RU225965U1 - Gyroinertial block - Google Patents

Gyroinertial block Download PDF

Info

Publication number
RU225965U1
RU225965U1 RU2024103585U RU2024103585U RU225965U1 RU 225965 U1 RU225965 U1 RU 225965U1 RU 2024103585 U RU2024103585 U RU 2024103585U RU 2024103585 U RU2024103585 U RU 2024103585U RU 225965 U1 RU225965 U1 RU 225965U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
unit
channel
angular velocity
gyroinertial
measuring device
Prior art date
Application number
RU2024103585U
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Андрей Юрьевич Лобанов
Вячеслав Владимирович Галавкин
Виталий Борисович Арендарчук
Юрий Владимирович Попов
Владимир Эрикович Горюнов
Борис Николаевич Аносов
Андрей Викторович Орлов
Александр Павлович Черноверхский
Original Assignee
Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации
Filing date
Publication date
Application filed by Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации filed Critical Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации
Application granted granted Critical
Publication of RU225965U1 publication Critical patent/RU225965U1/en

Links

Abstract

Полезная модель относится к области измерительной техники, а именно к гироинерциальному блоку бесплатформенной инерциальной навигационной системы управления объектов. Гироинерциальный блок содержит корпус, в котором закреплены вторичный источник питания, устройство измерения линейного ускорения, устройство измерения угловой скорости, которые объединены в блок датчиков. Устройство измерения линейного ускорения состоит из трех маятниковых акселерометров компенсационного типа. Вторичный источник питания в целях минимизации устройства встроен в корпус гироинерциального блока датчиков. Устройство измерения угловой скорости состоит из двух динамически настраиваемых гироскопов с чувствительным элементом в виде маховика и узлом подвеса, выполненным для обеспечения монолитной заделки торсионов из одной заготовки электроэрозионным способом. Гироинерциальный блок дополнительно включает усилитель-дискриминатор, восьмиканальный преобразователь, блок разгона, нагрузочные резисторы и малогабаритные амортизаторы. Усилитель-дискриминатор выполнен в виде четырехканального усилителя, представляющего собой плату с дискретными элементами. Восьмиканальный преобразователь представляет собой плату с восьмью микросхемами каналов преобразования аналоговых сигналов от акселерометров и датчика температуры, датчиков угловой скорости и датчика температуры, микросхемой организации цифрового обмена, оптоэлектронным реле переключения масштабов каналов и проведения встроенного контроля, стабилизаторами напряжений питания аналоговых и цифровых микросхем. Блок разгона представляет собой плату со статическим преобразователем напряжения вторичного источника питания постоянного тока в переменное напряжение и контроллерами. The utility model relates to the field of measurement technology, namely to the gyroinertial unit of a strapdown inertial navigation system for object control. The gyroinertial unit contains a housing in which a secondary power source, a linear acceleration measuring device, and an angular velocity measuring device are fixed, which are combined into a sensor unit. The linear acceleration measuring device consists of three compensation-type pendulum accelerometers. In order to minimize the device, the secondary power source is built into the housing of the gyroinertial sensor unit. The angular velocity measuring device consists of two dynamically adjustable gyroscopes with a sensitive element in the form of a flywheel and a suspension unit designed to ensure monolithic embedding of torsion bars from a single workpiece using the electroerosive method. The gyro-inertial unit additionally includes a discriminator amplifier, an eight-channel converter, an acceleration unit, load resistors and small-sized shock absorbers. The discriminator amplifier is made in the form of a four-channel amplifier, which is a board with discrete elements. The eight-channel converter is a board with eight channel microcircuits for converting analog signals from accelerometers and a temperature sensor, angular velocity sensors and a temperature sensor, a microcircuit for organizing digital exchange, an optoelectronic relay for switching channel scales and carrying out built-in control, and supply voltage stabilizers for analog and digital microcircuits. The overclocking unit is a board with a static voltage converter from a secondary DC power supply to AC voltage and controllers.

Description

Полезная модель относится к области инерциальной навигации, а именно к гироинерциальному блоку бесплатформенных инерционных навигационных устройств автоматического управления движением объектов.The utility model relates to the field of inertial navigation, namely to the gyro-inertial unit of strapdown inertial navigation devices for automatic control of the movement of objects.

Уровень техники в данной области характеризуется следующей информацией.The prior art in this field is characterized by the following information.

Из патента на изобретение РФ №2117250 (дата приоритета 10.08.1998) известен способ измерения координат шлема оператора с инерциальной системой, содержащей гироинерциальный блок, состоящий из трех датчиков угловых скоростей и трех акселерометров.From the RF patent for invention No. 2117250 (priority date 08/10/1998) a method is known for measuring the coordinates of an operator’s helmet with an inertial system containing a gyroinertial unit consisting of three angular velocity sensors and three accelerometers.

Недостатком такого гироинерциального блока является то, что он не обеспечивает устойчивую работу при вибрации в условиях ускорения.The disadvantage of such a gyroinertial unit is that it does not provide stable operation during vibration under acceleration conditions.

Из патента на полезную модель РФ №134314 (дата приоритета 05.03.2013) известен гибридный гироскоп в составе бесплатформенной инерциальной навигационной системы, включающий блок чувствительных элементов на волоконно-оптическом контуре, акселерометр и микромеханический датчик угловой скорости.From the RF utility model patent No. 134314 (priority date 03/05/2013) a hybrid gyroscope is known as part of a strapdown inertial navigation system, which includes a block of sensitive elements on a fiber-optic circuit, an accelerometer and a micromechanical angular velocity sensor.

Полезная модель позволяет решить проблему устойчивости работы в условиях ударных механических нагрузок большой величины.The utility model allows us to solve the problem of stability of operation under conditions of large shock mechanical loads.

Недостатком этого технического решения является то, что оно не нацелено на обеспечение устойчивости работы при вибрации в условиях ускорения.The disadvantage of this technical solution is that it is not aimed at ensuring stability during vibration under acceleration conditions.

Из патента КНР CN №212903235 (приоритет от 04.06.2021) известен миниатюрный инерциальный измерительный блок для инерциальных измерительных систем, который содержит несущую раму с наружной стенкой, снабженной четырьмя выступами, последовательно соединенными с образованием тетраэдра, три волоконно-оптических гироскопа, два из которых установлены на внешней стенке несущей рамы, а еще один гироскоп закреплен на одном из выступов. На внутренней стороне несущей рамы имеются керамические прокладкине, на которых ортогонально друг другу в пространстве расположены три акселерометра.From the PRC patent CN No. 212903235 (priority dated 06/04/2021) a miniature inertial measurement unit for inertial measurement systems is known, which contains a supporting frame with an outer wall equipped with four protrusions connected in series to form a tetrahedron, three fiber-optic gyroscopes, two of which installed on the outer wall of the supporting frame, and another gyroscope is mounted on one of the protrusions. On the inside of the supporting frame there are ceramic spacers on which three accelerometers are located orthogonal to each other in space.

На четырех выступах, последовательно соединенных с образованием тетраэдра, установлены демпфирующие (виброгасящие) прокладки, с образованием четырехточечного демпфирования (затухания) вибрации в пространстве, где центр масс измерительного блока, центр четырехточечного демпфирования в пространстве, пересечение главных осей трех акселерометров и пересечение нормалей трех волоконно-оптических гироскопов расположены в одной и той же точке.On four protrusions, connected in series to form a tetrahedron, damping (vibration-absorbing) pads are installed, forming four-point damping (attenuation) of vibration in space, where the center of mass of the measuring unit, the center of four-point damping in space, the intersection of the main axes of three accelerometers and the intersection of the normals of three fibers -optical gyroscopes are located at the same point.

Недостатком такого устройства является сложная конструкция измерительного блока.The disadvantage of such a device is the complex design of the measuring unit.

Известно, что демпфирование колебаний - это искусственное подавление колебаний механических, электрических и других систем. Демпфирование может осуществляться за счет увеличения затухания, для чего на системе устанавливают демпферы (например поршни, движущиеся в вязкой среде). Другой метод демпфирования состоит в подавлении колебаний определенной частоты с помощью дополнительной колебательной системы, настроенной на эту частоту и создающей силу, равную по величине силе, вызывающей колебания (Большая советская энциклопедия. – М.: Советская энциклопедия, 1969-1978; http://www.help-rus-student.ru/text/22/723.htm).It is known that vibration damping is the artificial suppression of vibrations of mechanical, electrical and other systems. Damping can be carried out by increasing attenuation, for which dampers are installed on the system (for example, pistons moving in a viscous medium). Another damping method consists of suppressing oscillations of a certain frequency using an additional oscillatory system tuned to this frequency and creating a force equal in magnitude to the force causing the oscillations (Great Soviet Encyclopedia. - M.: Soviet Encyclopedia, 1969-1978; http:// www.help-rus-student.ru/text/22/723.htm).

Однако вибрация в условиях ускорения может возрастать в 50 раз, и для подавления таких вибраций, чтобы обеспечить нормальную бесперебойную работу устройства, демпфирования может быть не достаточно, к тому же в случае возникновения вибраций на высоких скоростях велик риск преждевременного выхода из строя как демпферов, так и самого устройства.However, vibration under acceleration conditions can increase 50 times, and to suppress such vibrations to ensure normal uninterrupted operation of the device, damping may not be enough, and in the event of vibrations at high speeds, there is a high risk of premature failure of both dampers and and the device itself.

Таким образом демпфирование, без оптимизации массогабаритных характеристик, не может обеспечить точность измерения параметров движения и устойчивую работу гироинерциального блока при вибрации в условиях ускорения.Thus, damping, without optimizing weight and size characteristics, cannot ensure the accuracy of measurement of motion parameters and stable operation of the gyro-inertial unit during vibration under acceleration conditions.

Из патента РФ №2704198 (приоритет от 28.03.2019) известен инерциальный блок, входящий в состав бесплатформенной инерциальной системы (БИНС). Инерциальный блок выполнен в виде моноблока с герметичной крышкой и монтажную раму. Моноблок снабжен фиксирующими элементами для закрепления моноблока на монтажной раме.From the RF patent No. 2704198 (priority dated March 28, 2019), an inertial unit is known, which is part of the strapdown inertial system (SINS). The inertial block is made in the form of a monoblock with a sealed lid and a mounting frame. The monoblock is equipped with fixing elements for securing the monoblock to the mounting frame.

Корпус моноблока имеет на наружной поверхности ручку для переноса и перемещения моноблока в монтажной раме и соединительные элементы для электрической связи функциональных элементов БИНС с внешними устройствами.The monoblock body has a handle on the outer surface for carrying and moving the monoblock in the mounting frame and connecting elements for electrical connection of the functional elements of the SINS with external devices.

Функциональные элементы размещены внутри инерциального моноблока и выполнены в виде связанных между собой блока чувствительных элементов, преобразователя сигнала датчиков, по меньшей мере одного вычислителя и источника питания.The functional elements are located inside the inertial monoblock and are made in the form of an interconnected block of sensitive elements, a sensor signal converter, at least one computer and a power source.

Внутренняя полость инерциального блока содержит разделенные перегородкой первый и второй отсеки.The internal cavity of the inertial block contains first and second compartments separated by a partition.

В первом отсеке расположен блок чувствительных элементов, выполненный в виде единого корпуса кубической формы с герметизируемыми с помощью крышек четырьмя плоскостями.In the first compartment there is a block of sensitive elements, made in the form of a single cubic body with four planes sealed using covers.

В трех взаимно ортогональных плоскостях расположены кольцевые лазеры прямоугольной формы с функциональной электроникой лазерного гироскопа, а в четвертой - высоковольтный источник напряжения, устройство регулирования периметра и контроля лазерных гироскопов, а также блок из трех акселерометров, размещенных в едином корпусе.In three mutually orthogonal planes there are rectangular ring lasers with functional electronics of a laser gyroscope, and in the fourth there is a high-voltage voltage source, a device for regulating the perimeter and monitoring of laser gyroscopes, as well as a block of three accelerometers located in a single housing.

Корпус блока чувствительных элементов закрыт снаружи магнитными экранами и снабжен амортизаторами для крепления к стенкам инерциального моноблока.The housing of the sensor block is closed from the outside with magnetic screens and is equipped with shock absorbers for attachment to the walls of the inertial monoblock.

Во втором отсеке установлены источник вторичного питания, преобразователь сигналов датчиков и вычислитель.The second compartment contains a secondary power supply, a sensor signal converter and a computer.

Недостатком такой системы является невысокая точность измерения параметров движения из-за сложности конструкции, значительных габаритов и массы, что приводит к невысокой стойкости к внешним воздействиям, особенно к таким как вибрации в условиях ускорения.The disadvantage of such a system is the low accuracy of measuring motion parameters due to the complexity of the design, significant dimensions and weight, which leads to low resistance to external influences, especially vibrations under acceleration conditions.

Из патента РФ №2430333 (приоритет от 21.06.2010) известно устройство измерения линейного ускорения для навигационной системы с тремя чувствительными элементами, расположенными по трем взаимно перпендикулярным осям, устройство измерения угловой скорости с тремя волоконно-оптическими каналами, расположенными по трем взаимно перпендикулярным осям,From the RF patent No. 2430333 (priority dated June 21, 2010) a device for measuring linear acceleration for a navigation system with three sensitive elements located along three mutually perpendicular axes is known, a device for measuring angular velocity with three fiber-optic channels located along three mutually perpendicular axes,

Гироскопы в навигационной системе расположены со стороны двух смежных боковых граней и верхней грани корпуса. Гироскопы и акселерометры закреплены в корпусе на базовых поверхностях.Gyroscopes in the navigation system are located on the side of two adjacent side faces and the top edge of the body. Gyroscopes and accelerometers are fixed in the housing on base surfaces.

Смежные боковые грани корпуса снабжены защитными кожухами, выполненными с возможностью размещения в них гироскопов и акселерометров.Adjacent side faces of the housing are equipped with protective casings designed to accommodate gyroscopes and accelerometers.

Недостатками такого устройства является невысокая точность измерения параметров движения и невысокая стойкость к внешним воздействиям.The disadvantages of such a device are the low accuracy of measuring motion parameters and low resistance to external influences.

Отсутствие ортогональности базовых поверхности корпуса по причине сложной конструкции приводит к снижению точности измерений.The lack of orthogonality of the base surfaces of the housing due to the complex design leads to a decrease in measurement accuracy.

Все вышеуказанные недостатки конструкции не позволяют обеспечить точность измерения параметров движения при вибрации в условиях ускорения.All of the above design flaws do not allow for accurate measurement of motion parameters during vibration under acceleration conditions.

Ближайшим аналогом заявленного устройства является блок датчиков из патента РФ №2771790 (приоритет от 21.05.2021), находящийся в составе бесплатформенной инерциальной навигационной системы управления.The closest analogue of the claimed device is the sensor unit from RF patent No. 2771790 (priority dated May 21, 2021), which is part of a strapdown inertial navigation control system.

Блок датчиков включает устройство измерения линейного ускорения, с тремя чувствительными элементами, расположенными по трем взаимно перпендикулярным осям и устройство измерения угловой скорости с тремя волоконно-оптическими каналами, расположенными по трем взаимно-перпендикулярным осям и блок сбора данных.The sensor block includes a linear acceleration measuring device with three sensitive elements located along three mutually perpendicular axes and an angular velocity measuring device with three fiber-optic channels located along three mutually perpendicular axes and a data acquisition unit.

Устройство измерения угловой скорости закреплено на одной стороне жесткого несущего основания, выполненного в виде диска, а на обратной его стороне закреплено устройство измерения линейного ускорения с блоком сбора данных, которые объединены в блок датчиков с условием обеспечения параллельности измерительных осей устройства измерения линейного ускорения, устройства измерения угловой скорости и блока датчиков.The angular velocity measuring device is fixed on one side of a rigid load-bearing base made in the form of a disk, and on its reverse side there is a linear acceleration measuring device with a data collection unit, which are combined into a sensor unit with the condition of ensuring parallelism of the measuring axes of the linear acceleration measuring device, measuring device angular velocity and sensor unit.

Выполнение блока датчиков на жестком несущем основании, на одной стороне которого закреплено устройство измерения угловой скорости, а на обратной стороне, устройство линейного ускорения с блоком сбора данных, которые объединены в блок датчиков, с условием параллельности измерительных осей устройства между этими устройствами, позволяет уменьшить погрешность разориентации измерительных осей и увеличить точность преобразования параметров движения.Executing the sensor block on a rigid supporting base, on one side of which there is a device for measuring angular velocity, and on the reverse side, a linear acceleration device with a data collection unit, which are combined into a sensor block, with the condition that the measuring axes of the device are parallel between these devices, allows you to reduce the error misorientation of measuring axes and increase the accuracy of conversion of motion parameters.

Выполнение несущего основания в виде диска и закрепление измерительных устройств и блока сбора данных на несущем основании обеспечивает жесткость конструкции системы за счет надежности крепления конструкции.Making the load-bearing base in the form of a disk and securing the measuring devices and data collection unit on the load-bearing base ensures the rigidity of the system structure due to the reliability of the structure's fastening.

Техническим результатом является повышение точности измерения параметров движения при обеспечение стойкости к внешним воздействующим факторам, к таким факторам, исключив таким образом побочные резонансы на низких частотах и обеспечив стойкость работы в условиях широкополосной случайной вибрации и механических ударов.The technical result is to increase the accuracy of measuring motion parameters while ensuring resistance to external influencing factors, such factors, thus eliminating side resonances at low frequencies and ensuring durability under conditions of broadband random vibration and mechanical shock.

В устройстве измерения угловой скорости в прототипе используют блок гироскопов марки ТИУС 500 и блок акселерометров марки А-30С.The device for measuring angular velocity in the prototype uses a block of gyroscopes of the TIUS 500 brand and a block of accelerometers of the A-30C brand.

Акселерометры такой марки обладают высокой ударопрочностью за счет того, что имеют бронзовый чувствительный элемент, что ухудшает массогабаритные характеристики устройства.Accelerometers of this brand are highly impact resistant due to the fact that they have a bronze sensitive element, which worsens the weight and size characteristics of the device.

Гироскопы ТИУС 500 являются трехосными инферометрическими волоконно-оптическими гироскопами, обладающими сложной конструкцией. В гироскопе используется один излучатель на три канала. Все три канала гироскопа работают идентично и независимо друг от друга. Также в составе гироскопа имеется блок электроники и фотоприемное устройство, что также ухудшает массогабаритные характеристики.TIUS 500 gyroscopes are three-axis inferometric fiber-optic gyroscopes with a complex design. The gyroscope uses one emitter for three channels. All three gyroscope channels operate identically and independently of each other. The gyroscope also contains an electronics unit and a photodetector, which also worsens the weight and size characteristics.

Недостатком прототипа является также то, что для обеспечения точности измерения параметров в конструкции должен быть строго соблюден порядок крепления и расположения всех элементов устройства относительно друг друга, за счет чего обеспечивается точность измерения параметров движения.The disadvantage of the prototype is also that in order to ensure the accuracy of measuring parameters in the design, the order of fastening and arrangement of all elements of the device relative to each other must be strictly observed, thereby ensuring the accuracy of measuring movement parameters.

С учетом недостатков прототипа задачей заявленного устройства упрощение конструкции устройства и минимизация массогабаритных характеристик, без потери точности измерения параметров движения и устойчивости работы устройства при вибрации в условиях ускорения.Taking into account the shortcomings of the prototype, the task of the claimed device is to simplify the design of the device and minimize the weight and size characteristics, without losing the accuracy of measuring motion parameters and the stability of the device during vibration under acceleration conditions.

Техническим результатом является упрощение конструкции устройства со снижением массогабаритных характеристик, без потери точности измерения параметров движения и устойчивости работы устройства при вибрации в условиях ускорения.The technical result is to simplify the design of the device with a reduction in weight and size characteristics, without losing the accuracy of measuring motion parameters and the stability of the device during vibration under acceleration conditions.

Заявленное устройство представляет собой гироинерциальный блок для бесплатформенной инерциальной навигационной системы управления (БИНСУ) объекта, включающий вторичный источник питания, устройство измерения линейного ускорения и устройство измерения угловой скорости, объединенные в блок датчиков.The claimed device is a gyroinertial unit for a strapdown inertial navigation control system (BINSU) of an object, including a secondary power source, a linear acceleration measuring device and an angular velocity measuring device, combined into a sensor unit.

Устройство измерения линейного ускорения состоит из трех линейных акселерометров компенсационного типа с герметичной моноблочной конструкцией, включающих инерционную массу в виде маятника с упругим подвесом (пружиной) из монокристаллического кремния, датчик перемещения инерционной массы и магнитоэлектрический усилитель обратной связи с корректирующим звеном.The device for measuring linear acceleration consists of three linear accelerometers of the compensation type with a sealed monoblock design, including an inertial mass in the form of a pendulum with an elastic suspension (spring) made of monocrystalline silicon, an inertial mass movement sensor and a magnetoelectric feedback amplifier with a corrective link.

Линейный акселерометр является маятниковым акселерометром компенсационного типа.The linear accelerometer is a pendulum accelerometer of the compensation type.

В таком акселерометре при действии ускорения инерционная масса, подвешенная на пружине из монокристаллического кремния, отклоняется от исходного положения. Это отклонение приводит к небалансу емкостного моста. Небаланс в виде электрического сигнала поступает в магнитоэлектрический усилитель обратной связи, который воздействует на инерционную массу с силой, равной по величине, но противоположной по направлению инерционной силе. Ток в усилителе обратной связи пропорционален действующему ускорению.In such an accelerometer, under the action of acceleration, the inertial mass suspended on a spring made of monocrystalline silicon deviates from its original position. This deviation causes the capacitive bridge to become unbalanced. The imbalance in the form of an electrical signal enters the magnetoelectric feedback amplifier, which acts on the inertial mass with a force equal in magnitude but opposite in direction to the inertial force. The current in the feedback amplifier is proportional to the actual acceleration.

Устройство измерения угловой скорости состоит из двухосных датчиков угловой скорости (ДУС) на базе двух динамически настраиваемых гироскопов (ДНГ) с чувствительным элементом в виде двухколечного упругого подвеса с кольцами разного диаметра, выполненного из одной заготовки электроэрозионным способом и консольно закрепленного на валу приводного двигателя.The angular velocity measuring device consists of biaxial angular velocity sensors (ARS) based on two dynamically adjustable gyroscopes (DNG) with a sensitive element in the form of a two-ring elastic suspension with rings of different diameters, made from a single workpiece using the electroerosive method and cantilever mounted on the drive motor shaft.

Чувствительный элемент ДНГ, который является маховиком, связан с осью приводного двигателя через цепочку «внешний упругий торсион - промежуточное кольцо - внутренний упругий торсион».The sensitive element of the DNG, which is a flywheel, is connected to the axis of the drive motor through the chain “external elastic torsion bar - intermediate ring - internal elastic torsion bar”.

Маховик консольно закреплен на валу приводного двигателя, что минимизирует влияние тепловых полей и, в свою очередь, обеспечивает стабильное положение центра масс гироскопа, что положительно влияет на точность измерения параметров движения при вибрации в условиях ускорения.The flywheel is cantilever mounted on the drive motor shaft, which minimizes the influence of thermal fields and, in turn, ensures a stable position of the gyroscope's center of mass, which has a positive effect on the accuracy of measuring motion parameters during vibration under acceleration conditions.

Динамически настраиваемые гироскопы имеют миниатюрные габариты. Датчик температуры- проволочный, расположенный непосредственно на блоке статоров датчиков угла и момента, позволяет измерять температуру внутри гироскопа с точностью 0,1°С.Dynamically adjustable gyroscopes have miniature dimensions. The wire temperature sensor, located directly on the stator block of the angle and torque sensors, allows you to measure the temperature inside the gyroscope with an accuracy of 0.1 ° C.

ДНГ функционально представляет собой ДУС и относится к классу гироскопов с упругим (по отношению к углам поворота) соединением массы быстровращающегося ротора с его валом, приводимым в движение электродвигателем. В конструкции ДНГ для такого упругого соединения ротора с валом используется так называемый внутренний карданов подвес в виде системы торсионов.DNG is functionally a GUS and belongs to the class of gyroscopes with an elastic (relative to the angles of rotation) connection of the mass of a rapidly rotating rotor with its shaft driven by an electric motor. In the design of the DNG, for such an elastic connection of the rotor with the shaft, the so-called internal cardan suspension in the form of a torsion bar system is used.

Динамическая настройка ДНГ заключается в точном автоматическом подстраивании угловой скорости вращения ротора к собственной частоте его колебаний на валу.Dynamic tuning of the DNG consists of precise automatic adjustment of the angular speed of rotation of the rotor to the natural frequency of its oscillations on the shaft.

Динамически настраиваемые гироскопы обладают рядом преимуществ по сравнению с другими типами гироскопов.Dynamically adjustable gyroscopes offer several advantages over other types of gyroscopes.

Рациональное использование объема прибора благодаря переносу карданова подвеса внутрь маховика-чувствительного элемента (на приводной вал) обеспечивает ДНГ меньшие габариты и массу (при равных кинетических моментах.Rational use of the device volume due to the transfer of the cardan suspension inside the flywheel-sensitive element (on the drive shaft) provides the DNG with smaller dimensions and weight (with equal kinetic moments.

К достоинствам ДНГ можно также отнести высокую стабильность характеристик и невысокую стоимость.The advantages of DNG also include high stability of characteristics and low cost.

Особенностью таких ДНГ является сочетание габаритно-весовых, точностных параметров, большой диапазон измеряемых угловых скоростей.A feature of such DNGs is the combination of size, weight, accuracy parameters, and a large range of measured angular velocities.

Конструкция таких гироскопов герметична и обладает высокой стойкостью к механическим воздействиям.The design of such gyroscopes is sealed and highly resistant to mechanical stress.

Все вышеназванные преимущества таких гироскопов способствуют достижению заявленного технического результата.All of the above advantages of such gyroscopes contribute to achieving the stated technical result.

Вторичный источник питания для минимизации массогабаритных характеристик заявленного устройства встроен в корпус гироинерциального блока датчиков.To minimize the weight and size characteristics of the claimed device, the secondary power source is built into the body of the gyroinertial sensor unit.

Гироинерциальный блок также включает в себя усилитель-дискриминатор, обеспечивающий работу в компенсационном режиме динамически настраиваемых гироскопов, восьмиканальный преобразователь, блок разгона, а также нагрузочные резисторы для съема информации с датчиков и малогабаритные амортизаторы кольцевидной формы.The gyro-inertial unit also includes an amplifier-discriminator, which ensures operation of dynamically adjustable gyroscopes in a compensation mode, an eight-channel converter, an overclocking unit, as well as load resistors for retrieving information from sensors and small-sized ring-shaped shock absorbers.

Использование таких амортизаторов позволяет существенно снизить резонанс места расположения датчиков первичной информации, что положительно влияет на точности измерения параметров движения при вибрации в условиях ускорения.The use of such shock absorbers can significantly reduce the resonance of the location of the primary information sensors, which has a positive effect on the accuracy of measuring motion parameters during vibration under acceleration conditions.

Усилитель-дискриминатор выполнен в виде четырехканального усилителя, представляющего собой плату с дискретными элементами, конструктивно выделенными в четыре независимых канала с выходными транзисторами, установленными на теплоотводах.The discriminator amplifier is made in the form of a four-channel amplifier, which is a board with discrete elements, structurally separated into four independent channels with output transistors installed on heat sinks.

Восьмиканальный преобразователь представляет собой плату с восьмью микросхемами каналов преобразования аналоговых сигналов от акселерометров и датчика температуры, датчиков угловой скорости и датчика температуры, микросхемой организации цифрового обмена, оптоэлектронным реле переключения масштабов каналов угловой скорости и проведения встроенного контроля, стабилизаторами напряжений питания аналоговых и цифровых микросхем.The eight-channel converter is a board with eight channel microcircuits for converting analog signals from accelerometers and a temperature sensor, angular velocity sensors and a temperature sensor, a microcircuit for organizing digital exchange, an optoelectronic relay for switching the scale of angular velocity channels and carrying out built-in monitoring, supply voltage stabilizers for analog and digital microcircuits.

Блок разгона осуществляет поддержания синхронных оборотов приводных двигателей гироскопов и представляет собой плату со статическим преобразователем напряжения вторичного источника питания постоянного тока в переменное напряжение и контроллерами, осуществляющими формирование управляющих сигналов на двухканальный трехфазный генератор для подачи трехфазного напряжения питания на приводные двигатели гироскопов.The acceleration unit maintains synchronous speed of the gyroscope drive motors and is a board with a static voltage converter of the secondary DC power supply into alternating voltage and controllers that generate control signals to a two-channel three-phase generator to supply three-phase supply voltage to the gyroscope drive motors.

Вторичный источник питания для минимизации масса-габаритных характеристик встроен в корпус заявленного устройства.To minimize weight and size characteristics, a secondary power source is built into the body of the claimed device.

На фигурах 1-5 показаны чертежи гироинерциального блока.Figures 1-5 show drawings of a gyroinertial block.

На фигуре 1 - гироинерциальный блок, вид сверху.Figure 1 shows a gyroinertial block, top view.

На фигуре 2 - гироинерциальный блок, вид спереди.Figure 2 shows a gyroinertial block, front view.

На фигуре 3 - гироинерциальный блок, вид сзади.Figure 3 shows a gyroinertial block, rear view.

На фигуре 4 - гироинерциальный блок, вид справа.Figure 4 shows a gyroinertial block, right view.

На фигуре 5 - гироинерциальный блок, вид слева.Figure 5 shows a gyroinertial block, left view.

На фигуре 6 показана структурная схема гироинерциального блока, с указанием следующих позиций:Figure 6 shows a block diagram of the gyroinertial block, indicating the following positions:

1 - гироинерциальный блок;1 - gyroinertial block;

2 - блок разгона;2 - acceleration block;

3 - вторичный источник питания;3 - secondary power source;

4 - преобразователь;4 - converter;

5 - блок датчиков;5 - sensor block;

6 - динамически настраиваемые гироскопы (2 шт.);6 - dynamically adjustable gyroscopes (2 pcs.);

7 - акселерометры (3 шт.);7 - accelerometers (3 pcs.);

8 - усилитель-дискриминатор.8 - amplifier-discriminator.

Принцип работы заявленного устройства основан на измерении величины и направления линейного ускорения и угловой скорости объекта для фактического определения его положения в пространстве.The operating principle of the claimed device is based on measuring the magnitude and direction of linear acceleration and angular velocity of an object to actually determine its position in space.

Использование линейных акселерометров компенсационного типа с моноблочной конструкцией в устройстве измерения линейного ускорения, в совокупности с другими особенностями конструкции блоков заявленного устройства, обеспечивает достижение заявленного технического результата.The use of linear accelerometers of the compensation type with a monoblock design in a device for measuring linear acceleration, in combination with other design features of the blocks of the claimed device, ensures the achievement of the declared technical result.

Преимущество таких акселерометров в следующем:The advantages of such accelerometers are as follows:

- диапазон измерения до 100 g;- measurement range up to 100 g;

- стабильность нулевого сигнала не более 1,5×10-3 g.- stability of the zero signal is no more than 1.5×10 -3 g.

Принцип действия акселерометра заключается в следующем. При воздействии линейного ускорения кремниевый маятник чувствительного элемента отклоняется на упругом повесе от положения равновесия. При этом изменяются емкости между маятником и металлизацией стеклянных обкладок. Дисбаланс емкостей преобразуется, усиливается и нормализуется электронным преобразователем.The principle of operation of the accelerometer is as follows. When exposed to linear acceleration, the silicon pendulum of the sensing element deviates on an elastic suspension from the equilibrium position. In this case, the capacitances between the pendulum and the metallization of the glass plates change. The imbalance of capacities is converted, amplified and normalized by an electronic converter.

В качестве двухосных серийных датчиков угловых скоростей для ГИБ датчиков в заявленном устройстве были выбраны динамически настраиваемые гироскопы (ДНГ), например марки ДНГ-2-1 и другие подобного типа гироскопы.Dynamically adjustable gyroscopes (DNG), for example brand DNG-2-1 and other similar types of gyroscopes, were selected as biaxial serial angular velocity sensors for the BGI sensors in the claimed device.

Чувствительный элемент ДНГ содержит упругий подвес для монолитной заделки торсионов, соединенный с осью приводного двигателя через цепочку «внешний упругий торсион - промежуточное кольцо - внутренний упругий торсион». Чувствительный элемент закреплен на валу приводного двигателя, что минимизирует влияние тепловых полей и, в свою очередь, обеспечивает стабильное положение центра масс гироскопа.The DNG sensitive element contains an elastic suspension for monolithic embedding of torsion bars, connected to the axis of the drive motor through the chain “external elastic torsion bar - intermediate ring - internal elastic torsion bar”. The sensing element is fixed to the drive motor shaft, which minimizes the influence of thermal fields and, in turn, ensures a stable position of the gyroscope's center of mass.

Упругий подвес изготавливается из одной заготовки электроэрозионным способом для того, чтобы обеспечить монолитную заделку торсионов.The elastic suspension is made from a single piece using the electroerosive method in order to ensure monolithic sealing of the torsion bars.

За счет использования динамически настраиваемых гироскопов с такой конструкцией повышаются прочностные характеристики заявленного устройства, обеспечивается точность измерения параметров движения при вибрации в условиях ускорения, а также не требует снижения штатных виброускорений в диапазоне 20-2000 Гц.Through the use of dynamically adjustable gyroscopes with this design, the strength characteristics of the claimed device are increased, the accuracy of measuring motion parameters during vibration under acceleration conditions is ensured, and also does not require a reduction in standard vibration accelerations in the range of 20-2000 Hz.

Другими достоинствами ДНГ такого типа являются:Other advantages of this type of DNG are:

- высокие точностные характеристики (1-5°/ч);- high accuracy characteristics (1-5°/h);

- технологичность конструкции;- manufacturability of the design;

- большой ресурс работы (от 10000 часов);- long service life (from 10,000 hours);

- повышенная надежность;- increased reliability;

- возможность функционирования в широком диапазоне температур от -55 до 65°С;- ability to operate in a wide temperature range from -55 to 65°C;

- малая потребляемая мощность.- low power consumption.

Усилитель-дискриминатор в заявленном устройстве представляет собой плату, на которой расположены дискретные элементы, а выходные транзисторы каналов установлены на теплоотводах.The discriminator amplifier in the claimed device is a board on which discrete elements are located, and the output transistors of the channels are installed on heat sinks.

Усилитель-дискриминатор является четырехканальным усилителем обратной связи и обеспечивает:The discriminator amplifier is a four-channel feedback amplifier and provides:

- работу ДНГ-2-1 в компенсационном режиме совместно с нагрузочными резисторами, расположенными в гироинерциальном блоке датчиков;- operation of DNG-2-1 in compensation mode together with load resistors located in the gyroinertial sensor unit;

- усилие выходных сигналов с датчиков угловой скорости ДНГ, преобразование их в напряжения постоянного тока и замыкание отрицательной обратной связи ДУС (связь выходов усилителей с датчиками момента через нагрузочные резисторы);- the strength of the output signals from the angular velocity sensors of the DNG, converting them into DC voltages and closing the negative feedback of the DUS (connection of the amplifier outputs with the torque sensors through load resistors);

- организацию устойчивой работы контуров обратной связи ДУС и требуемой полосы пропускания (введение в контур управления соответствующих корректирующих звеньев).- organization of stable operation of the DUS feedback loops and the required bandwidth (introduction of appropriate corrective links into the control loop).

Преобразователь в заявленном устройстве является восьмиканальным преобразователем и выполняет следующие функции:The converter in the claimed device is an eight-channel converter and performs the following functions:

- преобразование аналоговых сигналов постоянного тока с ДУС и акселерометров в параллельный код и передачу по последовательному синхронному интерфейсу SPI;- conversion of analog DC signals from DUS and accelerometers into parallel code and transmission via a serial synchronous SPI interface;

- переключение масштаба аналоговых сигналов в каналах ДУС;- switching the scale of analog signals in DUS channels;

- проведение «встроенного контроля» каналов ДУС;- carrying out “built-in control” of DUS channels;

- питание, измерение и преобразование аналоговых сигналов с датчиков температуры 2-х гироскопов и 3-х акселерометров в параллельные коды;- power supply, measurement and conversion of analog signals from temperature sensors of 2 gyroscopes and 3 accelerometers into parallel codes;

- организацию стабилизированного опорного напряжения для интегральных АЦП;- organization of a stabilized reference voltage for integrated ADCs;

- формирование синхрочастоты для работы микросхем каналов преобразования;- formation of a clock frequency for the operation of conversion channel microcircuits;

- стабилизированное напряжение питания для питания схем измерения температуры 2-х гироскопов.- stabilized supply voltage to power the temperature measurement circuits of 2 gyroscopes.

Блок разгона.Acceleration block.

Блок разгона для поддержания синхронных оборотов приводных двигателей гироскопов обеспечивает:The acceleration unit for maintaining synchronous speed of the gyroscope drive motors provides:

- программируемое формирование трехфазных напряжений питания приводных двигателей ДНГ-2-1;- programmable generation of three-phase supply voltages for DNG-2-1 drive motors;

- выдачу команды на подключение оконечных каскадов (УОС) в процессе проведения форсированного разгона приводных двигателей ДНГ-2-1;- issuing a command to connect terminal stages (UOS) during the forced acceleration of the DNG-2-1 drive motors;

- поддержание рабочего режима приводных двигателей;- maintaining the operating mode of drive motors;

- формирование напряжений встроенного контроля для проведения контроля каналов ДУС.- generation of built-in control voltages for monitoring DUS channels.

Блок разгона в заявленном устройстве представляет собой плату, на которой расположены:The overclocking unit in the claimed device is a board on which are located:

- статический преобразователь напряжения вторичного источника питания постоянного тока в переменное напряжение, а затем его преобразование в напряжения постоянного тока питания трехфазного генератора и напряжений для проведения встроенного контроля;- static voltage converter of the secondary DC power source into alternating voltage, and then converting it into DC voltage to supply a three-phase generator and voltages for built-in monitoring;

- контроллеры, осуществляющие формирование управляющих сигналов, для двухканального трехфазного генератора, формирующего трехфазные напряжения питания двигателей 2-х гироскопов.- controllers that generate control signals for a two-channel three-phase generator that generates three-phase supply voltages for the motors of 2 gyroscopes.

Вышеуказанные конструктивные особенности заявленного устройства обеспечивают оптимальные массогабаритные характеристики устройства и стойкость к механическим воздействиям при вибрации на частоте 1400 Гц в условиях ускорения.The above design features of the claimed device provide optimal weight and size characteristics of the device and resistance to mechanical stress during vibration at a frequency of 1400 Hz under acceleration conditions.

Claims (1)

Гироинерциальный блок бесплатформенной инерциальной навигационной системы управления объекта, включающий корпус, в котором закреплены вторичный источник питания, устройство измерения линейного ускорения и устройство измерения угловой скорости, объединенные в блок датчиков, отличающийся тем, что устройство измерения линейного ускорения состоит из трех маятниковых акселерометров компенсационного типа с герметичной моноблочной конструкцией, содержащих инерционную массу в виде маятника с упругим подвесом из монокристаллического кремния, датчик перемещения инерционной массы и магнитоэлектрический усилитель обратной связи с корректирующим звеном, устройство измерения угловой скорости состоит из двухосных датчиков угловой скорости на базе двух динамически настраиваемых гироскопов с чувствительным элементом в виде двухколечного упругого подвеса с кольцами разного диаметра, выполненного из одной заготовки электроэрозионным способом и консольно закрепленного на валу приводного двигателя, а вторичный источник питания для минимизации массогабаритных характеристик устройства встроен в корпус гироинерциального блока датчиков, при этом гироинерциальный блок дополнительно включает в себя нагрузочные резисторы для съема информации с датчиков, усилитель-дискриминатор для поддержания работы динамически настраиваемых гироскопов в компенсационном режиме, восьмиканальный преобразователь, блок разгона и малогабаритные амортизаторы кольцевидной формы, где усилитель-дискриминатор выполнен в виде четырехканального усилителя, представляющего собой плату с дискретными элементами, конструктивно выделенными в четыре независимых канала с выходными транзисторами каналов, установленными на теплоотводах, восьмиканальный преобразователь представляет собой плату с восьмью микросхемами каналов преобразования аналоговых сигналов от акселерометров и датчика температуры, динамически настраиваемых гироскопов и датчика температуры, микросхемой организации цифрового обмена, оптоэлектронным реле переключения масштабов каналов угловой скорости и проведения встроенного контроля, стабилизаторами напряжений питания аналоговых и цифровых микросхем, блок разгона осуществляет поддержание синхронных оборотов приводных двигателей гироскопов и представляет собой плату со статическим преобразователем напряжения вторичного источника питания постоянного тока в переменное напряжение и контроллерами.A gyroinertial block of a strapdown inertial navigation system for controlling an object, including a housing in which a secondary power source is fixed, a linear acceleration measuring device and an angular velocity measuring device, combined into a sensor unit, characterized in that the linear acceleration measuring device consists of three compensation-type pendulum accelerometers with sealed monoblock design containing an inertial mass in the form of a pendulum with an elastic suspension made of monocrystalline silicon, an inertial mass movement sensor and a magnetoelectric feedback amplifier with a corrective element, the angular velocity measuring device consists of biaxial angular velocity sensors based on two dynamically adjustable gyroscopes with a sensitive element in in the form of a two-ring elastic suspension with rings of different diameters, made from a single workpiece using the electroerosive method and cantilever mounted on the drive motor shaft, and the secondary power source, to minimize the weight and size characteristics of the device, is built into the housing of the gyroinertial sensor unit, while the gyroinertial unit additionally includes load resistors for collecting information from sensors, an amplifier-discriminator to support the operation of dynamically adjustable gyroscopes in compensation mode, an eight-channel converter, an acceleration unit and small-sized ring-shaped shock absorbers, where the amplifier-discriminator is made in the form of a four-channel amplifier, which is a board with discrete elements, structurally divided into four independent channels with channel output transistors installed on heat sinks, an eight-channel converter is a board with eight channel microcircuits for converting analog signals from accelerometers and a temperature sensor, dynamically adjustable gyroscopes and a temperature sensor, a microcircuit for organizing digital exchange, an optoelectronic relay for switching the scale of angular velocity and conductivity channels built-in control, voltage stabilizers for analog and digital microcircuits, the acceleration unit maintains synchronous speed of the gyroscope drive motors and is a board with a static voltage converter of the secondary DC power source into alternating voltage and controllers.
RU2024103585U 2024-02-12 Gyroinertial block RU225965U1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU225965U1 true RU225965U1 (en) 2024-05-15

Family

ID=

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU34009U1 (en) * 2003-07-11 2003-11-20 Биндер Яков Исаакович SMALL INERTIAL MEASURING MODULE FOR WELLS OF A SMALL DIAMETER
RU2319930C2 (en) * 2006-03-14 2008-03-20 Государственный Научно-Исследовательский Навигационно-Гидрографический Институт Мо Рф Correctable inertial navigation and stabilization system
RU2653155C1 (en) * 2017-06-01 2018-05-07 Акционерное Общество "Научно-Производственное Объединение Электромеханики" Dynamically tuned gyroscope
US10132634B2 (en) * 2012-09-27 2018-11-20 Rafael Advanced Defense Systems Ltd. Inertial navigation system and method
RU2761592C1 (en) * 2021-02-12 2021-12-10 Акционерное Общество "Научно-Производственное Объединение Электромеханики" Inertial measurement module
RU2771790C1 (en) * 2021-05-21 2022-05-12 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") Strapdown inertial system of the controlled object

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU34009U1 (en) * 2003-07-11 2003-11-20 Биндер Яков Исаакович SMALL INERTIAL MEASURING MODULE FOR WELLS OF A SMALL DIAMETER
RU2319930C2 (en) * 2006-03-14 2008-03-20 Государственный Научно-Исследовательский Навигационно-Гидрографический Институт Мо Рф Correctable inertial navigation and stabilization system
US10132634B2 (en) * 2012-09-27 2018-11-20 Rafael Advanced Defense Systems Ltd. Inertial navigation system and method
RU2653155C1 (en) * 2017-06-01 2018-05-07 Акционерное Общество "Научно-Производственное Объединение Электромеханики" Dynamically tuned gyroscope
RU2761592C1 (en) * 2021-02-12 2021-12-10 Акционерное Общество "Научно-Производственное Объединение Электромеханики" Inertial measurement module
RU2771790C1 (en) * 2021-05-21 2022-05-12 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") Strapdown inertial system of the controlled object

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7178401B2 (en) Three axis accelerometer with variable axis sensitivity
CN101349564B (en) Inertial measurement apparatus
US4611491A (en) Accelerometer system
US4841773A (en) Miniature inertial measurement unit
US4996877A (en) Three axis inertial measurement unit with counterbalanced mechanical oscillator
US4061043A (en) Electrostatic rate gyroscope
CN112739982A (en) Driving and sensing balanced, fully coupled 3-axis gyroscope
RU2362121C2 (en) Miniature solid-state wave gyro (sswg)
US5007289A (en) Three axis inertial measurement unit with counterbalanced, low inertia mechanical oscillator
US5065627A (en) Three axis inertial measurement unit with counterbalanced, low inertia mechanical oscillator
RU225965U1 (en) Gyroinertial block
RU225971U1 (en) Gyroinertial block
CN112963480A (en) Controllable vibration reduction device and method of mechanically dithered laser gyro inertial navigation system
GB2271422A (en) Compensated inertial guidance system
US5189913A (en) Apparatus and method for determining the rate of rotation of a moving body
EP0273048A4 (en) Translational accelerometer and accelerometer assembly method
RU226819U1 (en) Strapdown inertial navigation control system
RU2058534C1 (en) Platformless inertial measuring unit
US4258577A (en) Gyroscopic apparatus
RU228080U1 (en) Strapdown inertial navigation device for controlling the movement of an object
US5886260A (en) Centripetal opposed pendulous accelerometer
Norling Accelerometers: Current and Emerging Technology
RU2806248C2 (en) Method for compensating cross errors in measuring channels of dynamically tuned gyroscope
RU2251702C1 (en) Micromechanical accelerometer
RU2771918C2 (en) Gyroscope