Трикомпонентний вимірювач кутової швидкості

Трикомпонентний вимірювач кутової швидко Винахід відноситься до вимірювальної техніки, зокрема, до вимірювачів кутових швидкостей об'єктів, що рухаються Відомий блок датчиків кутових швидкостей(ДКШ), який складається з трьох незалежних датчиків кутових швидкостей, що використовують гіроскопи з двома ступенями свободи Вимірювальна вісь кожного датчика паралельна ВІДПОВІДНІЙ координатній ВІСІ об'єкта, а ВИХІДНІ ОСІ усіх датчиків розташовані в одній площині [1] Недоліком даного блока є наявність похибок із-за впливу перехресних кутових швидкостей, обумовлених розташуванням вихідних осей в одній площині Покажемо це на прикладі одного з каналів, наприклад, каналу вимірювання за допомогою датчика кутової швидкості курсу Для даного каналу рівняння, що описує положення чутливого елемента(ЧЕ) в стислому режимі, має вигляд K n p = Hco y1 cosp-Hco z1 sinp (1) де Кп - коефіцієнт пружності, р - кут повороту чутливого елемента, Н - кінетичний момент, ш у і, cuzi - складові кутові швидкості по курсу і тангажу, ВІДПОВІДНО Для реально використовуваних ДКШ кут повороту ЧЕ не перевищує 2,5 - 5град Отже, з високим ступенем точності можна прийняти cosp = 1, sinp= р Тоді рівняння (1) може бути записано у вигляді НЮу1-НЮ21р (2) сті, що містить обчислювач та три однокомпонентні гіроскопічні датчики, який відрізняється тим, що виходи трьох датчиків з'єднані з обчислювачем, а осі чутливості, осі кінетичного моменту та ВИХІДНІ осі цих датчиків зорієнтовані на рухомому об'єкті так, щоб у вказаній ПОСЛІДОВНОСТІ вище перелічені осі співпадали послідовно з ВІДПОВІДНИМИ осями зв'язаної з об'єктом ортогональної системи координат при їх обході в напрямку проти годинникової стрілки ЗВІДКИ р= hcoу1 1 + hcoz-| = h соу1 Н де h = — - чутливість ДКШ без впливу переК п хресної кутової швидкості cuzi h - чутливість ДКШ з урахуванням h = 1 + hcoz1 впливу перехресної кутової швидкості cuzi Аналогічно вплив перехресних кутових швидкостей на величину чутливості ДКШ виявляється по інших каналах Відомий трьохкомпонентний вимірювач кутової швидкості, що містить три однокомпонентних гіроскопічних датчики кутової швидкості та обчислювач, що виробляє коректуючі сигнали та обчислює величину кожної складової вектора кутової швидкості [2] Описаний в [2] вимірювач передбачає наявність платформи, що підтримує в визначеному положенні в шерціальному просторі, на якій встановлюється необхідний набір вимірювачів параметрів руху Недоліками такого вимірювача є великі масогабаритні показники та енергоспоживання Відомий найбільш близький(з досягаемою точністю) та вибраний в якості прототипу трьохкомпонентний вимірювач кутової швидкості, що використовує обчислювач та однокомпонентні датчики О о со Ю ю 55300 кутової швидкості, який для компенсації впливу на вихідний сигнал кутового прискорення або перехресної кутової швидкості по кожному каналу містить додаткові однокомпонентні датчики кутових швидкостей [3] Недоліками цього вимірювача є підвищені масо-габаритні характеристики та знижена надійність із-за наявності великої КІЛЬКОСТІ додаткових елементів В основу винаходу поставлено вирішення задачі визначення трьохкомпонентним вимірювачем з високою точністю кутової швидкості по будьякому з каналів шляхом вилучення впливу перехресних кутових швидкостей без використовування додаткових датчиків кутових швидкостей, що забезпечує зменшення масо-габаритних характеристикта підвищення надійності вимірювача Поставлена задача вирішується тим, що в трьохкомпонентному вимірювачі кутової швидкості, що містить обчислювач та три однокомпонентних гіроскопічних датчика в ВІДПОВІДНОСТІ З винаходом вісь чутливості, вісь кінетичного моменту Н та вихідна ВІСЬ(ВІСЬ повороту рухомого вузла) кожного з трьох одноосьових датчиків кутової швидкості орієнтовані на рухомому об'єкті так, щоб в зазначеній ПОСЛІДОВНОСТІ перелічені вище осі співпадали послідовно з ВІДПОВІДНИМИ ОСЯМИ зв'я заної з об'єктом ортогональної системи координат OX-IY-IZI при їх обході в напрямку проти годинникової стрілки Схема розміщення приладових осей кожного з датчиків OX'i|Y{|Z!|| (і = 1, 2, 3) по відношенню до осей зв'язаної з об'єктом системи координат OX-IY-IZI наведена на кресленні Трьохкомпонентний вимірювач містить перший ДКШ 1, другий ДКШ 2, третій ДКШ 3, виходи яких з'єднані з обчислювачем 4 Технічний результат досягається за рахунок такого розміщення приладових осей датчиків по відношенню до осей зв'язаної з об'єктом системи координат, при якому вилучається вплив перехресних кутових швидкостей без використовування додаткових датчиків Так, наприклад, якщо необхідно виміряти складову кутової швидкості ш у і, то вісь чутливості датчика розташовується паралельно ВІСІ Y-I, ВІСЬ кінетичного моменту Н - паралельно ВІСІ Z-I, a вихідна вісь - паралельно ВІСІ Х І Аналогічно розташовуються осі датчиків для вимірювання складових кутових швидкостей шхі та При такому розташуванні датчиків кутових швидкостей система рівнянь, що описує їх динаміку, може бути записана у вигляді І 2 р + К а 2 р + К П 2 р = Н 2 со у1 cos р - H 2 co z1 sin p (3) ІзУ + к езУ + к п з У = н з ю г і c o s У - н з ю х і s i n У де І, - моменти інерції гіроскопів, Ф, р, у - кути повороту ЧЕ першого, другого, третього ДКШ ВІДПОВІДНО, К а - коефіцієнти демпфірування, Km - коефіцієнти пружності, И, - кінетичні моменти, ш х і, ш у і , OJZI - проекції кутової швидкості на осі 4 ОХ-і, OY-i, OZi ВІДПОВІДНО Якщо величина частоти власних коливань рухомих вузлів гіроскопів шо рівна 8 - 10 величинам частот вимушених коливань об'єкта ш, а ступінь згасання % = 0,707, то коефіцієнт динамічної сприятливості 1 1і амплітуда відхилення рухомого вузла датчика кутової швидкості в динамічному режимі з високим ступенем точності співпадає з амплітудою в статичному режимі А 5 = А С т ^ = Аст Таким чином, динамічними похибками можна знехтувати і в подальшому систему рівнянь (3) можна розглядати для статичного режиму К п 1 ф = Н1сок1 coscp-H-iCOyi sin ф К П 2 Р= H 2 co y1 cosp-H 2 a) z1 sin p (4) к п з ї = Чзс^гі cosy- Н3сок1 siny Оскільки кути поворотів ер, р, у не перевищують 2,5 - 5град, можна покласти соєф = cosp = COS у = 1, БІПф = ф, Sin(3 = (3, Sin у = у Оберемо три ідентичні прилади та введемо позначення Km = Кп2 - Кпз - Кп - коефіцієнт пружності, Ні = Н 2 = Нз = Н - кінетичний момент, и - чутливість рухомого вузла(проскопа h1 = к п як чутливого елемента, що реагує на кутову швидкість), п 9 = —^- - чутливість вихідного 2р перетворюва ча потенціометричного типу, І І Ж - напруга джерела живлення, 2ро - розмах потенціометра, U x , Uy, U z - ВИХІДНІ сигнали датчиків, що знімаються з ВІДПОВІДНИХ перетворювачів Після вирішення системи рівнянь (4) відносно невідомих ш х і , ш у і,та w z i через ВИХІДНІ сигнали датчиків отримаємо сох1 = x + h2UxUy + UxUyU; h^i-u'uyUJ y + h2UyUz + UxUyUz (5) UxUyUz Таким чином, проекції кутової швидкості на кожну вісь визначаються за вихідними сигналами усіх датчиків, що виключає вплив перехресних кутових швидкостей Обчислення значень ш х і, ш у і та w z i ВІДПОВІДНО виразам (5) виконується за допомогою бортового обчислювача Джерела інформації 1 Автопілот АП-28 Техническое описание Москва Машиностроение, 1973, С 46, рис 67 2 Геренштейн И А , Шульман И А Инерци 55300 альные навигационные системы. - Москва: Машиностроение, 1970, С. 72 - 81. 3. А. С. СРСР №6342/2, М.кп . G01P9/02, 1978.