Способ калибровки систематической составляющей угловой скорости дрейфа поплавкового гироскопа Российский патент 2024 года по МПК G01C21/18 

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для определения систематической составляющей угловой скорости дрейфа двухстепенного поплавкового гироскопа, например, в высокоточных гироскопических системах различного назначения.

Известен заводской способ калибровки поплавковых двухстепенных гироскопов в режиме обратной связи по моменту, установленных на поворотном столе, который может поворачиваться в различные положения. Для получения данных в режиме обратной связи по моменту (то есть в режиме датчика угловой скорости) производится запись токов датчика момента. По величине тока и калибровочной кривой датчика момента определяется момент, необходимый для уравновешивания поплавкового узла [1]. Недостатком данного способа является то, что он требует специального оборудования, занимает много времени и не пригоден для применения в процессе эксплуатации.

Калибровку поплавковых гироскопов необходимо проводить также в процессе функционирования гироскопических систем различного назначения.

Известен способ калибровки гироблоков платформы трехосного гиростабилизатора [2], заключающийся в том, что используют один из гироблоков системы стабилизации гиростабилизированной платформы, при этом горизонтирование платформы относительно одной из осей осуществляют путем отключения акселерометра от датчика моментов гироблока контура стабилизации по этой оси и подключения его к соответствующему двигателю стабилизации через усилитель стабилизации, а азимут платформы определяют по информационным сигналам, равным разности между номинальными значениями угла прецессии гироблока и соответствующими значениями широкодиапазонного кодового датчика угла этого гироблока, при этом одновременно с определением азимута оси платформы ТГС на вход датчика моментов гироблока, обеспечивающего поворот платформы относительно вертикальной оси, подается управляющий ток в соответствии с заданным алгоритмом с одновременным измерением среднего значения тока другого гироблока, обеспечивающего горизонтирование платформы, и рассчитываются систематические составляющие угловых скоростей дрейфов этих гироблоков.

В данном способе при определении азимута базового направления определяют систематическую составляющую дрейфа гироскопа, ось чувствительности которого направлена примерно на север (юг), после чего может быть определена систематическая составляющая угловой скорости дрейфа второго гироскопа, ось чувствительности которого направлена примерно на восток (запад) по известной формуле.

Недостатком данного способа является необходимость определения азимута базового направления, для чего необходимо модернизировать измерительный гироскоп путем установки на него широкодиапазонного датчика угла, что связано с существенными трудностями его разработки, а также обеспечения линейности его характеристики во всем измерительном диапазоне. Кроме того, исключение измерительного гироскопа из контура горизонтирования-стабилизации ТГС приводит к ухудшению динамических свойств гиростабилизатора, в частности, вредные моменты относительно оси силовой стабилизации ТГС будут создавать угловые колебания (угловые скорости) платформы относительно оси чувствительности измерительного гироскопа, которые будут восприниматься измерительным гироскопом как информационный сигнал, снижая точность определения азимута базового направления и дрейфа систематической составляющей угловой скорости дрейфа измерительного гироблока.

Наиболее близким способом (прототипом) калибровки систематической составляющей угловой скорости дрейфа поплавкового гироскопа и достигаемому техническому результату является способ измерения информационных сигналов при различных азимутальных положениях поплавкового гироскопа, включенного в схему датчика угловой скорости (ДУС) [3], установленного на отгоризонтированном основании.

На фиг. 1 показаны системы координат, связанные с ДУС на отгоризонтированном основании. Система координат Oxyz связана с корпусом датчика (у - входная ось, z - выходная ось). Соответственно система координат Оξηζ связана с поплавком.

В прототипе под действием гироскопического момента, а также возмущающих моментов поплавок гироскопа поворачивается относительно корпуса на угол β (фиг. 1). За счет выбора коэффициента обратной связи при измерениях обеспечивается малое значение данного угла. Так при испытаниях, описанных в [1], данный угол не превышает значения в 1 дуг.с.

Для большей информативности (чтобы выходной сигнал ДУСа имел максимальную величину) входную ось ДУСа грубо устанавливают в северном направлении, например, с ошибкой в несколько дуговых минут.

Выражение для тока датчика моментов в первом азимутальном положении имеет следующий вид [3]:

где S₁ - ток датчика моментов ДУСа;

k₁ - отношение значения кинетического момента гироскопа Н к значению коэффициента датчика моментов К_д.м.;

ω_г - горизонтальная составляющая угловой скорости Земли;

A₁ - угол между горизонтальной составляющей угловой скорости Земли и осью чувствительности ДУСа, состоящий из двух составляющих (фиг. 1): угла А между направлением на север и входной осью гироскопа и угла β;

ω_d1 - систематическая составляющая угловой скорости дрейфа гироскопа, численно равная отношению систематической составляющей вредного момента относительно выходной оси гироскопа к значению его вектора кинетического момента [3].

Так как в выражение (1) входят два неизвестных постоянных параметра A₁ и ω_d1, то необходимо получить второе уравнение. После поворота основания ДУСа во второе азимутальное положение вокруг вертикальной оси на угол ϕ соответственно имеем:

Для высокоточных двухстепенных поплавковых гироскопов систематическая составляющая угловой скорости дрейфа стабильна в запуске гироскопа и меняется по случайному закону от запуска к запуску, поэтому положим при проведении калибровки гироскопа:

Полагая ϕ=180°, k₁=k₂=k, получим два уравнения с двумя неизвестными константами, откуда:

В данном способе после установки оси чувствительности гироскопа грубо в северном направлении необходимо:

- определенное время измерять ток датчика моментов гироскопа в первом положении ДУСа, чтобы компенсировать влияние собственных случайных шумов гироскопа, усилителя обратной связи и датчика угла;

- осуществить поворот основания ДУСа на 180° с требуемой точностью;

- определенное время после разворота ждать окончание переходного процесса в ДУСе, вызванного указанным разворотом;

- определенное время измерять ток датчика моментов гироскопа во втором положении ДУСа по тем же причинам, что и в первом положении.

После данных операций в соответствии с (3) может быть осуществлена калибровка систематической составляющей угловой скорости дрейфа гироскопа.

Таким образом, основным недостатком данного способа является поворот основания на известный угол и измерение информационных сигналов в двух положения основания, что увеличивает время определения ω_d.

Целью настоящего изобретения является создание способа, позволяющего сократить время калибровки систематической составляющей угловой скорости дрейфа поплавкового гироскопа и повышающего точность его определения.

Авторами выбрано направление методического определения систематической составляющей угловой скорости дрейфа поплавкового гироскопа в процессе эксплуатации, которое как показывает анализ научно-технических [1,3] и патентных источников [2,4,5], позволяет решить проблему больших временных затрат на калибровку систематической составляющей угловой скорости дрейфа на основе нового способа, сокращающего время процесса калибровки систематической составляющей угловой скорости дрейфа поплавкового гироскопа с большей точность его определения.

Данная цель достигается тем, что устанавливают поплавковый гироскоп на отгоризонтированном основании, при этом входную ось гироскопа датчика угловой скорости устанавливают грубо в северном направлении, отключают обратную связь и одновременно со считыванием информации с кодового датчика угла гироскопа рассчитывают номинальное значение данного угла в соответствии с уравнением номинального движения, а систематическую составляющую угловой скорости дрейфа гироскопа определяют по информационным сигналам, равным разности между номинальными значениями угла поворота гироскопа и значениями кодового датчика угла гироскопа.

Новым в данном способе является то, что оценку систематической составляющей угловой скорости дрейфа поплавкового гироскопа можно получить в одном положении основания ДУС. Кроме того, при измерении отсутствует шум усилителя обратной связи.

В качестве основания гирокомпаса может служить, например, поворотный стол или заарретированная платформа трехосного гиростабилизатора [3].

Данный способ может быть реализован следующим образом.

Динамическое уравнение движения ДУСа на неподвижном основании имеет следующий вид [2]:

где I, ƒ, К_ОС - соответственно момент инерции, удельный момент сил вязкого трения и коэффициент обратной связи датчика угловой скорости;

β - угол датчика угла гироскопа (угол поворота поплавка гироскопа относительно корпуса гироскопа);

Н - кинетический момент гироскопа;

М_с - случайные моменты относительно выходной оси датчика угловой скорости, обусловленные шумами гироскопа, усилителя обратной связи и датчика угла.

После отключения обратной связи (фиг. 1) ДУСа (К_ОС=0) уравнение (4) становиться уравнением двухстепенного гирокомпаса (ГК). Под действием гироскопического момента поплавок ГК начинает поворачиваться в сторону совмещения вектора кинетического момента гироскопа с вектором горизонтальной составляющей угловой скорости вращения Земли [3].

Уравнение номинального движения двухстепенного гирокомпаса, то есть когда его входная ось направлена точно на север, а также отсутствуют возмущающие воздействия (кроме гироскопического момента), можно записать в следующем виде:

При известных параметрах ГК, а также при известной широте, при которой производится калибровка систематической составляющей угловой скорости дрейфа гироскопа, данное нелинейное дифференциальное уравнение может быть оперативно рассчитано на ЭВМ, например, методом Рунге-Кутта [6].

Линеаризуем уравнение ГК относительно номинального движения:

где Δβ=β-β_H.

Уравнение (6) является линейным дифференциальным уравнением с переменными коэффициентами, кроме того искомая составляющая ω_d является постоянной величиной, а неизвестная составляющая в отличие от (1) и (2) является переменной величиной и, следовательно, их можно разделить при использовании классического дискретного оптимального фильтра Калмана [7] при измерении информационного сигнала Δβ в одном положении основания.

Было проведено моделирование процесса калибровки для двухстепенного поплавкового гироскопа 25IRIG с параметрами, приведенными в [8].

Представленное в форме пространства состояний уравнение (6) оценивалось с использованием дискретного оптимального фильтра Калмана [7], на вход которого подавался сигнал измерения Δβ=β-β_H, равный разности между измеряемым датчиком угла β и расчетным углом β_H. Среднеквадратическая погрешность систематической составляющей угловой скорости дрейфа была задана в соответствии с таблицей «Технических характеристик основных типов поплавковых ДУС» для прецизионных поплавковых ДУС [9].

На фиг. 2 представлен график изменения оценки среднеквадратической погрешности систематической составляющей угловой скорости дрейфа во времени. Через 100 с было получено значение оценки среднеквадратической погрешности, равное При этом за 100 с поплавок гироскопа повернется на угол, равный 0,5°.

Сравнительный анализ существенных признаков прототипа и настоящего способа показывает отличия в том, что в последнем отключают обратную связь и одновременно со считыванием информации с кодового датчика угла гироскопа рассчитывают номинальное значение данного угла в соответствии с уравнением номинального движения, а систематическую составляющую угловой скорости дрейфа гироскопа определяют по информационным сигналам, равным разности между номинальными значениями угла поворота гироскопа и значениями кодового датчика угла гироскопа.

Источники информации:

1. Ригли У., Холлистер У., Денхард У. Теория проектирования и испытания гироскопов. - М: «Мир», 1972. С. 369.

2. Патент RU 2757854.

3. Командно-измерительные приборы. Под редакцией Б.И. Назарова. - М.:МО СССР, 1987. С. 550.

4. Патент RU 2121134.

5. Патент RU 2280840.

6. Дьяконов В.П. MATLAB. Полный самоучитель. - М.: ДМК Пресс, 2017. С. 418.

7. Брамер К., Зифлинг Г. Фильтр Калмана - Бьюси. - М.: «Наука», 1982. С. 68.

8. Пельпор Д.С., Осокин Ю.А., Рахтеенко Е.Р. Гироскопические приборы систем ориентации и стабилизации. - М.: «Машиностроение», 1977. С. 51.

9. Прецизионные управляемые стенды для динамических испытаний гироскопических приборов / Д.М. Калихман / Под общ. ред. акад. В.Г. Пешехонова - СПб.: ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор», 2008. С. 11.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для определения систематической составляющей угловой скорости дрейфа двухстепенного поплавкового гироскопа, например, в высокоточных гироскопических системах различного назначения. Способ калибровки систематической составляющей угловой скорости дрейфа поплавкового гироскопа, заключающийся в том, что его устанавливают на отгоризонтированном основании, при этом входную ось гироскопа датчика угловой скорости устанавливают грубо в северном направлении. Затем отключают обратную связь и одновременно со считыванием информации с кодового датчика угла гироскопа рассчитывают номинальное значение данного угла в соответствии с уравнением номинального движения, а систематическую составляющую угловой скорости дрейфа гироскопа определяют по информационным сигналам, равным разности между номинальными значениями угла поворота гироскопа и значениями кодового датчика угла гироскопа. Технический результат - сокращение времени калибровки систематической составляющей угловой скорости дрейфа поплавкового гироскопа и повышение точности ее определения. 2 ил.

Способ калибровки систематической составляющей угловой скорости дрейфа поплавкового гироскопа, заключающийся в том, что его устанавливают на отгоризонтированном основании, при этом входную ось гироскопа датчика угловой скорости устанавливают грубо в северном направлении, отличающийся тем, что отключают обратную связь и одновременно со считыванием информации с кодового датчика угла гироскопа рассчитывают номинальное значение данного угла в соответствии с уравнением номинального движения, а систематическую составляющую угловой скорости дрейфа гироскопа определяют по информационным сигналам, равным разности между номинальными значениями угла поворота гироскопа и значениями кодового датчика угла гироскопа.