СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВОЙ СКОРОСТИ ОДНООСНЫМ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИМ ГИРОСКОПОМ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF MEASURING ANGULAR VELOCITY USING MONOAXIAL MICROMECHANICAL GYROSCOPE AND DEVICE FOR REALISING SAID METHOD

Изобретение относится к области приборостроения - микромеханическим гироскопам авиационно-космических пилотажных систем управления, используемых в качестве датчиков угловых скоростей [1-5].
Известны следующие способы и устройства для измерения угловых скоростей летательных аппаратов: механические с вращающимся ротором, оптические - с вращающимся лучом света, ядерные - с использованием спинэффекта электронов и атомного ядра, микромеханические - с вибрирующей чувствительной массой [4, 5].
г
1
2
ω
ω
Известен способ повышения точности микромеханического гироскопа с линейными информационными колебаниями чувствительного элемента и аналоговым выходом информации, основанный на компенсации влияния воздействия линейных ускорений на измеряемую гироскопом угловую скорость, в котором выходной аналоговый сигнал U гироскопа формируют путем дифференциального считывания аналоговых сигналов U, U с двух одинаковых датчиков, установленных на общем базовом основании со встречным расположением осей чувствительности [2]. Выходное напряжение каждого датчика состоит из двух составляющих: напряжения, обусловленного измеряемой угловой скоростью U, и напряжения, вызванного действием линейных ускорений . Выходное напряжение одного датчика будет равно , а второго . Результирующий сигнал гироскопа будет равен . To есть сигналы, обусловленные действием линейных ускорений, будут исключены из полезного сигнала U.
Основным недостатком этого способа является сложность его реализации и ограниченная эффективность компенсации из-за невозможности сделать два датчика совершенно одинаковыми.
Наиболее близким техническим решением, т.е. прототипом предложенного способа повышения чувствительности микромеханического гироскопа с аналоговым выходным информационным сигналом, является способ, основанный на формировании аналогового сигнала угловой скорости ω за счет изменения его параметров под воздействием внешней нагрузки в направлении оси чувствительности гироскопа Z [2].
Основным недостатком такого способа является существенная зависимость его выходного сигнала от действия линейных ускорений в плоскости, перпендикулярной оси чувствительности Z. При воздействии на гироскоп по ортогональным осям X и Y, лежащим в плоскости, перпендикулярной оси чувствительности гироскопа, линейных ускорений в его выходном сигнале возникает дополнительное напряжение, пропорциональное величине этих ускорений. Этот дополнительный сигнал является ошибкой измерения угловой скорости, вызванной воздействием линейных ускорений.
Известно устройство, в котором микромеханический датчик гироскопа выполнен в виде двухмассной системы. Каждая масса совершает независимые друг от друга встречные колебания. В результате сложения в выходном сигнале двух независимых сигналов, создаваемых встречно перемещающимися массами, происходит компенсация влияния линейных ускорений [3].
Основным недостатком такого устройства является остаточная нескомпенсированность влияния линейных ускорений на выходной сигнал гироскопа, которая по данным зарубежных фирм составляет величину порядка 0,2 град/c/g [3].
Наиболее близким техническим решением, т.е. прототипом предложенного устройства, является устройство, содержащее одноосный микромеханический датчик угловых скоростей с аналоговым выходным информационным сигналом и базовое основание [2].
Основным недостатком такого устройства является существенная зависимость его выходного сигнала от действия линейных ускорений в плоскости, перпендикулярной оси чувствительности Z.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение точности измерений микромеханического гироскопа с линейными колебаниями чувствительного элемента.
xi
yi
Сущность заявленного в изобретении способа повышения точности одноосного микромеханического гироскопа, основанного на формировании аналогового сигнала угловой скорости ω за счет изменения его параметров под воздействием внешней нагрузки в направлении оси чувствительности гироскопа, заключается в том, что дополнительно на этапе настройки гироскопа формируют аналоговые сигналы ускорения (α,α) дополнительно введенным двухосным микромеханическим акселерометром по осям X и Y в плоскости, перпендикулярной направлению оси чувствительности гироскопа Z, преобразовывают их в цифровые сигналы, вычисляют значения коэффициентов зависимости угловой скорости от величины действующего в направлении каждой оси линейного ускорения по формулам:
, ,
2
где g=9,874 м/с - ускорение силы тяжести,
xi
yi
1
4
z
x
y
2
α, α - линейное угловое ускорение [град/с],  и  - [град·с/м], ω÷ω линейная угловая скорость [град/с] и запоминают, а в рабочем режиме формируют соответственно аналоговые сигналы текущих значений угловой скорости Ω и линейных ускорений α и α для каждого момента времени, преобразовывают их в цифровые сигналы, для каждого отсчета вычисляют компенсированное значение угловой скорости по формуле:  [град/с] и формируют сигнал для потребителя.
Сущность заявленного в изобретении устройства повышения точности одноосного микромеханического гироскопа, содержащего одноосный микромеханический датчик угловых скоростей с аналоговым выходным информационным сигналом и базовое основание, заключается в том, что в него дополнительно введены двухосный микромеханический акселерометр с аналоговыми выходными информационными сигналами, многоканальный аналогово-цифровой преобразователь, первый вычислитель и цифроаналоговый преобразователь, причем двухосный микромеханический акселерометр установлен на базовом основании совместно с одноосным микромеханическим датчиком угловых скоростей так, что оси чувствительности акселерометра лежат в плоскости, перпендикулярной оси чувствительности микромеханического датчика угловых скоростей, при этом выход одноосного микромеханического датчика угловых скоростей, первый и второй выходы двухосного микромеханического акселерометра соответственно через аналогово-цифровой преобразователь соединены с первым, вторым и третьим входами первого вычислителя, выход которого через цифроаналоговый преобразователь подключен к потребителю.
Техническая реализация заявленного устройства осуществляется на аппаратно-программном комплексе с использованием элементной базы компьютерной техники и микроэлектроники.
На фиг.1 представлена функциональная схема заявленного микромеханического гироскопа, где базовое основание - 1, одноосный микромеханический датчик угловых скоростей - 2, двухосный микромеханический акселерометр - 3, аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) - 4, первый вычислитель 5, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) - 6.
На фиг.2 приведена функциональная схема устройства для калибровки микромеханического гироскопа, где обозначено: кронштейн - 7, оптическая делительная головка - 8, индикатор - 9, поворотный механизм с приводом - 10, блок памяти - 11, второй вычислитель - 12.
Реализация способа повышения точности одноосного микромеханического гироскопа заключается в том, что на этапе его изготовления на общем базовом основании 1 (фиг.1) жестко закрепляют одноосный микромеханический датчик 2 и двухосный микромеханический акселерометр 3. При этом ось чувствительности Z одноосного микромеханического датчика 2 устанавливают перпендикулярно плоскости базового основания 1, а оси чувствительности X,Y акселерометра 3 - в плоскости базового основания.
1
2
x1
x2
2
Для каждой конкретной пары «гироскоп-акселерометр» измеряют значения линейных скоростей (ω и ω) и линейных ускорений (α и α) в направлении оси X при условии, когда вектор ускорения силы тяжести g=9,8174 м/с совпадает с направлением оси чувствительности X акселерометра 3 и когда ось чувствительности X акселерометра 3 направлена противоположно направлению вектора ускорения силы тяжести. Формируют соответствующие электрические сигналы, преобразовывают их в цифровые и запоминают.
3
4
y1
y2
Аналогично измеряют значения линейных скоростей (ω и ω) и линейных ускорений (α и α) при совпадении вектора ускорения силы тяжести g с направлением оси чувствительности Y акселерометра 3 и в противоположном направлении. Формируют соответствующие электрические сигналы, преобразовывают их в цифровые и запоминают.
Значения коэффициентов зависимости угловой скорости от величины действующего в направлении каждой оси линейного ускорения вычисляют по формулам:
,,
где g - ускорение силы тяжести.
Формируют и запоминают электрические сигналы, соответствующие вычисленным числовым значениям коэффициентов  и .
x
y
В рабочем режиме на выходе датчика гироскопа формируют электрический сигнал первичных измерений , в котором наряду с полезным сигналом присутствует и сигнал ошибки измерений, а на выходе двухосного акселерометра формируют электрические сигналы линейных ускорений (α и α) соответственно по осям X и Y и вычисляют значение компенсированной угловой скорости по формуле:
Рассмотренный алгоритм реализован в устройстве, представленном на фиг.1.
Работает устройство следующим образом.
z
x
y
На общем базовом основании 1 (фиг.1) жестко закрепляют одноосный микромеханический датчик 2 и двухосный микромеханический акселерометр 3 и на их выходах формируют аналоговые электрические сигналы линейных скоростей Ω (в направлении оси Z) и линейных ускорений α и α (в направлении осей X и Y). Выходы одноосного микромеханического датчика 2 и двухосного микромеханического акселерометра 3 через N-входовой аналогово-цифровой преобразователь 4 (N - число обрабатываемых сигналов, например, для данного случая N=3) подключены к соответствующим входам первого вычислителя 5, выполненного, например, на микропроцессоре, в котором для каждого отсчета поступающих сигналов вычисляют компенсированное значение линейной скорости по формуле:
, где  и  - коэффициенты зависимости угловой скорости от величины действующего в направлении каждой оси линейною ускорения.
Сигнал, соответствующий вычисленному значению линейной скорости с выхода первого вычислителя через цифроаналоговый преобразователь 6, подают на вход потребителя.
Числовые значения коэффициентов  и  определяют для каждой конкретной пары экспериментально на этапе настройки на специализированном стенде (фиг.2) и соответствующие им сигналы вводят в каждый конкретный первый вычислитель 5, например, в микропроцессор при его программировании вместе с расчетной формулой (2).
2
При настройке (фиг.2) отключают информационные сигналы от первого, второго и третьего входов первого вычислителя 5 и подключают их соответственно к первому, второму и третьему входу блока памяти 11, который двухсторонней линией связи соединен с вторым вычислителем 12, а выход блока памяти 11 подключают к четвертому входу первого вычислителя 5, а затем устанавливают устройство на кронштейн 7 и закрепляют в поворотном механизме с приводом 10 оптической делительной головки 8. Кронштейн 7 с установленным на нем базовым основанием 1 поворотным механизмом с приводом 10 поворачивают таким образом, чтобы вектор ускорения силы тяжести g=9,8174 м/с совпадал с направлением оси чувствительности X двухосного акселерометра 3, и фиксируют это положение индикатором 9 оптической головки 8 как нулевое (0 градусов).
Z1
На выходе микромеханического датчика линейных скоростей 2 формируют аналоговый сигнал, соответствующий линейной скорости Ω, а на выходе двухосного акселерометра 3 формируют аналоговый сигнал линейных ускорений =+g, оба сигнала подают на первый и второй входы аналогово-цифрового преобразователя 4, а соответствующие сигналы с его выходов запоминают в блоке памяти 11.
Z2
x2
Затем кронштейн 7 с базовым основанием 1 поворачивают приводом 10 оптической делительной головки 8 на 180 градусов так, чтобы ось чувствительности X акселерометра 3 была направлена противоположно направлению вектора ускорения силы тяжести, вновь повторяют процедуру определения показаний микромеханического датчика линейных скоростей 2 и двухосного акселерометра 3. В блоке памяти 11 запоминают сигналы, соответствующие полученным значениям линейной скорости Ω и линейного ускорения a=-g.
По результатам измерений во втором вычислителе 12 рассчитывают коэффициент влияния линейных ускорений, действующих на гироскоп по оси X, по формуле:
x
где ΔΩ [град/с] - приращение угловой скорости, вызванное действием линейных ускорений по оси X.
Затем базовое основание 1 переустанавливают на кронштейне 8, поворачивая его на 90 градусов, и повторяют цикл измерений при действии линейного ускорения (ускорения силы тяжести) по оси Y.
Z3
Z4
y1
y2
Для каждого положения (при совпадении вектора ускорения силы тяжести g с направлением оси чувствительности Y акселерометра 3 и при их направлении в противоположные стороны) запоминают сигналы, соответствующие показаниям микромеханического датчика линейных скоростей 2 - Ω, Ω и двухосного акселерометра 3 a=+g, a=-g.
По результатам измерений во втором вычислителе 12 рассчитывают коэффициент влияния линейных ускорений, действующих на гироскоп оси Y, по формуле:
,
y
где ΔΩ [град/с]- приращение угловой скорости, вызванное действием линейных ускорений по оси Y.
На выходе второго вычислителя 12 формируют сигналы, соответствующие коэффициентам влияния воздействия линейных ускорений ,  на измеряемые гироскопом угловые скорости, запоминают их в блоке памяти 11 и с его выхода подают на четвертый вход первого вычислителя 5.
Отключают первый, второй и третий выходы аналого-цифрового преобразователя 4 от первого, второго и третьего входов блока памяти 11 и соответственно подключают их к первому, второму и третьему входам первого вычислителя 5 и отсоединяют базовое основание 1 от кронштейна 7. Гироскоп готов к штатной работе.
Как показали результаты экспериментальных исследований, использование заявленного изобретения позволит более чем на порядок уменьшить погрешность измерения угловой скорости, обусловленную воздействием на гироскоп линейных ускорений, что приведет к повышению точности систем управления авиационно-космическими аппаратами и соответственно к повышению безопасности полетов.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Суминов В.М., Галкин В.И. Состояние и перспективы развития микромеханических гироскопов: Научные труды «МАТИ» - Российский государственный технологический университет им. К.Э.Циолковского. Вып.10 (82). - М.: ИЦ МАТИ, 2006. - С.154-160.
2. Распопов В.Я. Микромеханические приборы. - Учебное пособие 2-е изд., Тульский государственный университет, Российский государственный технологический университет им. К.Э.Циолковского. Тула: «Гриф и К», 2004.
3. Техническое описание микромеханического датчика ADXRS 150 фирмы Analog Devices, http:// www analog. com.
4. Браславский Д.А., Логунов С.С., Пельпер Д.С. Авиационные приборы и автоматы. - М.: Машиностроение, 1978.
5. Пешехонов В.Г. Ключевые задачи современной автономной навигации, «Гироскопия и навигация», 1966, №1, с.48.