Трехкомпонентный измеритель угловой скорости на основе гироскопа Ковалевской с пружинным подвесом

Полезная модель относится к области приборостроения и может быть использована в системах ориентации, навигации и управления таких подвижных объектов, как самолет, корабль, спутник, подводная лодка, автомобиль и других, где требуется информация об угловых скоростях.
Особенность прибора состоит в том, что он однороторный. Как и в прототипе, в нем дополнительно измеряется угловая скорость подвижного объекта (ПО) вокруг оси собственного вращения ротора, так что на выходе выдается информация о трех компонентах вектора абсолютной угловой скорости ПО. В отличие от прототипа он проще по схемно-конструктивному решению и технологии изготовления, а поэтому дешевле и надежнее.
Известен микромеханический гироскоп-акселерометр с электростатическим подвесом ротора (Пат. РФ №2158903, МПК G01C 19/24, G01P 15/14, 2000 г., авторы Чеботаревский Ю.В., Мельников А.В., Плотников П.К.), содержащий статически и динамически сбалансированный ротор в виде круглой пластины с отверстиями, имеющий электропроводящие части и окруженный статорами, в состав которых входят торцевой, нижний и верхний планарные статоры подвеса, а также нижний и верхний планарные статоры вращающего момента. При этом торцевой статор подвеса состоит из четного числа плоских электродов, расположенных в экваториальной плоскости ротора по окружности и закрепленных в боковых стенках нижней электроизолирующей втулки, укрепленной в корпусе. В конструкцию также входят нижний и верхний одинаковые планарные статоры подвеса, каждый выполненный в виде четного числа плоских электродов, расположенных по окружности и закрепленных в нижней и верхней электроизолирующих втулках, причем последняя укреплена в крышке гироскопа-акселерометра, а каждый их двух соседних плоских электродов любого из статоров подвеса вместе с последовательно включенными с ними источником высокочастотного напряжения и дросселем образуют измерительную цепочку. Кроме того, нижний и верхний планарные статоры вращающего момента, закрепленные в нижней и верхней электроизолирующих втулках и состоящие из плоских электродов, соединены в три секции, так что в каждую секцию входят электроды, расположенные через два соседних на третий, секции соединены с тремя фазами источника переменного тока, в состав устройства входит схема обработки информации, содержащая измерительные цепочки.
Однако гироскоп-акселерометр микромеханического типа не обладает высокой точностью измерений угловых скоростей в отличие от прецизионного сферического гироскопа с электростатическим подвесом.
Известен гироскоп (Журавлёв В.Ф., // Изв-РАН.МТТ., 2014, №1, с. 6-17), имеющий сферический полый ротор, выполненный, например, из бериллия, заключенный в вакуумную камеру, поддерживаемый во взвешенном состоянии при помощи трех пар поддерживающих силовых электродов электростатического подвеса, двухфазный асинхронный двигатель конденсаторного типа для привода ротора, демпфирующие обмотки, измерительные электроды, служащие для измерения перемещений ротора и определения линейных ускорений, обмотки датчиков моментов для коррекции углового положения ротора вокруг осей ОХ и ОY, и пару оптических датчиков для съема информации с помощью специальных рисунков, нанесенных на поверхности ротора.
Недостатком прибора является невозможность измерения угловой скорости по третьему компоненту угловой скорости объекта, а следовательно для определения ориентации подвижного объекта требуется применение дополнительного прибора.
х
у
Этот недостаток устранен в трехкомпонентном измерителе угловой скорости на основе сферического гироскопа с электростатическим подвесом (по патенту РФ №155046 от 30.06.2015 г. Авторы: Журавлёв В.Ф., Плотников П.К., Кузнецов А.О.), в состав которого входят сферический полый ротор, заключенный в вакуумную камеру, окруженный тремя парами ортогонально расположенных силовых поддерживающих электростатических электродов подвеса с источником высокочастотного напряжения, двухфазный асинхронный двигатель для привода ротора гироскопа с двумя парами диаметрально расположенных в экваториальной плоскости ротора обмоток, соединенных с источником переменного тока, причем одна из пар обмоток соединена с ним через конденсатор, обеспечивающий сдвиг фазы на 90°, а также система отключения обмоток асинхронного двигателя после набора ротором заданной скорости вращения, две пары диаметрально расположенных последовательно соединенных обмоток, образующих два датчика момента, оси моментов которых перпендикулярны оси собственного вращения ротора, две пары электрически изолированных сегментных электродов, расположенных в экваториальной плоскости на внутренней поверхности вакуумной камеры, причем электроды каждой пары расположены симметрично по боковым сторонам от поддерживающих электродов, два оптических датчика съема информации, выполненные в виде твердотельного лазера и фотоприемника, два усилителя-преобразователя, при этом выход первого фотоприемника предназначен для определения угла поворота ротора вокруг оси ОХ корпуса, соединен со входом усилителя преобразователя, выход которого соединен с парой обмоток датчика момента, одна из которых содержит фазосдвигающий конденсатор, развивающего момент вокруг оси OY, выход второго фотоприемника, предназначенного для определения угла поворота вокруг оси OY корпуса, соединен со входом другого усилителя-преобразователя, выход которого соединен с парой обмоток датчика момента, одна из обмоток которого также содержит фазосдвигающий конденсатор, развивающего момент вокруг оси ОХ, последовательно с обмотками датчиков моментов включены эталонные резисторы, падения напряжения на которых несут информацию об оценках угловых скоростей ω и ω объекта, силовая пара электрически изолированных сегментных электродов, расположенных вдоль оси ОХ,
z
соединена последовательно с источником высокочастотного напряжения, дросселем и резистором, образуя цепь возбуждения колебаний, измерительная пара электрически изолированных сегментных электродов, расположенных вдоль оси OY, соединена последовательно с дросселем и эталонным резистором, который соединен с входом фазочувствительного выпрямителя, выход фазочувствительного выпрямителя соединен со входом масштабирующего устройства, на выходе которого формируется электрический сигнал, пропорциональный измеряемой оценке ω угловой скорости объекта вокруг оси OZ.
Недостатком прибора является то, что силы, развиваемые сегментными электродами (для придания центру тяжести ротора поступательных колебательных движений), будут вызывать его колебания по двум другим перпендикулярным осям за счет погрешностей изготовления электродов, а также угловые движения ротора, что приведет к погрешностям. К тому же за счет электродов для раскачки ротора требуется сложное схемное решение.
х
y
Эти недостатки значительно снижены в трехкомпонентном измерителе угловой скорости на основе гироскопа Ковалевской сферической формы с электростатическим подвесом (патент РФ на ПМ №163835 от 10.08.2016 г., МПК 601С 19/0, автор Плотников П.К.), в состав которого входят сферический полый ротор, заключенный в вакуумную камеру, окруженный тремя парами ортогонально расположенных силовых поддерживающих электростатических электродов подвеса с источником переменного тока, двухфазный асинхронный двигатель для привода ротора гироскопа с двумя парами диаметрально расположенных в экваториальной плоскости ротора обмоток, соединенных с источником переменного тока, причем одна из пар обмоток соединена с ним через фазосдвигающий конденсатор, обеспечивающий сдвиг фазы на 90°, две пары диаметрально расположенных последовательно соединенных обмоток, образующих два датчика момента, оси моментов которых перпендикулярны оси собственного вращения ротора, две пары электрически изолированных сегментных электродов, расположенных в экваториальной плоскости на внутренней поверхности вакуумной камеры, причем электроды каждой пары расположены симметрично по боковым сторонам от поддерживающих электродов, два оптических датчика съема информации, выполненные в виде твердотельного лазера и фотоприемника, два усилителя-преобразователя, при этом выход первого фотоприемника выполнен с возможностью определения угла поворота ротора вокруг оси ОХ корпуса, соединен со входом усилителя преобразователя, выход которого соединен с парой обмоток датчика момента, один из которых содержит фазосдвигающий конденсатор, развивающего момент вокруг оси OY. Выход второго фотоприемника предназначенного для определения угла поворота вокруг оси OY корпуса, соединен со входом другого усилителя-преобразователя, выход которого соединен с парой обмоток датчика момента, одна из обмоток которого также содержит фазосдвигающий конденсатор, развивающего момент вокруг оси ОХ, последовательно с обмотками датчиков момента включены эталонные резисторы, падения напряжения на которых несут информацию об оценках угловых скоростей ω и ω объекта, при этом ротор выполнен в виде гироскопа Ковалевской сферической формы с плечом смещения центра его тяжести в экваториальной плоскости, перпендикулярной оси собственного вращения, в котором распределение масс подчиняется условиям
x
y
z
2
ц
z
y
A
J=J=А, J=/, x=1, y=z=0,
z
измерительные пары электрически изолированных сегментных электродов, выполненных с возможностью измерения перемещений вдоль осей ОХ и OY, каждый из пары электрод соединен в измерительную цепочку последовательно с источником переменного напряжения, дросселем и эталонным резистором, которые соединены с входами фазочувствительных выпрямителей с фильтрами, с контроллером, с возможностью формирования на его выходе электрического сигнала, пропорционального измеряемой оценке ω угловой скорости объекта вокруг оси OZ.
Данное техническое решение принято за прототип.
Недостатком прототипа является сложность его конструкции, сложность и дороговизна прецизионного оборудования для его изготовления и регулировки. Как следствие, его дороговизна. Приборы столь высокой точности и не требуются на большом количестве ПО, где должен быть обеспечен критерий экономичности по стоимости при приемлемой точности.
Задачей (целью) предлагаемой полезной модели является устранение отмеченных недостатков прототипа.
Технический результат полезной модели заключается в замене сферического электростатического подвеса ротора на упругий, пружинный подвес гирокамеры (в корпусе) с заключенным в нем однороторным гироскопом Ковалевской, установленном в радиально-упорных подшипниках. Остальные элементы во многом аналогичны элементам прототипа. Конструкция и технология такого гироскопа проще, чем в прототипе. Это позволяет значительно удешевить его производство.
Поставленная задача решается тем, что в трехкомпонентном измерителе угловой скорости на основе гироскопа Ковалевской, в состав которого входят гироскоп Ковалевской в виде ротора со смещением центра масс в экваториальной плоскости ротора, подвес, обеспечивающий реализацию на подвижном объекте закрепленной точки, а также трех угловых степеней свободы ротора, два датчика угла и два датчика поступательных перемещений гироскопа относительно подвижного объекта, электродвигатель с источником электрического питания для привода во вращение ротора, два датчика моментов и два усилителя систем межосевой радиальной коррекции, в силу предложенного технического решения, подвес ротора выполнен в виде пары шарикоподшипников, закрепленных в цилиндрической гирокамере, которая, в свою очередь, с помощью восьми дугообразных пружин, образующих два одинаковых ряда, разнесенных по образующей гирокамеры, крепится к корпусу для обеспечения гирокамере с ротором двух ограниченных поступательных радиальных и двух ограниченных угловых степеней свободы, на роторе укреплена активная цилиндрическая часть, выполненная, например, из викаллоя, а на внутренней поверхности гирокамеры - обмотки с магнитопроводом статора синхронного электродвигателя, между гирокамерой и корпусом установлены два датчика угла и два датчика моментов, выполненных так, что каждый датчик угла образован двумя электростатическими датчиками перемещений, каждый датчик моментов образован двумя магнитоэлектрическими датчиками силы, измерительные оси датчиков перемещений и оси действия сил датчиков силы расположены в двух разнесенных вдоль образующей гирокамеры плоскостях, оси измерений датчиков перемещений в каждой плоскости взаимно-перпендикулярны, направлены по диаметрам, на других сторонах диаметров размещены датчики силы, оси их действий лежат на соответствующих указанных выше диаметрах, каждому датчику перемещения (или силы) верхнего ряда соответствует по образующей в нижнем ряду датчик силы (или датчик перемещения), причем выходы двух пар датчиков радиальных перемещений через соответствующие сумматоры с усилителями соединены, с одной стороны, с входами двух пар соответствующих датчиков сил, образуя две системы межосевой радиальной коррекции, предназначенные для создания моментов сил вокруг двух экваториальных осей гирокамеры, причем коэффициенты передачи двух систем радиальной коррекции по моментам сил коррекции более чем на порядок превосходят коэффициенты угловой жесткости пружин подвеса гирокамеры, а, с другой стороны, выходы датчиков перемещений и выходы усилителей по току соединены со входами вычислительно - управляющего блока, выходы этого блока предназначены для передачи устройствам - потребителям информации об оценках трех компонентов вектора абсолютной угловой скорости подвижного объекта.
Заявляемая полезная модель поясняется чертежами фиг. 1-фиг. 6.
На фиг. 1 представлена кинематическая схема пружинного подвеса гироскопа Ковалевской.
На фиг. 2 представлена кинематическая схема, поясняющая размещение датчиков углов и радиальных перемещений датчиков, а также датчиков сил.
На фиг. 3 изображена схема, поясняющая работу систем радиальной коррекции.
p
p
p
xyz
рез
рез
рез,
На фиг. 4 изображены сечение ротора и повороты ротора (система координат Oxyz) относительно корпуса ПО (система координат (O); Охyz - резалева система координат.
На фиг. 5 показана блок-схема соединений прибора.
На фиг. 6 представлена структурная схема прибора для углового движения.
На чертежах приняты следующие обозначения: 1 - ротор гироскопа Ковалевской; 2 - гирокамера (кожух); 3 - пружинная опора; 4 - корпус прибора; 5 и 5' - датчики перемещений кожуха вдоль оси Oy, разность сигналов ,  которых, деленная на 2L, определяется ниже:
50
где y - поступательное перемещение гирокамеры.
α
β
Формула (1) позволяет определить угол α поворота гироскопа для малых углов (фиг. 2 и фиг. 4). Т.о. при разности сигналов датчики 5 и 5' образуют датчик угла α (ДУ); 6 и 6' - датчики перемещений кожуха вдоль оси OX, разность сигналов которых позволяет определить угол β по формуле, аналогичной (1). Т.о. 6 и 6' образуют датчик угла β (ДУ). При суммировании сигналов датчиков 5 и 5' получают сигнал о радиальном перемещении гирокамеры вдоль оси OY:
x
х
α
β
э
х
у
При суммировании сигналов датчиков 6 и 6' получают сигнал о радиальном смещении гирокамеры вдоль оси ОХ. Разнесенные датчики силы 7 и 7' образуют датчик моментов ДМ. При подключении напряжения от датчика угла 5 и 5' по углу β (условно положительного на датчик 7 и условно отрицательного на датчик 7') датчики развивают положительный момент сил М на базе 2L, т.е. против часовой стрелки, если смотреть с положительного направления оси ОХ. Разнесенные датчики силы 8 и 8' образуют датчик моментов вокруг оси Oy (Мкy); при подключении напряжения от датчика угла 5 и 5' по углу α (условно отрицательного на датчик 8 и условно положительного на датчик 8') датчики создают положительный момент сил My на базе 2L. Моменты сил коррекции от сигналов (ДУ), (ДУ), которые усиливаются усилителями 9 и 10, обозначены Мкy, Мкх (фиг. 3). Кроме того, R - эталонное сопротивление для съема информации об угловых скоростях ω и ω. В состав прибора входят (фиг. 5) чувствительный элемент 11 в виде гироскопа Ковалевской, источники электрического питания 12, вычислительно-управляющий блок (13).
Для разгона ротора 1 в конструкции прибора имеется трехфазный синхронный электродвигатель, в состав которого входят три соединенные звездой обмотки (не показаны), расположенные в экваториальной плоскости ротора OXY и жестко связанные с внутренней стенкой гирокамеры прибора. Обмотки запитываются от источника переменного тока с частотой 0,5…1 Кгц. На роторе обращенного типа укреплена активная часть ротора.
На фиг. 4 представлены повороты систем координат и сечение ротора 1 в экваториальной плоскости. В соответствии с теорией, в гироскопе Ковалевской распределение масс выполнено следующим образом:
р
p
p
- по осевым моментам инерции и по смещению центра тяжести вдоль осей Ох, Оy, Oz ротора 1:
где А - экваториальный момент инерции.
p
z
z
z
x
y
z
α
y
2
Работает трехкомпонентный измеритель угловой скорости следующим образом. Перед включением электрического питания прибор устанавливают на корпусе ПО и выставляют его оси по осям системы координат oxyz, связанной с корпусом 3 прибора. При включении питающих источников высокочастотных напряжений прибор готов к работе. При разгоне ротор 1 приобретает угловую скорость  и кинетический момент Н, равный , где Jz - момент инерции ротора 1 вокруг оси OZ равный J=J'+lm, где m - масса ротора 1; l - плечо смещения; J' - осевой момент инерции ротора. При движении ПО возникают абсолютные угловые скорости ω, ω, ω, которые измеряются заявляемым прибором. Канал коррекции положения оси собственного вращения гироскопа вокруг оси OX за счет момента Mky работает следующим образом: при повороте гирокамеры на угол α датчиком Dy, состоящим из датчиков 5 и 5' и сумматора, в вычислительно-управляющем блоке 13 формируется напряжение, поступающее на усилитель 9 (фиг. 3). Усилитель 9, входящий в блок 13, вырабатывает усиленное напряжение, подключенное к датчику момента DM (в него входят датчики силы 7 и 7'), который развивает большую часть Mky восстанавливающего момента сил. Другую часть этого момента вокруг оси oy развивают пружины. От этого совокупного момента - от сил пружин  и момента коррекции (Mky) вокруг оси ох происходит прецессия, устраняющая отклонение гирокамеры с ротором по углу α.
β
kx
∂м
x
nx
nx
kx
x
y
kx
∂м
х
э
эх
На другой вход блока 13 подается напряжение с датчика угла β (ДУ). На выходе вычислительно-управляющего блока 13 формируется электрический сигнал, который через выходной каскад усилителя подводится к обмоткам датчика момента, и он развивает момент M=KI. От действия совокупного момента сил (от пружин М=Кα. и момента коррекции M) вокруг оси оy происходит прецессия, устраняющая отклонение гирокамеры с ротором по углу β. Таким образом, в режиме коррекции угла β прибор работает аналогично режиму коррекции угла α (фиг. 3, фиг. 6). При работе систем коррекции в обмотках датчиков момента протекают токи I и I, пропорциональные угловой скорости ПО соответственно вокруг осей OY и ОХ. Сигналы о токах с эталонных резисторов поступают на вход блока 13. От момента M=KI в обмотках датчика момента протекает ток, за счет которого на резисторе R происходит падение напряжения U; ток и напряжение связаны формулой:
Приведем следующие соотношения для взаимосвязи момента радиальной коррекции Mkx, гироскопического момента и момента сил от пружин:
nx
∂м
β
kx
nx
где К - коэффициент жесткости пружин вокруг оси ох; K, K коэффициенты передачи датчика момента и радиальной коррекции по углу β. Согласно (2) моменты коррекции и пружин суммируются M+М, и их сумма оказывает совокупное действие на гироскоп, уравновешивая гироскопический момент в установившемся режиме. Для другой оси оу датчик момента, состоящий из датчиков силы 8 и 8', развивает момент сил коррекции
Ток может быть рассчитан через напряжение на эталонном резисторе на выходе усилителя 10:
Взаимосвязь гироскопического момента и моментов сил коррекции и пружин вокруг оси оу выражается соотношениями:
ny
э
х
y
эх
эу
α
где К - коэффициент жесткости пружин по углу β; R - сопротивление эталонного резистора; Н - кинетический момент, развиваемый ротором 1; I, I - токи коррекции, протекающиие в обмотках датчиков моментов вокруг осей ОХ и OY соответственно; U, U - напряжения на выходах эталонных резисторов (фиг. 3), включенных на выходах усилителей 10 и 9 соответственно последовательно с обмотками датчиков моментов; K - коэффициент передачи радиальной коррекции по углу α. Момент упругих сил от пружин вокруг оси оy равен:
На выходе блока вычислений и управления 13 реализуются оценки угловых скоростей:
Поступательные движения состоят из медленных и быстрых, колебательных. Поэтому представим их по координатам в виде сумм:
0
0
y
0
0
где х, y - медленноизменяющиеся; Δх, Δ - быстроизменяющиеся движения. Координаты движения x и y определяют с помощью датчиков перемещений 5', 5 и 6', 6. Применив в блоке вычислений и управления 13 фильтр нижних частот или процедуру осреднения, отделяют колебания Δх, Δy с частотами Ω от низкочастотных движений х, y; получают упрощенные уравнения невозмущенного (11) и возмущенного движений:
x
y
Здесь М - масса гирокамеры с ротором; m - масса ротора; C, n - коэффициенты жесткости и демпфирования в поступательных движениях гирокамеры. Датчики 5', 5 и 6', 6 - например, емкостные датчики перемещений, датчики силы 7', 7 и 8', 8 - например, магнитоэлектрические. На основе уравнений (12), (13) в блоке 13 определяются Δх, Δy. В нем же вычисляются с помощью алгоритмов и программы дифференцирования определяются производные по времени: . Из (12), (13) выводим алгоритм определения оценки угловой скорости вокруг оси ПО, практически совмещенной с осью собственного вращения ротора гироскопа Ковалевской. Для этого дифференциальные уравнения (12) и (13) умножим соответственно на  и  и из (12) вычтем (13). Получим, положив(n=n=n):
0
Z
Нетрудно показать, что знаменатель алгоритма (14) всегда положительный при естественных соотношениях Ω,Ω>>|ω| и не равных нулю скоростях колебаний. При моделировании работы прибора к сумме квадратов скоростей в знаменателе алгоритма (14) добавлялся экспоненциальный быстро затухающий член, устранявший, при очень малых начальных скоростях колебаний гирокамеры, деление числителя дроби практически на нуль и сокращавший время переходного процесса.