RU2065134C1 - Способ определения положения вектора кинетического момента неконтактного гироскопа - Google Patents

Способ определения положения вектора кинетического момента неконтактного гироскопа Download PDF

Info

Publication number
RU2065134C1
RU2065134C1 RU93057539A RU93057539A RU2065134C1 RU 2065134 C1 RU2065134 C1 RU 2065134C1 RU 93057539 A RU93057539 A RU 93057539A RU 93057539 A RU93057539 A RU 93057539A RU 2065134 C1 RU2065134 C1 RU 2065134C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
signals
vector
rotor
kinetic moment
gyroscope
Prior art date
Application number
RU93057539A
Other languages
English (en)
Other versions
RU93057539A (ru
Inventor
Евгений Алексеевич Артюхов
Original Assignee
Евгений Алексеевич Артюхов
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Евгений Алексеевич Артюхов filed Critical Евгений Алексеевич Артюхов
Priority to RU93057539A priority Critical patent/RU2065134C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2065134C1 publication Critical patent/RU2065134C1/ru
Publication of RU93057539A publication Critical patent/RU93057539A/ru

Links

Images

Landscapes

  • Gyroscopes (AREA)

Abstract

Использование: в области точного приборостроения, в неконтактных (электростатических, магнитных) гироскопах в составе систем ориентации и навигации движущихся объектов. Сущность изобретения: в способе определения направляющих косинусов вектора кинетического момента гироскопа, основанном на использовании сигналов биения динамически несбалансированного сферического ротора относительно поддерживающих элементов по трем взаимно ортогональным осям подвеса, вводят относительные фазовые сдвиги на угол π/2 между первым и вторым сигналами, между вторым и третьим сигналами и между третьим и первым сигналами, затем перемножают сдвинутые по фазе сигналы: первый со вторым, второй с третьим, третий с первым, и по постоянным составляющим этих произведений судят о направляющих косинусах вектора кинематического момента. 1 п. ф. 3 ил.

Description

Изобретение относится к области точного приборостроения и может быть использовано в неконтатных (например, электростатических или магнитных) гироскопах при использовании их в системах ориентации и навигации движущихся объектов.
Известны неконтактные гироскопы электростатические, магнитные в которых сферический ротор удерживается силами управляемого электрического или магнитного поля в центре камеры с силовыми элементами: электродами, электромагнитами.
При этом существующие способы определения углового положения оси вращения ротора (вектора кинетического момента) основаны либо на измерении фазовых соотношений (интервалов времени) переменных составляющих сигналов с последующей обработкой полученных данных по сложному алгоритму в ЦВМ, либо на перемножении сигналов биения ротора (с использованием, например, аналоговых умножителей). Способ [1] принятый за прототип, основан на синхронном детектировании трех сигналов биения несбалансированного ротора (по трем взаимно ортогональным осям полвеса) с последующими операциями умножения полученных компонент (с использованием шести умножителей) и вычитания результатов умножения (с применением трех вычитающих устройств). При этом особую сложность представляет получение опорных напряжений, изменяющихся с частотой вращения ротора и сдвинутых по фазе на угол π/2 для осуществления синхронного детектирования. Эти опорные напряжения получают от генератора, частота (фаза) которого управляется сложной схемой в контуре обратной связи по выходным компонентам синхронных детекторов (фиг.7 и 10 в описании патента [1]).
Таким образом, недостатком способа-прототипа является большое количество операций для получения направляющих косинусов вектора кинетического момента, приводящее к значительной сложности при реализации соответствующей электрической схемы.
Целью настоящего изобретения является упрощение способа получения направляющих косинусов вектора кинетического момента ротора неконтактного гироскопа.
Для достижения этой цели предлагается ввести относительные фазовые сдвиги между тремя сигналами биения динамически несбалансированного ротора (по трем взаимно ортогональным осям подвеса) следующим образом: на угол π/2 между первым и вторым сигналами, на угол π/2 между вторым и третьим, и на угол π/2 между третьим и первым, затем перемножить полученные относительно сдвинутые по фазе сигналы следующим образом: первый со вторым, второй с третьим, третий с первым, и по постоянным составляющим этих произведений судить о значениях направляющих косинусов вектора кинетического момента.
На фиг. 1 чертежа представлена блок-схема обработки сигналов биения сферического ротора в силовом поле поддерживающих элементов подвеса для получения направляющих косинусов вектора кинетического момента.
На фиг. 2 изображен сферический ротор в системе координат X2Y2Z2 (с центром O2), геометрический центр Oр ротора смещен на величину d, обусловленную радиальным дисбалансом.
На фиг.3 показано положение вектора кинетического момента
Figure 00000002
ротора (его оси вращения), заданное углами α и b.
Для пояснения сущности предлагаемого способа рассмотрим блок-схему на фиг.1. Сферический ротор 1 окружен поддерживающими элементами 2 7 (электродами, электромагнитами), укрепленными на камере гироскопа (на чертеже не показана) и расположенными по трем осям X1Y1Z1 декартовой системы координат (с центром O1). Элементы 2 7 подключены через соответствующие датчики тока 8 13 к блоку 14 управления неконтактным подвесом ротора в электрическом или магнитном поле. Сигналы U1, U2, U3 биения ротора по осям Z1, X1 и Y1 получаются (как в прототипе) вычитанием и детектированием выходных напряжений датчиков тока соответственно в устройствах 15 17. Эти сигналы (с частотой несущей, равной частоте вращения ротора, изменяющиеся по амплитуде в зависимости от относительного положения камеры и оси вращения ротора) поступают через фазосдвигающие устройства 18 23 на устройства умножения 24 - 26. Постоянные составляющие выходных сигналов умножителей выделяются с помощью фильтров 27 29 и представляют собой проекции единичного вектора кинетического момента ротора на оси Z1, X1 и Y1, т.е. являются направляющими косинусами этого вектора. Между выходными сигналами фазосдвигающих устройство 18 23 соблюдаются следующие фазовые соотношения:
Figure 00000003
(1),
т.е. относительные фазовые сдвиги между сигналами, поступающими на входы каждого из умножителей 24 26 равны π/2.
Рассмотрим математическое обоснование предлагаемого способа. Представим (фиг.2) сферический ротор 1 гироскопа с геометрическим центром Oр, смещенным в координатах O2X2Y2Z2 по оси Z2 на величину d, определяемую его центром масс из-за дисбаланса, создаваемого, например, благодаря пленке 30 из более плотного материала, нанесенной на одну сторону ротора. Максимальный момент инерции Imax, определяющий ось вращения ротора и направление вектора кинетического момента
Figure 00000004
, создается, например, как показано на фиг.2, утолщением стенок полого ротора в области экватора.
Свяжем с декартовой системой координат O2X2Y2Z2 сферическую систему координат θ2 (широта, отсчитываемая от оси Z2), Φ2 (долгота, отсчитываемая от оси X2). Тогда уравнение поверхности ротора 1 на фиг.2 можно представить в виде:
r(θ2) = R+dcosθ2 (2),
где R радиус ротора.
Теперь найдем уравнение поверхности ротора в сферических координатах θ3, Φ3 полярная ось которых совпадает с осью Z3 системы координат O1X3Y3X3, образованной поворотом системы X2Y2Z2 на угол π/2 относительно оси X2 в соответствии с матричным уравнением:
Figure 00000005
(3)
Из выражения (2) и уравнения (3) следует:
r(θ33) = R+d•sinθ3sinΦ3 (4)
Зададим вращение ротора с угловой скоростью ω в новой сферической системе координат q4, Φ4 полярная ось которой совпадает с осью вращения ротора Z4 декартовой системы координат X4Y4Z4. Пользуясь в этом случае уравнением:
Figure 00000006
(5)
где t время, получим следующее выражение для поверхности ротора:
Figure 00000007
(6)
Зададим положение вектора
Figure 00000008
кинетического момента ротора относительно неподвижных декартовой X1Y1Z1 и связанной с ней сферической θ11 систем координат в соответствии с фиг.3 углами α и b. Связь между системами координат q4, Φ4 и θ1, Φ1 выражается уравнением:
Figure 00000009
(7)
На основании (7) выражение (6) преобразуется к виду:
r(θ11) = R+d(α,β) (8)
где
Figure 00000010

Изменение токов в датчиках 8-13, обусловленное биением ротора при его вращении, пропорционально изменению поверхности, описываемой выражением (8). Например, если поддерживающие элементы электроды электростатического гироскопа, то емкость "электрод ротор" в вакуумированной камере определяется вычислением выражения:
Figure 00000011
(9)
где εo диэлектрическая проницаемость вакуума,
δo номинальный зазор между ротором и поддерживающим элементом (электродом),
Figure 00000012

Figure 00000013
относительное изменение зазора,
θ12, θ11, Φ12, Φ11 координаты электрода.
В первом приближении из выражения (9) получим:
Figure 00000014
(10)
где переменная составляющая изменения емкости "ротор-электрод", обусловленная биением несбалансированного ротора, будет равна:
ΔC = Co•A (11)
где
Figure 00000015
;
Figure 00000016

Аналогично получается выражение для переменной составляющей индуктивности поддерживающего электромагнита в случае подвеса ферромагнитного ротора:
Δd = do•A (12)
где
Figure 00000017

μo магнитная проницаемость вакуума,
W число витков катушки электромагнита.
Таким образом, сигнал биения ротора, снимаемый, например, с устройства 15 (полярные поддерживающие элементы по оси Z1) для круглого полусферического электрода или электромагнита может быть представлен в виде:
Figure 00000018
(13)
где
Figure 00000019

K1 коэффициент, зависящий от R, d, δo и опорного напряжения (тока) питания подвеса ротора.
Интегpиpование выpажения (13) дает:
u1= K2sinα•sinωt (14)
где K2= π•K1
С устройства 16 (экваториальные поддерживающие электроды по оси X1, θ12= π,, θ11= 0,
Figure 00000020
,
Figure 00000021
) получим сигнал:
u2= K2(cosα•cosβ•sinωt+sinβcosωt) (15)
С устройства 17 (экваториальные электроды по оси Y1, θ12= π, θ11= 0, Φ12= π, Φ11= 0 сигнал будет равен:
u3= K2(-cosαsinβsinωt+cosβcosωt) (16)
Если вместо полусферических используются круглые поддерживающие элементы, размер которых определяется широтным углом θp (показан на фиг.1), то сигналы (14), (15) и (16) будут соответствовать выражениям:
Figure 00000022
(17)
С выхода фазосдвигающих устройств 18-23 (в соответствии с фазовыми сдвигами, указанными на фиг.1) получаются следующие
значения сигналов:
Figure 00000023
(18)
После перемножения сигналов U4 и U7 с выхода умножителя 24 будет:
Figure 00000024
(19)
С учетом соотношений (1) и подавления (с помощью фильтра 27) составляющих, изменяющихся с двойной частотой вращения ротора, окончательно получится сигнал в виде постоянного напряжения:
Figure 00000025
(20)
Аналогично определяются сигналы на выходах умножителей 25 и 26:
U11 U5•U8;
U12 U6•U9 (21)
Принимая во внимание соотношение (1) между фазовыми сдвигами, на выходах фильтров 28 и 29 (без составляющих, изменяющихся с двойной частотой вращения ротора) будут напряжения:
Figure 00000026
(22)
Figure 00000027
(23)
Таким образом, полученные значения a,b и c выходных напряжений фильтров 27-29 при масштабировании значения K 2 2 /2 = 1B для U13 и U15, K 2 2 /2 = -1B для U14, представляют собой проекции единичного вектора кинетического момента на оси Y1, X1 и Z1, т. е. являются направляющими косинусами вектора кинетического момента, однозначно определяющими его положение относительно камеры гироскопа.
При реализации предложенного способа в качестве фазосдвигающих устройств 18-23 могут быть использованы простейшие RC-цепочки, например, для получения упреждающих фазовых сдвигов
Figure 00000028
дифференцирующие RC-цепи, а для получения запаздывающих фазовых сдвигов интегрирующие CR-цепи. Возможны другие варианты получения фазовых сдвигов, например, при использовании только трех фазосдвигающих устройств 18, 20, 22, когда
Figure 00000029

Φ12= Φ22= Φ32= 0.
В качестве умножителей 24-26, например, могут быть использованы стандартные аналоговые микросхемы.
По сравнению с прототипом предлагаемый способ определения положения вектора кинетического момента бесконтактного гироскопа отличается простотой, что обусловливает реализацию надежных малогабаритных бескардановых систем ориентации с использованием высокоточных неконтактных гироскопов.

Claims (1)

  1. Способ определения положения вектора кинетического момента неконтактного гироскопа, включающий измерение сигналов биения динамически несбалансированного ротора относительно поддерживающих элементов по трем взаимно ортогональным осям подвеса и перемножение этих сигналов, отличающийся тем, что перед перемножением вводят относительные фазовые сдвиги на угол π/2 между первым и вторым сигналами, между вторым и третьим сигналами и между третьим и первым сигналами, перемножают сдвинутые по фазе сигналы первый с вторым, второй с третьим, третий с первым и по постоянным составляющим этих произведений судят о направляющих косинусах вектора кинетического момента.
RU93057539A 1993-12-21 1993-12-21 Способ определения положения вектора кинетического момента неконтактного гироскопа RU2065134C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU93057539A RU2065134C1 (ru) 1993-12-21 1993-12-21 Способ определения положения вектора кинетического момента неконтактного гироскопа

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU93057539A RU2065134C1 (ru) 1993-12-21 1993-12-21 Способ определения положения вектора кинетического момента неконтактного гироскопа

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2065134C1 true RU2065134C1 (ru) 1996-08-10
RU93057539A RU93057539A (ru) 1996-10-20

Family

ID=20150825

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU93057539A RU2065134C1 (ru) 1993-12-21 1993-12-21 Способ определения положения вектора кинетического момента неконтактного гироскопа

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2065134C1 (ru)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2521765C1 (ru) * 2013-03-15 2014-07-10 Евгений Алексеевич Артюхов Универсальный неконтактный гироскоп
RU2629691C1 (ru) * 2016-03-17 2017-08-31 Виктор Андреевич Павлов Способ автономного определения угловых положений объекта с шестью степенями свободы пространственного движения

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Заявка Великобритании N 1314304, кл. G 01C 19/28, 1971. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2521765C1 (ru) * 2013-03-15 2014-07-10 Евгений Алексеевич Артюхов Универсальный неконтактный гироскоп
RU2629691C1 (ru) * 2016-03-17 2017-08-31 Виктор Андреевич Павлов Способ автономного определения угловых положений объекта с шестью степенями свободы пространственного движения

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP3816674B2 (ja) 慣性センサ用の信号処理システム
EP0243468B1 (en) Signal processor for inertial measurement using coriolis force sensing accelerometer arrangements
Merhav A nongyroscopic inertial measurement unit
US7971483B2 (en) Systems and methods for acceleration and rotational determination from an out-of-plane MEMS device
CA1092393A (en) Sonic gyro
CA1245288A (en) Differential capacitance detector
US5379223A (en) Inertial measurement and navigation system using digital signal processing techniques
US20060096376A1 (en) Method for implementing a resonator under electrostatic forces
EP1275934B1 (en) Acceleration detection type gyro device
JPH08512125A (ja) 妨害金属がある場所で物体の位置と向きを測定する方法および装置
US5079500A (en) Potentiometric circuit arrangement
Casinovi et al. Electrostatic self-calibration of vibratory gyroscopes
RU2065134C1 (ru) Способ определения положения вектора кинетического момента неконтактного гироскопа
US3295379A (en) Spherically symmetric gyro
US3955426A (en) Mass unbalance modulation pickoff attenuation and speed control in electrostatic gyroscope system
JPH033190B2 (ru)
US4074580A (en) Electrostatic pickoff system for ball gyros of the electrostatic levitation type
Doty Advanced spinning-vehicle navigation-A new technique in navigation of munitions
EP0241913A2 (en) Method and circuitry for detecting signals of capacitance type transducers for measuring positions
US4167120A (en) Surface acoustic wave bridge for rotation measurement
RU175218U1 (ru) Трехкомпонентный измеритель угловой скорости на основе гироскопа Ковалевской с пружинным подвесом
US4567486A (en) Phase difference measurement technique for VOR
JPS6044606B2 (ja) 方角表示装置
Bogolyubov et al. Compensation gyrocompass based on MEMS
DIESEL A new approach to gravitational gradient determination of the vertical