ОДНОГИРОСКОПНЫЙ ТРЕХКОМПОНЕНТНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ УГЛОВ ПОВОРОТОВ ОБЪЕКТА НА ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОМ ПОДВЕСЕ

Полезная модель относится к области приборостроения и может быть использована в системах ориентации, навигации и управления таких подвижных объектов, как подводная лодка, корабль, самолет, спутник, автомобиль и других, где требуется информация о трех углах поворотов подвижного объекта (ПО). Особенность прибора состоит в том, что он однороторный. В отличие от других приборов, дополнительно измеряет угол поворота ПО вокруг оси собственного вращения ротора, в силу чего на выходе выдает информацию о трех углах поворотов ПО в инерциальном пространстве.
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 входит торцевой, нижний и верхний планарные статоры подвеса, а также нижний и верхний 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 из 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, состоящих 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 свойством измерения трех углов поворотов ПО в инерциальной системе координат и высокой точностью в отличие от описанного ниже прецизионного сферического гироскопа на электростатическом подвесе. Он является наиболее близким аналогом предлагаемой полезной модели (прототипом). Это гироскоп, описанный в трудах: 1. Журавлев В.Ф. // Изв-РАН. МТТ., 2014, №1, с. 6-17; 2. Горенштейн И.А., Шульман И.А. Инерциальные навигационные системы. М.: Машиностроение, 1970. 232 с.
Гироскоп на электростатическом подвесе имеет сферический полый (или сплошной) ротор, выполненный из материала с высокой электропроводностью (например, бериллия), заключенный в вакуумную камеру, для поддержания его во взвешенном состоянии предназначены три пары силовых электродов электростатического подвеса, двухфазный асинхронный двигатель с фазосдвигающим конденсатором для привода ротора, демпфирующие обмотки, измерительные электроды, служащие для измерения радиальных перемещений ротора, обмотки двух датчиков моментов для коррекции углового положения ротора вокруг осей ОХ и OY, в первую очередь, для начальной выставки, и пары оптических датчиков для съема информации по двум углам с помощью специальных рисунков, нанесенных на поверхности ротора.
Недостатком прибора является невозможность измерения третьего угла поворота подвижного объекта вокруг оси собственного вращения ротора. Следовательно, для определения трех углов полной ориентации ПО требуется применение дополнительного прибора.
Задачей настоящей полезной модели является устранение отмеченного недостатка.
Поставленная задача решается за счет того, что в одногироскопный измеритель трех углов поворотов подвижного объекта на электростатическом подвесе, содержащий сферический ротор, выполненный из материала с высокой электропроводностью и заключенный в вакуумную концентрическую сферическую камеру, на внутренней поверхности которой выполнены три пары силовых поддерживающих электродов, также выполненных из материала с высокой электропроводностью, электроизолированных от внутренней поверхности камеры, такое же количество по тем же осям расположенных электроизолированных измерительных электродов съема информации о радиальных перемещениях ротора, выполненных из того же материала, что и силовые электроды, двухфазный асинхронный двигатель привода ротора с двумя обмотками и фазосдвигающим конденсатором, обмотки двух датчиков моментов, оси моментов которых перпендикулярны оси собственного вращения гироскопа, две пары фотоэлектрических датчиков углов для съема информации о двух углах подвижного объекта с помощью специальных рисунков на поверхности ротора, электронная схема обработки информации об угловом положении ротора с блоком начальной выставки, блок источников электрического питания, блок вакуумирования, дополнительно в его конструкцию введена пара фотоэлектрических датчиков углов по третьей оси, а также по этой же оси введены две пары измерительных сегментных электродов, по всем трем осям пары измерительных сегментных электродов выполнены так, что каждый из пары электродов расположен по бокам от силового электрода, в электронную схему обработки информации дополнительно введены канал обработки информации, с контроллером, об угловом положении подвижного объекта вокруг третьей оси, блок возбуждения и управления синхронными поступательными колебаниями ротора вдоль одной из экваториальных и вдоль полярной осей внутренней поверхности камеры, при этом каждая из пар измерительных сегментных электродов, расположенных по бокам от силового электрода, соединены в шесть измерительных цепочек, состоящих каждая из единого для всех цепочек высокочастотного источника напряжения и индивидуальных двух входящих в пару сегментных измерительных электродов, индуктивности и эталонного резистора для съема информации о радиальном перемещении ротора гироскопа.
Технический результат полезной модели состоит в измерении полной информации об угловом положении подвижного объекта высокой точности за счет введения блока раскачки и управления поступательными колебаниями ротора по двум осям, схемы обработки сигналов шести пар сегментных измерительных электродов и системы обработки информации об угле поворота подвижного объекта по третьей оси, с использованием сигналов шести фотоэлектрических датчиков углов.
Полезная модель поясняется чертежами: фиг. 1-фиг. 5.
На фиг. 1 представлена блок-схема подключения гироскопа, на фиг. 2 изображена кинематическая схема гироскопа, на фиг. 3 показаны необходимые системы координат и их повороты, на фиг. 4 представлена функциональная электрическая схема раскачки гироскопа и съема выходной информации, на фиг. 5 изображена функциональная электрическая схема одной из измерительных цепочек.
/
/
/
/
/
/
/
/
/
/
/
/
/
/
/
i
1
2
3
1
2
3
ц
ц
ц
На чертежах приняты следующие обозначения: 1 - ротор гироскопа (сферический полый или сплошной ротор, выполненный в виде симметричного гироскопа Эйлера), 2 - блок источников электрического питания; 3 - блок начальной выставки гироскопа; 4 - блок возбуждения и управления его поступательными колебаниями; 5 - блок обработки информации, 6 - корпус прибора, связанный с корпусом подвижного объекта (ПО); 7 - контрастный рисунок верхней полусферы, отличающийся от остальной поверхности отражательной способностью; 8 - контрастный рисунок нижней полусферы ротора 1; 9-9 - силовые поддерживающие ротор 1 электроды вдоль оси Оξ; 10-10, 11-11 - силовые поддерживающие ротор 1 пары электродов вдоль осей Оη и Оξ соответственно; 12а-12а, 12-12, 13а-13а, 13-13, 14-14, 14а-14а - измерительные пары сегментных электродов перемещений ротора вдоль осей Оξ, Оη, Оζ, соответственно (по всем трем осям ПО пары измерительных сегментных электродов выполнены так, что каждый из них расположен по бокам от силовых электродов); 15-15, 16-16, 17-17 - фотоэлектрические датчики съема угловой информации вокруг осей ξ, η, ζ, соответственно; 18-18, 19-19 - пары статорных обмоток электродвигателя для разгона ротора гироскопа вокруг оси его собственного вращения Oz; 20, 21, 22 - функциональные электрические схемы для раскачки ротора 1 вдоль осей Оξ, Oζ, Oη, в исходном состоянии, т.е. при ψ=θ=γ-0, (Oξ=Ох, Оη=Оy, Oζ=Oz), для создания и измерения колебаний. Измерения производятся вдоль осей ou, i=1, 2, 3. Тогда имеются приращения Δu, Δu, Δu вдоль трех осей; 23 - электронная схема с АЦП предварительной обработки сигналов с фотоэлектрических датчиков углов 15, 16, 17; 24 - электронная схема с контроллером для определения оценок углов ψ, θ, γ; 25 - электронная схема со вторым АЦП для предварительной обработки сигналов с датчиков радиальных колебаний ротора 1, входящих в состав датчиков 9-11; 26 - второй контроллер для определения оценки угла азимута и выдачи потребителям оценок полной информации об угловой ориентации ПО ψ, θ, γ; Н - кинетический момент, Oξηζ - инерциально невращающаяся система координат; Oxyz - система координат, жестко связанная с ротором 1 гироскопа; Оuuu - система координат, связанная с корпусом ПО, О - центр подвеса ротора гироскопа 7, совпадающий с его центром масс. Oξηζ - система координат, моделируемая осью кинетического момента Н и плоскостью колебаний ротора; ψ, θ, γ - углы азимута, тангажа, вращения (крена) ПО, Rэ - эталонный резистор для съема информации, L - индуктивность для обеспечения электрического резонанса в измерительной цепочке, R - эквивалентное активное сопротивление элементов измерительной цепочки, включая зазоры, каждая из пар измерительных электродов, расположенных по бокам от силовых электродов, соединены в шесть измерительных цепочек, состоящих из единого для всех цепочек высокочастотного источника напряжения питания и индивидуальных двух входящих в пару сегментных измерительных электродов, индуктивности и эталонного резистора для съема информации о радиальном перемещении ротора гироскопа.
-9
-10
Очень важно, что внутренняя полость в вакуумплотном корпусе 6 гироскопа имеет давление 10-10 мм рт.ст.
Моменты инерции в гироскопе Эйлера 2 подчиняются соотношениям:
ξ
η
ζ
I=I=A, I=C, C>A,
ξ
η
ζ
где I, I, I - осевые моменты инерции вокруг осей Oξ, Oη, Оζ, в исходном состоянии совпадающие с осями системы координат oxyz.
/
Прибор сложный, и кроме указанных на фиг. 1-5 связей имеют место и другие, не указанные на фигурах, но обеспечивающие его функционирование. На фиг. 1-5 указаны стрелками основные связи блоков, реальных связей между блоками 1-5, 20-26 гораздо больше. Например, источники питания 2 соединены со всеми элементами прибора 1-5, 20-26, а также в гироскопе от элементов 9 до 19. При этом назначение связей элементов типа с 6 по 19; описаны в статье (Журавлев В.Ф. Бесплатформенная инерциальная навигационная система маятникового типа (БИНС МТ) // Изв-РАН. МТТ., 2014, №1, с. 6-17.), патенте (Пат. №155046, МПК G01C 19/24, Трехкомпонентный измеритель угловой скорости на основе сферического гироскопа с электростатическим подвесом / Журавлев В.Ф., Плотников П.К., Кузнецов А.О.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО СГТУ им. Гагарина Ю.А. Заявл. 04.06.2015; опубл. 20.09.2015 г.), в книгах (Горенштейн И.А., Шульман И.А. Инерциальные навигационные системы. М.: Машиностроение, 1970. 232 с.; Лукьянов Д.П., Распопов В.Я., Филатов В.Я. Прикладная теория гироскопов. Учебник. - г. СПб, «ЦНИИ» Электроприбор», 2015 г. - 316 с.).
/
/
/
/
/
/
/
/
/
/
/
/
2
1
2
3
Одногироскопный измеритель трех углов поворотов подвижного объекта на электростатическом подвесе имеет связи и особенности элементов. Он содержит сферический ротор 1, выполненный из материала с высокой электропроводностью и заключенный в вакуумную концентрическую сферическую камеру, на внутренней поверхности которой выполнены три пары силовых поддерживающих электродов 9-9, 10-10, 11-11, также выполненных из материала с высокой электропроводностью, электроизолированных от внутренней поверхности камеры, такое же количество по тем же осям расположенных электроизолированных измерительных электродов 12а-12а, 12-12, 13а-13а, 13-13, 14-14, 14а-14а съема информации о радиальных перемещениях ротора, выполненных из того же материала, что и силовые электроды, двухфазный асинхронный двигатель привода ротора с двумя обмотками и фазосдвигающим конденсатором, обмотки двух датчиков моментов, оси моментов которых перпендикулярны оси собственного вращения гироскопа, две пары фотоэлектрических датчиков углов для съема информации о двух углах подвижного объекта с помощью специальных рисунков на поверхности ротора, электронная схема обработки информации об угловом положении ротора с блоком начальной выставки, блок источников электрического питания 2, блок вакуумирования. Что касается новых блоков 20-22, то связи в них требуют пояснения. Блоки 20 и 21 предназначены для создания поступательных стабильных по частоте и амплитуде колебаний центра масс ротора 1 вдоль осей Oξ, Oη, т.е. плоских колебаний. Для их реализации к поддерживающим электродам 10-10, 11-11 подведено высокочастотное напряжение, например, в диапазоне 8-10 МГц от СВЧ - генератора. Оно обеспечивает в зарезонансной области частот электрической цепи работу указанных электродов аналогично механическим пружинам вдоль осей Oξ и Oη. От генератора напряжения в диапазоне частот 250-1000 Гц к этим же электродам подводится высоковольтное напряжение такое, при настройке на которое обеспечивается резонанс механических колебаний ротора на электростатическом подвесе. Вдоль оси Oζ (блок 22) колебаний нет, силовые электроды 10-10 предназначены для удержания ротора в состоянии левитации. По оси Оu при θ, γ, не равных 0, колебания имеют место. Усилители 27, 28, 29 являются масштабирующими и предназначены для ввода в блок 25, содержащий АЦП, аналоговой информации. Выходом этого блока является цифровая информация об оценках перемещений ротора 7 Δu, Δu, Δu.
/
γ
θ
γ
θ
i
1
2
3
Выходы фотоэлектрических датчиков 15-17 соединены со входами блока 23, где сигналы с помощью АЦП подлежат оцифровке, и соединены с контроллером 24, в котором углы должны преобразовываться в оценки фазочувствительно продетектированных углов θ, γ в направляющие косинусы, т.е. в элементы преобразующей матрицы АА. В нем же подлежат преобразованию Δu (Δu, Δu, Δu) i=1, 2, 3 и элементы матрицы АА в оценку угла азимута ψ.
Рассмотрим работу прибора.
После установки прибора на трехкомпонентном поворотном стенде (ТПС), до его включения, платформу устанавливают, например, по осям местной географической системы координат, или по осям глобальной географической системы координат. Во втором варианте после этого включают электрическое питание ТПС, и ось Оζ предполагаемого направления кинетического момента Н устанавливается по оси Мира, ось Оξ в плоскости гринвичского меридиана, а ось Оη образует с осями Оζ и Оξ правую ортогональную систему координат. Платформе придают вращение, равное угловой скорости вращения Земли обратного знака. В этом случае корпус 6 в мировом пространстве вокруг оси Оζ не вращается. Вокруг двух других осей также не вращается. От блока начальной выставки 3 устанавливают ротор гироскопа по осям выбранной системы координат. Запускают ротор гироскопа от бегущего электромагнитного поля от обмоток 18, 19 до набора номинальной угловой скорости Ω и кинетического момента Н. После этого на электроды подключают высоковольтное низкочастотное напряжение также частоты Ω от блока 4 возбуждения и управления синхронными поступательными колебаниями ротора вдоль одной из экваториальных и вдоль полярной осей внутренней поверхности камеры. Колебания ротора 7 устанавливают на уровне амплитуд 2,5-5 мкм, что в несколько раз (в 5-10) меньше величины зазора между корпусом 6 и ротором 7. После этого низкочастотное питание отключают, и ротор продолжает долгое время колебаться в высоковакуумной среде. Плоскость колебаний компланарна оси кинетического момента Н, один компонент колебаний перпендикулярен вектору Н. Поэтому плоскость ротора и меридиональная плоскость колебаний образуют невращающийся в инерциальном пространстве трехгранник. Следовательно, обеспечивается возможность измерения трех углов поворотов ПО в инерциальном пространстве (Журавлев В.Ф. Бесплатформенная инерциальная навигационная система маятникового типа (БИНС МТ) // Изв-РАН. МТТ., 2014, №1, с. 6-17).
/
Полагая способ и устройства измерения углов θ, γ известными через посредство датчиков углов 15-17 и рисунков 8 на сфере ротора 7, а алгоритм пересчета сигналов датчиков 15, 16, 17 в оценки углов θ, γ известными (С.М. Дюгуров, Б.Е. Ландау "Об измерительном трехграннике бескарданного электростатического гироскопа". Гироскопия и навигация, №1, 1999), выведем алгоритмы определения оценки угла азимута ψ, что является новым - стр. 9.
Дифференциальные уравнения смещений и колебаний центра масс ротора после отключения от силовых электродов низкочастотного напряжения имеют вид (предполагается, что приняты меры обеспечения линейности характеристик подвеса, например, по [1]):
''
ξ
mξ+Cξ=mW
''
η
mη+Cη=mW
''
ζ
mζ+Cζ=mW
ξ
η
ζ
2
где W, W, W - ускорения точки Oo ПО. Разделив коэффициенты жесткости электростатического подвеса С на массу ротора m и обозначив квадрат частоты собственных колебаний ротора Ω=C/m, получают:
''
2
ζ
ξ+Ωξ=W
''
2
η
η
n+Ω=W
''
2
ζ
ζ+Ωζ=W
Решения ищут в виде:
m
m
η
m
ξ=ξ+Δξ, n=η+Δ, ζ=ζ
m
m
m
где ξ, η, ζ - медленноменяющиеся составляющие решения; Δξ, Δη - быстрые, колебательные составляющие решения.
Для начальных условий:
0
0
0
t=0, Δξ(0)=Δξ, Δη(0)=Δη, Δζ(0)=Δζ,
0
0
0
Δξ'(0)=Δξ', Δη'(0)=Δη', Δζ'(0)=Δζ'
Δζ(0)=Δζ(0)=0
Имеем
0
0
Δξ=ΔξcosΩt+(Δξ'sinΩt)/Ω
0
0
Δη=ΔηcosΩt+(Δη'sinΩt)/Ω
0
0
При Δξ'=Δη'=0, что должно быть технически реализовано в 26, имеем
0
Δξ=ΔξcosΩt
0
Δη=ΔηcosΩt
Δζ=0
Плоскость колебаний стабилизирована в ИСК.
При наличии поворотов ПО на углы θ, γ имеем преобразование координат:
1
2
3
T
γ
0
T
[u,u,u]=AA[x,y,z]
Для колебаний имеем соотношения;
где
1
2
3
/
Колебания Δu, Δu, Δu измеряют датчиками перемещений 12…14а соответственно. После процедуры фазочувствительного детектирования сигналов об измеренных углах получаем:
На основе фиг. 3 получаем следующую формулу:
Задача определения трех углов поворотов ПО решена в заявке с помощью одного гироскопа на электростатическом подвесе, что является новым.
Источники информации
1. Журавлев В.Ф. Бесплатформенная инерциальная навигационная система маятникового типа (БИНС МТ) // Изв-РАН. МТТ., 2014, №1, с. 6-17.
2. Горенштейн И.А., Шульман И.А. Инерциальные навигационные системы. М.: Машиностроение, 1970. 232 с.
3. Пат. №155046. Российская Федерация. МГЖ G01С 19/24. Трехкомпонентный измеритель угловой скорости на основе сферического гироскопа с электростатическим подвесом / Журавлев В.Ф., Плотников П.К., Кузнецов А.О.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО СГТУ им. Гагарина Ю.А. Заявл. 04.06.2015; опубл. 20.09.2015 г.
4. Лукьянов Д.П., Распопов В.Я., Филатов В.Я. Прикладная теория гироскопов. Учебник. - г. СПб, «ЦНИИ» Электроприбор», 2015 г. - 316 с.
5. С.М. Дюгуров, Б.Е. Ландау "Об измерительном трехграннике бескарданного электростатического гироскопа". Гироскопия и навигация, №1, 1999.