Способ непрерывного съёма навигационной информации с кориолисова вибрационного гироскопа
METHOD OF CONTINUOUS RETRIEVAL OF NAVIGATIONAL INFORMATION FROM CORIOLIS VIBRATION GYROSCOPES

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к кориолисовым вибрационным гироскопам, часто именуемым волновыми твердотельными гироскопами, с вибрирующей оболочкой вращения (резонатором) и применяемым для поучения инерциальной навигационной информации об угловой скорости объекта или углу его разворота.
Уровень техники
Кориолисов вибрационный гироскоп является одним из наиболее перспективных приборов, предназначенных для определения угловой скорости вращения объекта, с точки зрения потребительского соотношения цены к точности получаемой инерциальной информации.
В общем случае чувствительным элементом КВГ является резонатор, закрепленный в приборе. Конструктивно, резонатор КВГ представляет из себя оболочку из какого-либо материала, чаще всего из металла или плавленого кварца. В литературе известны конструкции кольцевых, цилиндрических, полусферических и конических резонаторов КВГ. На практике, в настоящее время, большинство приборов имеют чувствительный элемент, выполненный в виде полусферы, сделанной из плавленого кварца, сапфира или другого материала, обладающего малым коэффициентом потерь (высокой добротностью) при колебаниях, и закрепленной на круглом стержне. Причем такой резонатор может быть полностью изготовлен из одного монокристалла или представлять собой составное изделие, соединение элементов которого (полусферической оболочки и ножки) осуществляется с помощью, например, клея [например, патентные документы ЕР №1722193, G01C 19/56, 2006 г.; GB №2154739, G01C 19/58, 1995 г.; GB №2310284, G01C 19/56, 1996 г.; RU №2251076, G01C 19/56, G01P 9/04, 2005 г.].
Источником инерциальной информации обычно полагается изменение волновой картины колебаний осесимметричного резонатора (кольцевого, цилиндрического, полусферического). При этом измерения производятся в режиме свободных колебаний резонатора, т.е. при отключенном возбуждении резонатора. Полагается, что вращение основания, на котором установлен резонатор, вызывает поворот волновой картины (волны упругих колебаний) на меньший, но известный угол, то есть упругая волна, как целое, прецессирует. Таким образом, кориолисовы вибрационные гироскопы могут использоваться в качестве датчиков угла поворота объекта или датчика угловой скорости поворота объекта. Коэффициент пропорциональности скорости прецессии стоячей волны к проекции угловой скорости вращения основания на ось симметрии резонатора - «масштабный коэффициент» - наряду с собственной частотой колебаний резонатора входит в число наиболее важных для изготовителя параметров системы.
С точки зрения использования волновых свойств КВГ известны и способы закрепления резонатора: 1) оба края жестко заделаны; 2) один край жестко заделан, второй свободен [Меркурьев И.В. Динамика гироскопических чувствительных элементов систем ориентации и навигации малых космических аппаратов. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук, М., 2008 г.].
Однако при таком подходе к происходящим в резонаторе КВГ динамическим процессам все известные конструкции КВГ имеют заведомо трудно устранимые погрешности получения высокоточной навигационной информации и, одновременно, существенно малый динамический диапазон измеряемых угловых скоростей.
Причиной данных фактов служит то, что в известных конструкциях КВГ принимается во внимание только волновые свойства резонатора в плоскости, перпендикулярной оси чувствительности резонатора, и игнорируются (не учитываются) вибрационные свойства резонатора, вызывающие, например, движение материальных частиц резонатора параллельно оси чувствительности КВГ [RU №2193753, G01C 19/56, 2002 г.].
Игнорирование движения кромки резонатора параллельно оси чувствительности КВГ приводит к невозможности учета корилосовых сил инерции, возникающих от угловых скоростей основания (объекта) по перекрестным осям (угловых скоростей основания по осям, перпендикулярным оси чувствительности КВГ), т.к. возникающий от этого эффект (деформации оболочки резонатора) нельзя учесть и отличить от подобного эффекта под действием линейных ускорений по перекрестным осям.
К аналогичным эффектам приводит игнорирование тангенциального движения частиц оболочки любого резонатора, вызываемое кориолисовыми силами инерции, от колебательного движения частиц резонатора в плоскости, перпендикулярной оси чувствительности КВГ.
Попытка учета величины движением кромки резонатора параллельно оси его чувствительности [как в RU №2193753, G01C19/56, 2002 г.] не может дать полноценного эффекта, т.к. такие движения материальных частиц резонатора могут вызываться как угловыми скоростями основания по перекрестным осям, так и линейными ускорениями относительно всех осей основания. В такой ситуации разделить влияние данных факторов только учетом перемещения кромки резонатора физически невозможно.
При консольном креплении резонатора КВГ материальные частицы резонатора КВГ движутся перпендикулярно оси чувствительности и, одновременно, параллельно ей, а также, одновременно, имеют тангенциальное движение относительно кромки резонатора. Если оба края резонатора жестко заделаны, то практически отсутствует движение материальной точки резонатора только вдоль оси чувствительности КВГ. Упомянутым способам крепления резонатора КВГ присущи большие угловые жесткости резонатора относительно его оси чувствительности при относительно малых моментах кориолисовых сил инерции относительно этой же оси, что приводит к малому динамическому диапазону измеряемых угловых скоростей. Но, при этом резонатор КВГ всегда будет реагировать на угловые скорости основания по перекрестным осям, из-за кориолисовых инерционных сил, ввиду малой угловой жесткости крепления резонатора в любой плоскости, проходящей через ось чувствительности, т.е. в снимаемой с КВГ навигационной информации всегда будет присутствовать неизвестная погрешность от перекрестных угловых скоростей и линейных ускорений, что приводит к принципиальной невозможности изготовления высокоточного КВГ, на основе известных способов крепления его резонатора.
Из этого следует, что известные конструктивные схемы КВГ (ТВГ) всегда и в разной степени реагируют на угловые скорости основания по всем трем осям объекта. Поэтому принципиально невозможно получить с известных конструкций КВГ навигационную информацию об угловой скорости основания, относительно оси чувствительности КВГ, которая не содержала бы неизвестные погрешности от угловых скоростей и линейных ускорений по перекрестным осям КВГ.
Такие свойства известных конструкций КВГ (ТВГ) определяются тем, что угловая жесткость крепления резонатора известных КВГ, относительно оси чувствительности, значительно больше угловой жесткости резонатора в любой плоскости, проходящей через ось чувствительности резонатора.
Поэтому инерционные кориолисовы силы действующие на оболочку резонатора КВГ практически не учитываются, из-за большой угловой жесткости крепления резонатора относительно оси чувствительности КВГ, что приводит к неконтролируемым погрешностям КВГ, из-за относительно малой угловой жесткости резонатора в плоскости, проходящей через ось чувствительности.
В результате, колебательные (вибрационные) свойства известных конструкций КВГ приводят к неконтролируемым погрешностям в навигационной информации.
Известны патенты [UA №22153, G01C 19/56, 2007 г., UA №79166, G01C 19/56, 2007 г.], в которых чувствительный элемент вибрационного гироскопа содержит цилиндрический резонатор из упругого материала, состоящий из 2-х частей - цилиндрического обода и цилиндрической гнутой части с днищем, которая выполняет роль упругого подвеса. Толщина стенки цилиндрического упругого подвеса меньше по сравнению с толщиной стенки цилиндрического обода.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является чувствительный элемент, содержащий резонатор, выполненный в виде тонкостенного металлического цилиндра с основанием. При помощи основания резонатор крепится к другим частям КВГ. Кромка тонкостенного цилиндра на противоположном конце служит рабочей частью резонатора [Koning M.G. Vibrating cylinder gyroscope and method. // Патент США, НКИ 74-5.6 №4793195 (1988)].
Основные недостатки данного чувствительного элемента КВГ те же, что и у всех КВГ, с консольно закрепленным резонатором, и которые уже описаны выше. Именно по указанным причинам КВГ относятся, по настоящее время, к датчикам угловой скорости средней точности.
Раскрытие изобретения
Для устранения этих недостатков КВГ и направлено данное изобретение.
Предлагаемый способ крепления резонатора КВГ обеспечивает угловую жесткость резонатора относительно его оси чувствительности, значительно меньшую, чем угловая жесткость резонатора в любой плоскости, проходящей через его ось чувствительности. Одновременно, в предлагаемой конструкция КВГ разделены канал возбуждения колебаний резонатора от канала съема навигационной информации, об угловой скорости основания относительно оси чувствительности.
Такая конструкция использует вибрационные (колебательные) свойства резонатора КВГ, не в ущерб его волновым свойствам. Одновременно появляется возможность выбирать размеры резонатора и элементов его крепления с учетом прочностных свойств материала резонатора и реально возможных динамических характеристиках движения основания (линейных ускорений, угловых ускорений и скоростей и др.).
Техническим результатом изобретения является учет колебательных (вибрационных) свойств резонатора, исключение движения материальных частиц резонатора параллельно оси чувствительности, соответственно исключение динамических эффектов от перекрестных угловых скоростей, реализация канала возбуждения колебаний резонатора независимо от канала съема навигационной информации что, в совокупности, обеспечивает существенно меньший уход (повышенную точность) КВГ и увеличенный динамический диапазон измерения угловых скоростей.
Осуществление изобретения
Конструкция предлагаемого КВГ отличается способом креплением резонатора с помощью торсионов, закрепленных одним концом на узловых линиях колебаний оболочки резонатора, что исключает искажения формы колебаний резонатора, вызываемые обычно применяемыми способами крепления резонатора. Выбор формы и поперечного сечения торсионов, например в виде тонких пластин, позволяет учесть колебательные (вибрационные) свойства резонатора, для чего торсионы обеспечивают малую угловую жесткость подвеса резонатора относительно оси чувствительности и существенно большую угловую жесткость подвеса резонатора в любой плоскости, проходящей через ось чувствительности.
Такой способ крепления резонатора исключает неконтролируемые ошибки навигационной информации, от угловых скоростей основания по перекрестным осям и от линейных ускорений по всем осям основания, что способствует повышению точности навигационной информации, снимаемой с такого КВГ и увеличению динамического диапазона измерения угловых скоростей.
Т.е. КВГ предлагаемой конструкции действительно является однокомпонентным датчиком угловой скорости основания, в отличие от известных конструкций КВГ.
Предлагаемое изобретение, в частности, содержит резонатор в виде цилиндрической оболочки, прикрепленный к основанию плоскими торсионами, одним концом закрепленных на узловых линиях колебаний резонатора, и основание, снабженное средствами детектирования и возбуждения, взаимодействующими с резонатором и торсионами, отличающийся тем, что средства возбуждения взаимодействуют с резонатором, а средства детектирования взаимодействуют с торсионами.
Согласно одному из вариантов выполнения изобретения целесообразно, чтобы данные средства включали детекторы и измерительные преобразователи, которые могут размещаться на основании, в плоскости вибрации резонатора, которая (плоскость) расположена ортогонально (под прямым углом) к оси чувствительности КВГ.
Детекторы и/или измерительные преобразователи могут иметь любую известную различную конструкцию. Они могут содержать электроды, взаимодействующие с резонатором, для получения емкостных измерительных преобразователей возбуждения колебаний, и электроды, взаимодействующие с торсионами, для получения емкостных измерительных преобразователей для создания компенсирующего момента относительно оси чувствительности КВГ. Кроме того, детекторы и/или измерительные преобразователи могут быть иного, а не электростатического типа.
Целесообразно предусмотреть, конструктивно и технологически, соосность сопряжения резонатора с ответной частью основания, выполненного из того же материала, имеющего такой же коэффициент теплового линейного расширения, что и резонатор, с тем, чтобы обеспечить малую чувствительность датчика к температурным колебаниям.
КВГ по предлагаемому изобретению имеет только радиальную составляющую смещения цилиндрического резонатора, для возбуждения вибрации, а тангенциальная составляющая смещения цилиндрического резонатора парируется емкостными измерительными преобразователями на торсионах для создания компенсирующего (измерительного) момента относительно оси чувствительности КВГ.
На практике, в нерабочем положении следует принимать межэлектродный зазор в пределах от 5 до 100 мкм, желательно в пределах от 5 до 20 мкм, то есть значения, которые гораздо легче соблюдать при наличии цилиндрических и плоских, обращенных друг к другу, поверхностей. Для сохранения приемлемых размеров обычно следует применять резонатор, имеющий собственную частоту менее 10 кГц. Целесообразно размещать резонатор в вакууме для уменьшения затухания колебаний его оболочки.
Резонатор должен иметь постоянную толщину стенки. Толщина и высота цилиндрической оболочки могут быть увеличены с тем, чтобы увеличить чувствительность КВГ и увеличить активную поверхность электродов, устанавливаемых на основании. Целесообразно, чтобы размеры устанавливаемых на основании электродов превышали размер электродов на резонаторе и на торсионах, чтобы они выступали с каждого края и чтобы небольшое нарушение центровки не оказывало воздействия на измерение.
Эффективность измерительных преобразователей и детекторов в первом приближении пропорциональна поверхности электродов, поделенной на межэлектродный зазор в квадрате. Из этого видно еще одно и существенное преимущество предлагаемого изобретения, которое позволяет значительно сократить межэлектродный зазор и увеличить поверхность электродов. Поскольку значение зазора берется в квадрате, то уменьшая зазор и увеличивая площадь электродов, значительно увеличивается эффективность измерительных преобразователей и детекторов.
-3
Предпочтительно выбирать механические характеристики резонатора таким образом, чтобы частота его собственных колебаний заключалась в пределах от 3 до 10 кГц, так как его кпд падает за пределами этого последнего значения. Амплитуду вибраций можно отрегулировать, чтобы иметь диапазон в пределах от 0,5 до 1 мкм. Резонатор следует заключать в корпус, в котором будет устанавливаться пониженное давление, на практике менее 10 миллибар с тем, чтобы снизить воздушное демпфирование.
Предлагаемое изобретение может быть выполнено в нескольких вариантах в зависимости от способа закрепления торсионов к основанию.
В предлагаемом изобретении торсионы могут быть (например) выполнены плоскими и закреплены к основанию как с внутренней стороны резонатора, так и с внешней стороны или с обеих сторон. При таких креплениях торсионов измерительная часть КВГ, выполненная по следящей схеме (например, с использованием емкостных датчиков, включенных по дифференциальной схеме), обеспечивает неизменное (исходное) положение (относительно основания) как узловых линий колебаний резонатора (соответственно и самого резонатора), так и неизменное положение торсионов, путем приложения к торсионам сил (например, электростатических) соответствующего направления и величины.
Варианты с прикреплением торсионов к резонатору с двух сторон (в плоскости резонатора) обладают дополнительными преимуществами, при необходимости обеспечить желаемый динамический диапазон измерения угловых скоростей и одновременного удовлетворения конструкции КВГ прочностным требованиям, вытекающим из динамических характеристик движения основания (прочностным требования по выдерживанию конструкцией КВГ перегрузок).
При работе КВГ предлагаемой конструкции полностью исключаются влияния перекрестных угловых скоростей на цилиндрический резонатор КВГ из-за отсутствия (невозможности) движения элементов резонатора параллельно оси чувствительности, повышается чувствительность и увеличивается динамический диапазон измерения угловых скоростей КВГ (из-за малой угловой жесткости подвеса резонатора относительно оси чувствительности), что в совокупности уменьшает ошибки измерения угловой скорости основания и существенно улучшает его динамические характеристики.
Предложенная конструкция КВГ работает следующим образом.
Резонатор закрепляется на основании и с другими конструктивными частями КВГ одним из упомянутых выше способов. При работе в резонаторе возбуждают изгибные колебания, например, с помощью электростатического датчика. Резонатор, введенный в режим вибрации, обеспечивает наличие переменной линейной скорости материальных частиц резонатора с частотой, равной резонансной. В качестве рабочей используется эллиптическая мода колебаний (n=2) с частотой собственных колебаний резонатора. При вращении резонатора вокруг оси симметрии (оси чувствительности), относительно инерциального пространства, каждый индивидуально вибрирующий (колеблющийся) элемент массы кольцевого резонатора проявляет инерционную кориолисову силу, стремящуюся повернуть этот элемент массы резонатора относительно оси чувствительности.
Результирующие (совокупные) кориолисовы силы инерции, действующие на все элементы массы кольцевого резонатора, стремятся повернуть резонатор относительно оси чувствительности в направлении, противоположном направлению угловой скорости основания. Измерительно-компенсационная система КВГ отслеживает неизменное положение линий узловых колебаний оболочки резонатора (или неизменное положение торсионов) с помощью емкостных датчиков, включенных (например) по дифференциальной схеме, и парирует возникающий момент инерционных кориолисовых сил противомоментом, прикладываемым к резонатору через торсионы, например, электростатическими датчиками. Величина противомомента, создаваемого измерительно-компенсационной системой КВГ, пропорциональна, через «масштабный коэффициент»», угловой скорости основания относительно оси чувствительности КВГ и имеет одинаковое с ней направление.
Т.е. оболочка резонатора предложенной конструкции КВГ совершает колебания постоянной ориентации относительно осей основания, а информация об угловой скорости основания непрерывно снимается с измерительно-компенсационной системы и обрабатывается, с необходимой частотой, и, при необходимости, обрабатывается (например, цифровыми фильтрами) для дальнейшего использования (например, в БИНС).