угловой скорости, входы первого и второго инвертирующих усилителей соединены с выходом первого датчика угловой скорости, входы третьего и четвертого инвертирующих усилителей соединены с выходом второго датчика угловой скорости, входы пятого и шестого инвертирующих усилителей соединены с выходом третьего датчика угловой скорости, второй и третий входы первого трехвходового сумматора соединены с выходом третьего и пятого инвертирующих усилителей, второй и третий входы второго трехвходового сумматора соединены с выходом первого и шестого инвертирующих усилителей, второй и третий входы третьего трехвходового сумматора соединены с выходом второго и четвертого инвертирующих усилителей, причем датчики угловой скорости могут быть выполнены в виде волоконно-оптических датчиков угловой скорости, или в виде роторных вибрационных гироскопов, или в виде лазерных гироскопов, или в виде микромеханических гироскопов.

Техническое решение направлено на снижение погрешности от некоммутативности конечных поворотов объекта. Погрешности, вызванные влиянием углового ускорения объекта на измеряемые компоненты вектора угловой скорости объекта устройством не компенсируются.

Задачей заявленного изобретения является повышение точности измерения параметров движения за счет компенсации погрешностей, обусловленных угловым ускорением объекта и упрощение конструкции.

Поставленная задача достигается тем, что в трехкомпонентный измеритель угловой скорости, содержащий первый, второй и третий датчики угловой скорости с взаимно перпендикулярными измерительными осями; первый, второй и третий трехвходовые сумматоры; первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой инвертирующие усилители, причем первый вход первого трехвходового сумматора соединен с выходом первого датчика угловой скорости, первый вход второго трехвходового сумматора соединен с выходом второго датчика угловой скорости, первый вход третьего трехвходового сумматора соединен с выходом третьего датчика угловой скорости, введены первый, второй и третий дифференциаторы, при этом вход первого дифференциатора связан с выходом первого датчика угловой скорости, а выход соединен через третий инвертирующий усилитель со вторым входом второго трехвходового сумматора, а через шестой инвертирующий усилитель с третьим входом третьего трехвходового сумматора; вход второго дифференциатора связан с выходом второго датчика угловой скорости, а выход соединен через первый инвертирующий усилитель со вторым входом первого трехвходового сумматора, а через пятый инвертирующий усилитель со вторым входом третьего трехвходового сумматора; вход третьего дифференциатора связан с выходом третьего датчика угловой скорости, а выход соединен через второй инвертирующий усилитель с третьим входом первого трехвходового сумматора, а через четвертый инвертирующий усилитель с третьим входом второго трехвходового сумматора.

На фиг. 1. изображен трехкомпонентный измеритель угловой скорости, снабженный элементами конструкции и связями для компенсации погрешности от влияния углового ускорения объекта.

На фиг. 1 изображены: 1, 2 ,3 - первый, второй и третий датчики угловой скорости трехкомпонентного измерителя угловой скорости объекта, измерительные оси которых x1, x2, x3 взаимно перпендикулярны; 4, 5, 6, 7, 8, 9 - первый, второй, третий четвертый, пятый и шестой инвертирующие усилители; 10, 11, 12 - первый, второй и третий трехвходовые сумматоры с номерами входов; 13, 14, 15 - первый, второй и третий дифференциаторы.

Первые входы трехвходовых сумматоров соединены с выходами соответствующих датчиков угловой скорости, выходы которых также связаны со входами дифференциаторов 13, 14 и 15, соответственно.

Выход дифференциатора 13 связан через третий инвертирующий усилитель 6 со вторым входом второго трехвходового сумматора 11, а через шестой инвертирующий усилитель 9 с третьим входом третьего трехвходового сумматора 12.

Выход дифференциатора 14 связан через первый инвертирующий усилитель 4 со вторым входом первого трехвходового сумматора 10, а через пятый инвертирующий усилитель 8 со вторым входом третьего трехвходового сумматора 12.

Выход дифференциатора 15 связан через второй инвертирующий усилитель 5 с третьим входом первого трехвходового сумматора 10, а через четвертый инвертирующий усилитель 7 с третьим входом второго трехвходового сумматора 11.

Дадим теоретическое обоснование данному техническому решению.

Для следующей ориентации осей:

, (1)

где X,Y,Z - измерительные оси трехкомпонентного измерителя угловой скорости; , , - оси трехгранников, связанные с датчиками угловой скорости: ось чувствительности, выходная ось и ось собственного вращения, соответственно, (j=1,2,3).

Уравнения движения трехкомпонентного измерителя угловой скорости запишем в виде:

, (2)

где IO, IS, n, k, H, - моменты инерции измерителя угловой скорости относительно выходной оси и оси собственного вращения, коэффициент демпфирования, крутизна датчика моментов, кинетический момент соответственно; , - угол неортогональности осей и угол прецессии; ,, i - компоненты угловой скорости и углового ускорения объекта по соответствующим осям, а также ток датчика моментов, соответственно. В уравнениях (2) первый член правой части - полезный момент, остальные два слагаемых - погрешности, обусловленные влиянием углового ускорения объекта.

На выходах трехвходовых сумматоров на фиг. 1 формируются скорректированные сигналы измерителей угловой скорости без погрешностей, обусловленных влиянием углового ускорения объекта. Дифференцирующие стационарные электронные схемы на базе операционных усилителей могут вызывать усиление высокочастотных измерительных шумов. Однако, бортовой вычислитель опрашивает трехкомпонентный измеритель угловой скорости с частотой несколько десятков герц, уточняя, анализируя и фильтруя чигналы.

Приведем пример. Пусть параметры всех датчиков угловой скорости идентичны друг другу, компоненты вектора угловой скорости и углового ускорения равны и взяты из примеров [5,6]. IO= 10 сНсм с2; k=104 сН/А; IS=2 сНсмс2; H=100 сНсмс; =0,1 рад; = 5 рад/с. Бортовой вычислитель опрашивает трехкомпонентный измеритель угловой скорости с частотой 20 Гц, т.е. с периодом 0,05 с. Пусть на шаге нестабильность угловой скорости составляет 0,4 рад/с и за этот период угловое ускорение будет = 8 рад/с2. Основной сигнал составит 50 мА. Скомпенсированная погрешность от второго члена уравнения (2) составит (IO/ k)=8 мА, а от третьего члена уравнения (2) - 0,16 мА. Итого повышение точности измерения параметров движения за счет компенсации погрешностей, обусловленных угловым ускорением объекта составит в этом примере 16%.

Список использованной литературы.

1. Патент 2196995. Трехкомпонентный измеритель угловой скорости. Опуб. 20.01.2003.

2. Патент 2803452. Трехкомпонентный измеритель угловой скорости. Опуб. 13.09.2023.

3. Патент 2210780. Трехкомпонентном измеритель угловой скорости. Опуб. 20.08.2003.

4. Патент 2273858. Трехкомпонентный измеритель угловой скорости. Опуб. 27.04.2006.

5. Климов Д.М., Харламов С.А. Динамика гироскопа в кардановом подвесе. - М., Наука. - 1978.

6. Рулева Л.Б. Применение метода наблюдающих устройств для гироскопических измерителей // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2010. Т. 9. http://chemphys.edu.ru/issues/2010-9/articles/153/.

Похожие патенты RU2828994C1

название год авторы номер документа
Трехкомпонентный измеритель угловой скорости 2023
  • Рулева Лариса Борисовна
RU2803452C1
ТРЕХКОМПОНЕНТНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ УГЛОВОЙ СКОРОСТИ 2004
  • Богданов Максим Борисович
  • Прохорцов Алексей Вячеславович
  • Савельев Валерий Викторович
RU2273858C1
ТРЕХКОМПОНЕНТНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ УГЛОВОЙ СКОРОСТИ 2002
  • Савельев В.В.
  • Богданов М.Б.
  • Прохорцов А.В.
RU2210780C1
УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ДАТЧИКОВ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПОДВИЖНОГО АППАРАТА 2012
  • Чернов Владимир Юрьевич
RU2493578C1
СПОСОБ И УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ИНЕРЦИАЛЬНОЙ НАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ 2012
  • Чернов Владимир Юрьевич
RU2502050C1
УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОМПЛЕКСНОГО КОНТРОЛЯ ДАТЧИКОВ ПОДВИЖНОГО ОБЪЕКТА 2011
  • Чернов Владимир Юрьевич
RU2461040C1
ТРЕХКОМПОНЕНТНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ УГЛОВОЙ СКОРОСТИ 2001
  • Савельев В.В.
  • Богданов М.Б.
  • Прохорцов А.В.
RU2196995C1
УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ИНЕРЦИАЛЬНОЙ НАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ 2013
  • Чернов Владимир Юрьевич
RU2536365C1
СПОСОБ И УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ОРИЕНТАЦИИ АППАРАТА 2007
  • Чернов Владимир Юрьевич
  • Промахова Ангелина Константиновна
RU2373562C2
СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПИЛОТАЖНО-НАВИГАЦИОННОГО КОМПЛЕКСА 2010
  • Чернов Владимир Юрьевич
RU2440595C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 828 994 C1

Реферат патента 2024 года Трехкомпонентный измеритель угловой скорости

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к области измерения параметров движения объекта и может быть использовано в бесплатформенных инерциальных навигационных системах. Вектор угловой скорости объекта определяется по измеренным трем компонентам угловой скорости, направленным по осям чувствительности трех двухстепенных гироскопических датчиков угловой скорости. Техническое решение направлено на снижение погрешности от некоммутативности конечных поворотов объекта. Задачей заявленного изобретения является повышение точности измерения параметров движения за счет компенсации погрешностей, обусловленных угловым ускорением объекта, и упрощение конструкции. 1 ил.

Формула изобретения RU 2 828 994 C1

Трехкомпонентный измеритель угловой скорости, содержащий первый, второй и третий датчики угловой скорости с взаимно перпендикулярными измерительными осями; первый, второй и третий трехвходовые сумматоры; первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой инвертирующие усилители, причем первый вход первого трехвходового сумматора соединен с выходом первого датчика угловой скорости, первый вход второго трехвходового сумматора соединен с выходом второго датчика угловой скорости, первый вход третьего трехвходового сумматора соединен с выходом третьего датчика угловой скорости, отличающийся тем, что в него введены первый, второй и третий дифференциаторы, при этом вход первого дифференциатора связан с выходом первого датчика угловой скорости, а выход соединен через третий инвертирующий усилитель со вторым входом второго трехвходового сумматора, а через шестой инвертирующий усилитель с третьим входом третьего трехвходового сумматора; вход второго дифференциатора связан с выходом второго датчика угловой скорости, а выход соединен через первый инвертирующий усилитель со вторым входом первого трехвходового сумматора, а через пятый инвертирующий усилитель со вторым входом третьего трехвходового сумматора; вход третьего дифференциатора связан с выходом третьего датчика угловой скорости, а выход соединен через второй инвертирующий усилитель с третьим входом первого трехвходового сумматора, а через четвертый инвертирующий усилитель с третьим входом второго трехвходового сумматора.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2024 года RU2828994C1

Трехкомпонентный измеритель угловой скорости 2023
  • Рулева Лариса Борисовна
RU2803452C1
ТРЕХКОМПОНЕНТНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ УГЛОВОЙ СКОРОСТИ 2004
  • Богданов Максим Борисович
  • Прохорцов Алексей Вячеславович
  • Савельев Валерий Викторович
RU2273858C1
CN 105629732 B, 09.03.2018
ТРЕХКОМПОНЕНТНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ УГЛОВОЙ СКОРОСТИ 2001
  • Савельев В.В.
  • Богданов М.Б.
  • Прохорцов А.В.
RU2196995C1
ТРЕХКОМПОНЕНТНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ УГЛОВОЙ СКОРОСТИ 2002
  • Савельев В.В.
  • Богданов М.Б.
  • Прохорцов А.В.
RU2210780C1

RU 2 828 994 C1

Авторы

Рулева Лариса Борисовна

Рулев Георгий Константинович

Даты

2024-10-22Публикация

2024-05-21Подача