RU2310166C1

RU2310166C1 - Internal instrument

Info

Publication number: RU2310166C1
Application number: RU2006113844/28A
Authority: RU
Inventors: Петр Колестратович Плотников (RU); Петр Колестратович Плотников; Виталий Сергеевич Шорин (RU); Виталий Сергеевич Шорин; Андрей Иванович Синев (RU); Андрей Иванович Синев; Владимир Борисович Никишин (RU); Владимир Борисович Никишин
Original assignee: Закрытое акционерное общество "Газприборавтоматикасервис"
Priority date: 2006-04-24
Filing date: 2006-04-24
Publication date: 2007-11-10

Abstract

FIELD: orientation and navigation instruments of movable objectives.

SUBSTANCE: the inertial instrument has a gyroscope and an accelerometer installed on a hollow shaft that has ball bearing supports, rotor of the synchronous motor, raster of the optical position sensor installed on a hollow shaft, stator of the synchronous motor, radiator and a light detector of the optical position sensor installed on the instrument body. Pairs of square beams serve as the sensitive elements of the gyroscope and accelerometer, the width of the beams is essentially larger than the height, they are attached to the shaft perpendicularly to the axis of rotation in such a manner that the wider side of the beam for the gyroscope lies in the plane perpendicular to the shaft axis of rotation, and for the accelerometer the narrower side of the beam lies in the plane perpendicular to the shaft axis of rotation. The instrument also comprises two pairs of beams and two rims, the shape of additional pair of beams for the gyroscope is similar to those already available and installed on the shaft perpendicularly to those already available in such a manner that the longitudinal axes of all four beams lie in the same plane, and the narrower sides of the additional beams lie in the plane perpendicular to the axis of rotation, rigidly coupled to the gyroscope beams is rim representing a hollow cylinder, whose height equals the beam width, the additional pair of beams for the accelerometer is similar in shape to the already available ones and installed on the shaft in parallel-succession with the already available ones at a distance equal to the beam width, rigidly coupled to the accelerometer beams is a rim representing a hollow cylinder, whose height is equal to the triple width of the beam.

EFFECT: enhanced sensitivity of the instrument.

19 dwg

Description

Изобретение относится к приборам ориентации и навигации подвижных объектов (ПО) в виде летательных аппаратов, судов и т.д. и может быть использовано в системах ориентации и навигации указанных ПО в качестве чувствительного элемента, выдающего информацию о двух компонентах вектора абсолютной угловой скорости и двух компонентах вектора кажущегося ускорения ПО по двум взаимно перпендикулярным его осям.The invention relates to instruments for orientation and navigation of moving objects (software) in the form of aircraft, ships, etc. and can be used in the orientation and navigation systems of these softwares as a sensitive element that provides information about the two components of the absolute angular velocity vector and the two components of the apparent acceleration vector of the software along its two mutually perpendicular axes.

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

Известен инерциальный измерительный прибор (ИИП) [1], содержащий традиционный интерферометр Маха-Цендера для измерения двух компонентов линейного ускорения.Known inertial measuring device (IIP) [1], containing a traditional Mach-Zehnder interferometer for measuring two components of linear acceleration.

Недостатком данного изобретения является сдвиг интерференционной картины и изменение центрирования оптических путей при перемещении зеркал, используемых для отклонения лучей.The disadvantage of this invention is a shift in the interference pattern and a change in the centering of the optical paths when moving the mirrors used to deflect the rays.

Известен инерциальный измерительный прибор [2]. Он принят за наиболее близкий аналог предлагаемого изобретения.Known inertial measuring device [2]. It is taken as the closest analogue of the invention.

Инерциальный измерительный прибор содержит гироскоп и акселерометр, установленные на полом валу, который имеет шарикоподшипниковые опоры, ротор синхронного двигателя, растр оптического датчика положения, установленные на полом валу, статор синхронного двигателя, излучатель и светоприемник оптического датчика положения, установленные на корпусе прибора, чувствительными элементами гироскопа и акселерометра являются пары балок прямоугольного сечения, ширина которых существенно больше высоты, прикрепленных к валу перпендикулярно к оси вращения таким образом, что для гироскопа более широкая сторона балки лежит в плоскости, перпендикулярной оси вращения вала, а для акселерометра более узкая сторона балки лежит в плоскости, перпендикулярной оси вращения вала, с чувствительными элементами гироскопа, акселерометра и полым валом связаны изолированные друг от друга контуры световолокон таким образом, что для гироскопа контуры световолокон проходят внутри полого вала до и после пересечения с балками гироскопа, где контуры световолокон укладываются витками одно вдоль верхней поверхности одной из балок, а другое вдоль нижней поверхности этой же балки, на другой балке световолокно, уложенное вдоль верхней поверхности первой балки, укладывается вдоль нижней поверхности второй балки, а световолокно, уложенное вдоль нижней поверхности первой балки, укладывается вдоль верхней поверхности второй балки, а для акселерометра контуры световолокон проходят внутри полого вала до и после пересечения с балками акселерометра, где контуры световолокон укладываются витками одно вдоль передней поверхности пары балок, а другое вдоль задней поверхности, в каждом контуре один конец соединен со светоделителем, являющимся оптическим приемником, расположенным напротив излучающей поверхности светодиода, вторые концы контуров попарно соединены с сумматором света и расположены на торце полого вала напротив соответствующих каждому из них двух фотоприемников, закрепленных на корпусе так, что каждый из них вместе со светодиодом, светоделителем, соответствующим контуром световолокна, сумматором света образуют два интерферометра Маха-Цендера, один интерферометр соответствует гироскопу, второй интерферометр - акселерометру, выход каждого фотоприемника соединен со входами первого и второго блоков - по усилителю и фильтру в каждом блоке, выходы этих блоков соединены с первыми входами первого и второго фазовых демодуляторов соответственно, второй вход первого фазового демодулятора соединен с выходом оптического датчика положения с нулевым начальным фазовым сдвигом, второй вход второго фазового демодулятора соединен с выходом оптического датчика положения с начальным фазовым сдвигом, равным 90°, выходы четырех фазовых демодуляторов соединены со входами четырех выходных блоков - по усилителю и фильтру в каждом блоке, выходы двух из них являются выходами инерциального измерительного прибора по двум компонентам абсолютной угловой скорости подвижного объекта по осям, перпендикулярным оси вращения полого вала, выходы третьего и четвертого выходных фильтров являются выходами по двум компонентам кажущегося ускорения подвижного объекта по тем же осям.The inertial measuring device contains a gyroscope and an accelerometer mounted on a hollow shaft, which has ball bearings, a synchronous motor rotor, an optical position sensor raster mounted on a hollow shaft, a synchronous motor stator, an emitter and a light receiver of an optical position sensor mounted on the instrument body, with sensitive elements gyroscope and accelerometer are pairs of beams of rectangular cross section, the width of which is significantly greater than the height attached to the shaft perpendicular to and rotation so that for the gyroscope the wider side of the beam lies in a plane perpendicular to the axis of rotation of the shaft, and for the accelerometer, the narrower side of the beam lies in the plane perpendicular to the axis of rotation of the shaft, isolated from each other are connected to the sensitive elements of the gyroscope, accelerometer and hollow shaft the other optical fiber circuits in such a way that, for a gyroscope, the optical fiber circuits pass inside the hollow shaft before and after intersecting with the gyro beams, where the optical fiber circuits are stacked one turn along the surface of one of the beams, and the other along the lower surface of the same beam, on the other beam, the fiber laid along the upper surface of the first beam is laid along the lower surface of the second beam, and the fiber laid along the lower surface of the first beam is laid along the upper surface of the second beam and for the accelerometer, the optical fiber circuits pass inside the hollow shaft before and after intersecting with the accelerometer beams, where the optical fiber circuits are laid in turns one along the front surface of a pair of beams, and the other along the rear surface, in each circuit one end is connected to a beam splitter, which is an optical receiver located opposite the emitting surface of the LED, the second ends of the circuits are paired with an adder of light and are located on the end of the hollow shaft opposite to each of them two photodetectors mounted on the housing so that each of them, together with an LED, a beam splitter, a corresponding fiber circuit, and a light combiner, forms two Mach-Zehnder interferometers, one interferometer corresponds to a gyroscope, the second interferometer corresponds to an accelerometer, the output of each photodetector is connected to the inputs of the first and second blocks by an amplifier and a filter in each block, the outputs of these blocks are connected to the first inputs of the first and second phase demodulators, respectively, the second input of the first phase demodulator is connected to the output of the optical a position sensor with a zero initial phase shift, the second input of the second phase demodulator is connected to the output of the optical position sensor with an initial phase shift of 90 °, the outputs of the four phase demodulators are connected to the inputs of the four output blocks — by amplifier and filter in each block, the outputs of two of them are the outputs of the inertial measuring device along the two components of the absolute angular velocity of the moving object along the axes perpendicular to the axis of rotation of the hollow shaft, the outputs of the third and fourth output filters are outputs for two components of the apparent acceleration of a moving object along the same axes.

Недостатком данного изобретения является существенное влияние колебаний и вибраций подвижного объекта на точность выходных сигналов гироскопа и акселерометра, а также малая чувствительность прибора.The disadvantage of this invention is the significant influence of vibrations and vibrations of a moving object on the accuracy of the output signals of the gyroscope and accelerometer, as well as the low sensitivity of the device.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение чувствительности инерциального измерительного прибора с одновременным снижением чувствительности к моментам кручения, колебаниям и вибрациям подвижного объекта, действующим по осям балок.The task of the invention is to increase the sensitivity of an inertial measuring device while reducing sensitivity to torsion moments, vibrations and vibrations of a moving object acting along the axes of the beams.

Технический результат изобретения состоит в том, что при его реализации количество пар балок для гироскопа и акселерометра соответственно увеличивается с одной до двух. Дополнительно балки как гироскопа, так и акселерометра устанавливаются в обод, имеющий форму полого цилиндра.The technical result of the invention is that when it is implemented, the number of pairs of beams for the gyroscope and accelerometer, respectively, increases from one to two. Additionally, the beams of both the gyroscope and the accelerometer are installed in the rim having the shape of a hollow cylinder.

Сущность изобретения. Поставленная задача решается за счет того, что в инерциальный измерительный прибор, содержащий гироскоп и акселерометр, установленные на полом валу, который имеет шарикоподшипниковые опоры, ротор синхронного двигателя, растр оптического датчика положения, установленные на полом валу, статор синхронного двигателя, излучатель и светоприемник оптического датчика положения, установленные на корпусе прибора, чувствительными элементами гироскопа и акселерометра являются пары балок прямоугольного сечения, ширина которых существенно больше высоты, прикрепленных к валу перпендикулярно к оси вращения таким образом, что для гироскопа более широкая сторона балки лежит в плоскости, перпендикулярной оси вращения вала, а для акселерометра более узкая сторона балки лежит в плоскости, перпендикулярной оси вращения вала, с чувствительными элементами гироскопа, акселерометра и полым валом связаны изолированные друг от друга контуры световолокон таким образом, что для гироскопа контуры световолокон проходят внутри полого вала до и после пересечения с балками гироскопа, где контуры световолокон укладываются витками один вдоль верхней поверхности одной из балок, а другой вдоль нижней поверхности этой же балки, на другой балке световолокно, уложенное вдоль верхней поверхности первой балки, укладывается вдоль нижней поверхности второй балки, а световолокно, уложенное вдоль нижней поверхности первой балки, укладывается вдоль верхней поверхности второй балки, а для акселерометра контуры световолокон проходят внутри полого вала до и после пересечения с балками акселерометра, где контуры световолокон укладываются витками одно вдоль передней поверхности пары балок, а другое вдоль задней поверхности, в каждом контуре один конец соединен со светоделителем, являющимся оптическим приемником, расположенным напротив излучающей поверхности светодиода, вторые концы контуров попарно соединены с сумматором света и расположены на торце полого вала напротив соответствующих каждому из них двух фотоприемников, закрепленных на корпусе так, что каждый из них вместе со светодиодом, светоделителем, соответствующим контуром световолокна, сумматором света образуют два интерферометра Маха-Цендера, один интерферометр соответствует гироскопу, второй интерферометр - акселерометру, выход каждого фотоприемника соединен со входами первого и второго блоков, включающих по усилителю и фильтру, выходы этих блоков соединены с первыми входами первого и второго фазовых демодуляторов соответственно, второй вход первого фазового демодулятора соединен с выходом оптического датчика положения с нулевым начальным фазовым сдвигом, второй вход второго фазового демодулятора соединен с выходом оптического датчика положения с начальным фазовым сдвигом, равным 90°, выходы четырех фазовых демодуляторов соединены со входами четырех выходных блоков, содержащих по усилителю и фильтру, выходы двух из них являются выходами инерциального измерительного прибора по двум компонентам абсолютной угловой скорости подвижного объекта по осям, перпендикулярным оси вращения полого вала, выходы двух других выходных блоков являются выходами по двум компонентам кажущегося ускорения подвижного объекта по тем же осям, дополнительно введены две пары балок и два обода, дополнительная пара балок для гироскопа по форме аналогична уже имеющимся и установлена на валу перпендикулярно уже имеющимся таким образом, что продольные оси всех четырех балок лежат в одной плоскости, а более узкие стороны дополнительных балок лежат в плоскости, перпендикулярной оси вращения, с балками гироскопа жестко соединен обод, представляющий собой полый цилиндр, по высоте равный ширине балки, дополнительная пара балок для акселерометра по форме аналогична уже имеющимся и установлена на валу параллельно-последовательно уже имеющимся на расстоянии, равном ширине балки, расположение волокон в них аналогично уже имеющимся, с балками акселерометра жестко соединен обод, представляющий собой полый цилиндр, по высоте равный трехкратной ширине балки.SUMMARY OF THE INVENTION The problem is solved due to the fact that in an inertial measuring device containing a gyroscope and accelerometer mounted on a hollow shaft that has ball bearings, a synchronous motor rotor, an optical position sensor raster mounted on a hollow shaft, a synchronous motor stator, an emitter and an optical light detector position sensors mounted on the instrument body, the sensitive elements of the gyroscope and accelerometer are pairs of beams of rectangular cross section, the width of which is significantly wider f heights attached to the shaft perpendicular to the axis of rotation so that for the gyroscope, the wider side of the beam lies in a plane perpendicular to the axis of rotation of the shaft, and for the accelerometer, the narrower side of the beam lies in the plane perpendicular to the axis of rotation of the shaft, with sensitive elements of the gyroscope, the accelerometer and the hollow shaft are connected to each other the contours of the optical fibers so that for a gyroscope the contours of the optical fibers pass inside the hollow shaft before and after intersecting with the beams of the gyroscope, where the contours the optical fibers are laid in coils one along the upper surface of one of the beams, and the other along the lower surface of the same beam, on the other beam the optical fiber laid along the upper surface of the first beam is laid along the lower surface of the second beam, and the optical fiber laid along the lower surface of the first beam is laid along the upper surface of the second beam, and for the accelerometer, the optical fiber circuits pass inside the hollow shaft before and after crossing the accelerometer beams, where the optical fiber circuits are laid one along the front surface of a pair of beams, and the other along the rear surface, in each circuit one end is connected to a beam splitter, which is an optical receiver located opposite the emitting surface of the LED, the second ends of the circuits are paired with an adder of light and are located on the end of the hollow shaft opposite each of which two photodetectors mounted on the housing so that each of them together with an LED, a beam splitter, a corresponding fiber circuit, a light combiner of the Mach-Zehnder interferometer, one interferometer corresponds to a gyroscope, the second interferometer corresponds to an accelerometer, the output of each photodetector is connected to the inputs of the first and second blocks, including an amplifier and a filter, the outputs of these blocks are connected to the first inputs of the first and second phase demodulators, respectively, the second input of the first the phase demodulator is connected to the output of the optical position sensor with a zero initial phase shift, the second input of the second phase demodulator is connected to the output of the optical sensor positions with an initial phase shift of 90 °, the outputs of four phase demodulators are connected to the inputs of four output blocks containing an amplifier and a filter, the outputs of two of them are outputs of an inertial measuring device along two components of the absolute angular velocity of a moving object along axes perpendicular to the axis of rotation hollow shaft, the outputs of two other output units are outputs for two components of the apparent acceleration of the moving object along the same axes, two pairs of beams and two rims are additionally introduced, d an additional pair of beams for the gyroscope is similar in shape to the already existing ones and is mounted on the shaft perpendicular to the existing one so that the longitudinal axes of all four beams lie in one plane, and the narrower sides of the additional beams lie in a plane perpendicular to the axis of rotation with the gyro beams rigidly connected the rim, which is a hollow cylinder, equal in height to the width of the beam, an additional pair of beams for the accelerometer is similar in shape to the existing ones and is mounted on the shaft in parallel-sequentially already to consenting distance equal to the width of the beam, the arrangement of fibers in them is similar to existing, accelerometer beams are rigidly connected to the rim, which is a hollow cylinder the height equal to three times the width of the beam.

На фиг.1 представлена кинематическая схема инерциального измерительного прибора. На фиг.2 представлена функциональная схема интерферометра Маха-Цендера. На фиг.3 представлена кинематическая схема гироскопа. На фиг.4 представлена кинематическая схема акселерометра. На фиг.5 представлена функциональная схема устройства обработки сигналов гироскопа и акселерометра. На фиг.6 представлена схема связи между системой координат, связанной с подвижным объектом, и системой координат, связанной с ободом гироскопа. На фиг.7 представлена схема связи между системой координат, связанной с подвижным объектом, и системой координат, связанной с ободом акселерометра. На фиг.8 представлен график угловой скорости объекта по оси Oξ, задаваемой при математическом моделировании. На фиг.9 представлен график угловой скорости объекта по оси Oη, задаваемой при математическом моделировании. На фиг.10 представлен график изменения угла поворота ободов гироскопа α₁, определяемый при математическом моделировании. На фиг.11 представлен график изменения угла поворота балок гироскопа в наиболее близком аналоге α₁₁, определяемой при математическом моделировании. На фиг.12 представлен график изменения выходного сигнала прибора, определяемого при математическом моделировании, соответствующего оценке угловой скорости объекта по оси Oξ. На фиг.13 представлен график изменения выходного сигнала прибора, определяемого при математическом моделировании, соответствующего оценке угловой скорости объекта по оси Oη. На фиг.14 представлен график ускорения поступательного движения объекта по оси Oξ, задаваемого при математическом моделировании. На фиг.15 представлен график ускорения поступательного движения объекта по оси Oη, задаваемого при математическом моделировании. На фиг.16 представлен график смещения Δx центра системы координат, связанной с ободом относительно центра системы координат, связанной с валом, определяемого при математическом моделировании. На фиг.17 представлен график смещения Δx₃ центра системы координат, связанной с концами балок акселерометра в наиболее близком аналоге относительно центра системы координат, связанной с валом, определяемого при математическом моделировании. На фиг.18 представлен график изменения выходного сигнала прибора, соответствующего оценке ускорения поступательного движения объекта по оси Oξ, определяемого при математическом моделировании. На фиг.19 представлен график изменения выходного сигнала прибора, соответствующего оценке ускорения поступательного движения объекта по оси Oη, определяемого при математическом моделировании.Figure 1 presents the kinematic diagram of an inertial measuring device. Figure 2 presents the functional diagram of the Mach-Zehnder interferometer. Figure 3 presents the kinematic diagram of the gyroscope. Figure 4 presents the kinematic diagram of the accelerometer. Figure 5 presents the functional diagram of the signal processing device of the gyroscope and accelerometer. Figure 6 presents the communication scheme between the coordinate system associated with the moving object, and the coordinate system associated with the rim of the gyroscope. Fig. 7 shows a connection diagram between a coordinate system associated with a moving object and a coordinate system associated with an accelerometer rim. On Fig presents a graph of the angular velocity of the object along the axis Oξ, set during mathematical modeling. In Fig.9 presents a graph of the angular velocity of the object along the axis Oη, set during mathematical modeling. Figure 10 presents a graph of the change in the angle of rotation of the rims of the gyroscope α ₁ , determined by mathematical modeling. Figure 11 presents a graph of the change in the angle of rotation of the beams of the gyroscope in the closest analogue of α ₁₁ , determined by mathematical modeling. On Fig presents a graph of the output signal of the device, determined by mathematical modeling, corresponding to the assessment of the angular velocity of the object along the axis Oξ. On Fig presents a graph of the output signal of the device, determined by mathematical modeling, corresponding to the assessment of the angular velocity of the object along the axis Oη. On Fig presents a graph of the acceleration of the translational movement of the object along the axis Oξ specified in mathematical modeling. On Fig presents a graph of the acceleration of the translational motion of the object along the axis Oη, set during mathematical modeling. On Fig presents a graph of the displacement Δx of the center of the coordinate system associated with the rim relative to the center of the coordinate system associated with the shaft, determined by mathematical modeling. On Fig presents a graph of the displacement Δx _{3 the} center of the coordinate system associated with the ends of the beams of the accelerometer in the closest analogue relative to the center of the coordinate system associated with the shaft, determined by mathematical modeling. On Fig presents a graph of the output signal of the device corresponding to the assessment of the acceleration of the translational movement of the object along the axis Oξ, determined by mathematical modeling. On Fig presents a graph of the output signal of the device corresponding to the assessment of the acceleration of the translational movement of the object along the axis Oη, determined by mathematical modeling.

Позицией 1 обозначен синхронный электрический двигатель, ротор которого установлен на полом валу 2, имеющем свободу вращения вокруг нормальной оси подвижного объекта, обеспечиваемую конструктивно через посредство шарикоподшипниковых опор 3, наружные кольца которых закреплены на корпусе 4 подвижного объекта. На валу 2 жестко закреплены балки 5, 6 гироскопа и балки 7 акселерометра в виде диполя, балки 5 гироскопа и 7 акселерометра параллельны оси Oy, а балки 6 гироскопа параллельны оси Ox. К балкам гироскопа и акселерометра присоединены по одному ободу цилиндрической формы 8 и 9 соответственно. Балки 5, 6 и обод 8 образуют гироскоп, а нижние и верхние балки 7 и обод 9 - акселерометр. Сквозь вал 2 и балки 5 гироскопа проходят контуры 10, 11 световолокна, а сквозь вал 2 и балки 7 акселерометра - контуры 12, 13 световолокна. На валу также установлены светоделитель 14, сумматор света 15 и растр оптического датчика положения 16, представляющий собой диск с последовательностью прозрачных и непрозрачных радиальных полос. Для съема информации с ИИП используются два интерферометра Маха-Цендера, один из них, состоящий из светоделителя 14, сумматора света 15, световолокон 10, 11, расположенных на вращающейся части, а также из светодиода 17, линзы 18 и детектирующей схемы 19, расположенных на корпусе, используется для съема информации с гироскопа. Второй, состоящий из элементов 14, 15, 12, 13, 17, 18, 19, используется для съема информации с акселерометра. Для измерения угла φ поворота вала относительно основания на корпусе установлены излучатель 20 и светоприемник 21 оптического датчика положения вала, между которыми расположен растр 16 оптического датчика положения вала. Позициями 22 и 23 обозначены верх и низ полого вала 2, соответственно. Позициями 24 и 25 обозначены верхняя и нижняя поверхности балки 5 гироскопа, соответственно. Позициями 26 и 27 обозначены правая и левая часть балки 5 гироскопа, соответственно. Позицией 28 обозначено направление прохождения выходного луча. Позициями 29 и 30 обозначены ближняя и дальняя поверхности балки 7 акселерометра, соответственно. Позициями 31 и 32 обозначены левая и правая часть балки акселерометра, соответственно. В устройство обработки сигналов входят: блок 33, объединяющий усилитель и фильтр, подключенный к гироскопу, блок 34, объединяющий усилитель и фильтр, подключенный к акселерометру, демодуляторы 35, 36, 37, 38 и блоки 39, 40, 41, 42, объединяющие усилители с фильтрами.Position 1 denotes a synchronous electric motor, the rotor of which is mounted on a hollow shaft 2 having freedom of rotation around the normal axis of the moving object, which is provided constructively through ball-bearing bearings 3, the outer rings of which are fixed to the housing 4 of the moving object. The beams 5, 6 of the gyroscope and the beams 7 of the accelerometer in the form of a dipole are rigidly fixed to the shaft 2, the beams 5 of the gyroscope and 7 of the accelerometer are parallel to the Oy axis, and the beams 6 of the gyroscope are parallel to the Ox axis. To the beams of the gyroscope and accelerometer are attached one rim of a cylindrical shape 8 and 9, respectively. Beams 5, 6 and rim 8 form a gyroscope, and the lower and upper beams 7 and rim 9 form an accelerometer. Through the shaft 2 and beam 5 of the gyroscope pass the circuits 10, 11 of the optical fiber, and through the shaft 2 and beam 7 of the accelerometer - the circuits 12, 13 of the optical fiber. A beam splitter 14, a light combiner 15 and a raster of the optical position sensor 16, which is a disk with a sequence of transparent and opaque radial bands, are also installed on the shaft. To extract information from the IIP, two Mach-Zehnder interferometers are used, one of them consisting of a beam splitter 14, a light combiner 15, optical fibers 10, 11 located on the rotating part, and also from the LED 17, lens 18, and detection circuit 19 located on case, used to retrieve information from the gyroscope. The second, consisting of elements 14, 15, 12, 13, 17, 18, 19, is used to retrieve information from the accelerometer. To measure the angle φ of rotation of the shaft relative to the base, a radiator 20 and a light receiver 21 of the optical shaft position sensor are installed on the housing, between which a raster 16 of the optical shaft position sensor is located. Positions 22 and 23 indicate the top and bottom of the hollow shaft 2, respectively. Positions 24 and 25 indicate the upper and lower surfaces of the beam 5 of the gyroscope, respectively. Positions 26 and 27 indicate the right and left side of the beam 5 of the gyroscope, respectively. Position 28 indicates the direction of passage of the output beam. Positions 29 and 30 indicate the near and far surfaces of the beam 7 of the accelerometer, respectively. Positions 31 and 32 indicate the left and right side of the accelerometer beam, respectively. The signal processing device includes: block 33, combining an amplifier and a filter connected to a gyroscope, block 34, combining an amplifier and a filter connected to an accelerometer, demodulators 35, 36, 37, 38 and blocks 39, 40, 41, 42, combining amplifiers with filters.

Приняты следующие обозначения: Oξηζ - система координат, связанная с подвижным объектом, причем ось Oη параллельна продольной оси подвижного объекта, ось Oζ параллельна нормальной оси подвижного объекта, а Oξ - параллельна поперечной оси подвижного объекта. O₁x₁y₁z₁ - система координат, связанная с ободом гироскопа. Балки гироскопа, содержащие контуры световолокон, совпадают с осью O₁y₁. Балки гироскопа, не содержащие контуры световолокон, совпадают с осью O₁x₁. Ось O₁z₁ совпадает с осью вращения вала. Ox₂y₂z₂ - система координат, связанная с ободом акселерометра. Балки акселерометра совпадают с осью О₂y₂. Ось O₂z₂ совпадает с осью вращения вала. Ось O₂x₂ перпендикулярна балкам и оси вращения вала. Вал с балками имеет возможность поворота на угол φ относительно корпуса подвижного объекта с угловой скоростью

, задаваемой с помощью электропривода, φ_ξ, ω_η, ω_ζ - компоненты абсолютной угловой скорости вращения подвижного объекта, W_ξ, W_η, W_ζ - компоненты кажущегося ускорения точки О.The following notation is adopted: Oξηζ is the coordinate system associated with the moving object, the Oη axis being parallel to the longitudinal axis of the moving object, the Oζ axis parallel to the normal axis of the moving object, and Oξ parallel to the transverse axis of the moving object. O ₁ x ₁ y ₁ z ₁ is the coordinate system associated with the rim of the gyroscope. The gyro beams containing the contours of the optical fibers coincide with the axis O ₁ y ₁ . The gyro beams that do not contain the contours of the optical fibers coincide with the axis O ₁ x ₁ . The axis O ₁ z ₁ coincides with the axis of rotation of the shaft. Ox ₂ y ₂ z ₂ is the coordinate system associated with the rim of the accelerometer. The beams of the accelerometer coincide with the axis O ₂ y ₂ . The axis O ₂ z ₂ coincides with the axis of rotation of the shaft. The axis O ₂ x _{2 is} perpendicular to the beams and the axis of rotation of the shaft. A shaft with beams has the ability to rotate an angle φ relative to the body of a moving object with an angular speed

defined by an electric drive, φ _ξ , ω _η , ω _ζ are components of the absolute angular velocity of rotation of a moving object, W _ξ , W _η , W _ζ are components of the apparent acceleration of point O.

Инерциальный измерительный прибор устанавливается на борту подвижного объекта как можно ближе к центру масс. В процессе работы полый вал 2 вращается вокруг оси Oz с частотой 100...250 Гц.An inertial measuring device is installed on board a moving object as close to the center of mass as possible. In the process, the hollow shaft 2 rotates around the Oz axis with a frequency of 100 ... 250 Hz.

На фиг.1 представлена кинематическая схема ИИП. Работа ИИП происходит следующим образом. Синхронный двигатель 1 вращает вал 2 и балки 5, 6, 7 со всеми закрепленными на них элементами вокруг собственной оси вращения. Свет передается от светодиода 17 через светоделитель 15 в контуры световолокна 11, 12, 13, 14. Лучи, пройдя по волоконным дорожкам сквозь вал и пары балок 5 и 6, попадают на сумматор 16, откуда через линзу 18 на детектирующую схему 19.Figure 1 presents the kinematic diagram of the IIP. Work IIP is as follows. The synchronous motor 1 rotates the shaft 2 and the beams 5, 6, 7 with all the elements fixed to them around their own axis of rotation. The light is transmitted from the LED 17 through the beam splitter 15 to the circuits of the optical fiber 11, 12, 13, 14. The rays, passing along the fiber paths through the shaft and pairs of beams 5 and 6, enter the adder 16, from where through the lens 18 to the detection circuit 19.

При действии на прибор входной угловой скорости, перпендикулярной оси вращения прибора, на балки 5, 6 и обод 8 начинает действовать гироскопический момент, который приводит к изгибу балок 5 гироскопа в плоскости Oy₁z₁ и кручению балок 6 вокруг оси Oy₁.Повороту обода 8 вокруг оси Oy (и соответственно кручению балок 5) препятствуют балки 7. Контуры световолокон 10, 11, проложенные вдоль верха 24 и низа 25 внешней поверхности балок 5, удлиняются и укорачиваются соответственно при изгибе балок 5. Удлинение или укорачивание внешних поверхностей вызывает аналогичное изменение световолокон. Появляющаяся при этом разность длин оптических путей Δb приводит к сдвигу интерференционной картины, регистрирующемуся детектирующей схемой 19.When the input angular velocity perpendicular to the axis of rotation of the device acts on the device, the gyroscopic moment begins to act on the beams 5, 6 and rim 8, which leads to the bending of the gyroscope beams 5 in the Oy ₁ z ₁ plane and twisting of the beams 6 around the Oy ₁ axis. 8 around the Oy axis (and accordingly the torsion of the beams 5), the beams 7 prevent them. The contours of the optical fibers 10, 11, laid along the top 24 and bottom 25 of the outer surface of the beams 5, lengthen and shorten accordingly when the beams 5 are bent. Elongation or shortening of the outer surfaces causes logical change of optical fibers. The resulting difference in the optical path lengths Δb leads to a shift in the interference pattern recorded by the detecting circuit 19.

Уравнение движения обода гироскопа имеет вид:The equation of motion of the gyroscope rim has the form:

где α₁, φ - углы поворотов осей системы координат O₁x₁y₁z₁, связанной с ободом гироскопа, относительно системы координат Oξηξ, связанной с корпусом прибора; J_x1, J_y1, J_z1 - моменты инерции обода 8 и балок 5, 6 относительно осей O₁x₁, O₁y₁, O₁z₁; k - коэффициенты жесткости балок 5, 6 при поворотах обода 8 на угол α₁ относительно оси O₁x₁; n₁ - коэффициент демпфирования угловых колебаний обода 8 вокруг оси O₁x₁; φ - угол поворота вала вокруг оси Oξ;

- угловая скорость вращения вала вокруг оси Oξ.where α ₁ , φ are the angles of rotation of the axes of the coordinate system O ₁ x ₁ y ₁ z ₁ associated with the rim of the gyroscope, relative to the coordinate system Oξηξ, associated with the body of the device; J _x1 , J _y1 , J _z1 - moments of inertia of the rim 8 and

beams

5, 6 relative to the axes O ₁ x ₁ , O ₁ y ₁ , O ₁ z ₁ ; k are the stiffness coefficients of the

beams

5, 6 when the rim 8 is rotated through an angle α ₁ relative to the axis O ₁ x ₁ ; n ₁ - damping coefficient of angular oscillations of the rim 8 around the axis O ₁ x ₁ ; φ is the angle of rotation of the shaft about the axis Oξ;

- the angular velocity of rotation of the shaft around the axis Oξ.

При действии на прибор линейного ускорения по оси O₂x₂, перпендикулярной оси вращения прибора, на балки 7 и обод 9 акселерометра начинает действовать сила инерции, которая приводит к изгибу балок 7 акселерометра. Угловая скорость, действующая на прибор в плоскости, перпендикулярной оси вращения, приводит к появлению гироскопического момента, стремящегося совместить ось вращения обода с вектором угловой скорости. С целью устранения этого эффекта и вводят дополнительную пару балок 7. Контуры световолокон 12, 13, проложенные вдоль ближней 29 и дальней 30 поверхности балок 7, удлиняются и укорачиваются соответственно при изгибе балок 7. Удлинение или укорачивание внешних поверхностей вызывает аналогичное изменение световолокон. Появляющаяся при этом разность оптических путей Δb приводит к сдвигу интерференционной картины, регистрирующемуся детектирующей схемой 19.When linear acceleration is applied to the device along the O ₂ x ₂ axis perpendicular to the axis of rotation of the device, inertia begins to act on the beams 7 and the rim 9 of the accelerometer, which leads to the bending of the beams 7 of the accelerometer. The angular velocity acting on the device in a plane perpendicular to the axis of rotation leads to the appearance of a gyroscopic moment tending to combine the axis of rotation of the rim with the angular velocity vector. In order to eliminate this effect, an additional pair of beams is introduced 7. The contours of the optical fibers 12, 13, laid along the near 29 and far 30 of the surface of the beams 7, are extended and shortened accordingly when the beams 7 are bent. Elongation or shortening of the external surfaces causes a similar change in the optical fibers. The difference in optical paths Δb that appears in this case leads to a shift in the interference pattern recorded by the detection circuit 19.

Уравнение движения обода акселерометра имеет вид:The equation of motion of the rim of the accelerometer is:

где Δx₂ - перемещение обода 9 акселерометра вдоль оси О₂x₂; m - масса обода 9 и балок 7 акселерометра; k_∂ - коэффициент демпфирования линейного перемещения обода 9 акселерометра; k_акс - коэффициент жесткости балок 7 при линейном перемещении обода.where Δx ₂ is the movement of the rim 9 of the accelerometer along the axis O ₂ x ₂ ; m is the mass of the rim 9 and beams 7 of the accelerometer; k _∂ - damping coefficient of linear displacement of the rim 9 of the accelerometer; k _ax - the stiffness coefficient of the beams 7 with linear movement of the rim.

На фиг.2 показан модифицированный интерферометр Маха-Цендера. Свет от светодиода 17 попадает на светоделитель 14, где делится на два луча, которые, пройдя по световолокнам 10, 11, 12, 13, попадают на сумматор света 16 и на выход 28, где регистрируются детектирующей схемой 19. Разность оптических путей, пройденных лучами, приводит к появлению фазового сдвига, который регистрируется на выходе 28. В этой конфигурации не требуется полупрозрачных зеркал или отражающих зеркал. Фазовый сдвиг изменяется по формуле (3) [3] прямо пропорционально разности длин путей, появляющейся при действии на прибор угловой скорости или линейного ускорения по осям, ортогональным оси вращения вала.Figure 2 shows a modified Mach-Zehnder interferometer. The light from the LED 17 enters the beam splitter 14, where it is divided into two beams, which, passing through the optical fibers 10, 11, 12, 13, pass to the light adder 16 and to the output 28, where they are detected by the detection circuit 19. The difference of the optical paths traveled by the rays , leads to the appearance of a phase shift, which is recorded at the output 28. In this configuration, translucent mirrors or reflective mirrors are not required. The phase shift varies according to formula (3) [3] in direct proportion to the path length difference that appears when the device is subjected to angular velocity or linear acceleration along axes orthogonal to the axis of rotation of the shaft.

где ΔΨ - фазовый сдвиг; Δb - разность оптических путей лучей; λ - длина волны света, проходящего через световолокна.where ΔΨ is the phase shift; Δb is the difference of the optical paths of the rays; λ is the wavelength of light passing through the optical fiber.

Из формулы (3) видно, что чувствительность интерферометра может быть изменена двумя способами:From formula (3) it can be seen that the sensitivity of the interferometer can be changed in two ways:

1) Изменением длины волны света λ;1) By changing the wavelength of light λ;

2) Изменением числа витков световолокна.2) By changing the number of turns of the optical fiber.

На фиг.3 показана конструкция гироскопа с внесенными изменениями с целью повышения точности и снижения чувствительности к вибрациям и моментам кручения вокруг балок. Свет от светодиода 17 поступает на светоделитель 14, где разделяется на два луча, которые поступают в световолокна 10, 11. Контур световолокна 10 проходит внутри полого вала 2 до пересечения с балкой 5, где выходит вдоль верха внешней поверхности 24 правой части 26 балки 5, возвращается обратно к валу, выходит вдоль низа 26 внешней поверхности левой части 28 балки 5, возвращается обратно к валу. Пройдя балку 5, контур световолокна 10 проходит вдоль полого вала 2 до сумматора света 15. Контур световолокна 11 проходит внутри полого вала 2 до пересечения с балкой 5, где делает виток вдоль низа 25 внешней поверхности правой части 26 балки 5, а затем вдоль верха 24 внешней поверхности левой части балки 5. После этого контур световолокна 11, пройдя вдоль полого вала 2, попадает на сумматор света 15. В нижней части 23 вала 2 разница оптических путей двух лучей приводит к сдвигу интерференционной картины, который регистрируется детектирующей схемой 19. При действии на прибор входной угловой скорости, перпендикулярной оси вращения прибора, на балки 5, 6 и обод 8 начинает действовать гироскопический момент, который приводит к изгибу балок 5 гироскопа в плоскости Oy₁z₁ и кручению балок 6 вокруг оси Ox₁. Повороту обода 8 вокруг оси Oy₁ (и соответственно кручению балок 5) препятствуют балки 6. Контуры световолокон 10, 11, проложенные вдоль верха 24 и низа 25 внешней поверхности балок 5, удлиняются и укорачиваются, соответственно, при изгибе балок 5. Удлинение или укорачивание внешних поверхностей вызывает аналогичное изменение световолокон. Появляющаяся при этом разность оптических путей Δb приводит к сдвигу интерференционной картины, регистрирующемуся детектирующей схемой 19.Figure 3 shows the design of the gyroscope as amended in order to increase accuracy and reduce sensitivity to vibrations and torsion moments around the beams. The light from the LED 17 enters the beam splitter 14, where it is divided into two beams that enter the fiber 10, 11. The circuit of the fiber 10 passes inside the hollow shaft 2 to the intersection with the beam 5, where it goes along the top of the outer surface 24 of the right side 26 of the beam 5, returns to the shaft, goes along the bottom 26 of the outer surface of the left side 28 of the beam 5, returns to the shaft. Having passed beam 5, the fiber circuit 10 passes along the hollow shaft 2 to the light adder 15. The fiber circuit 11 passes inside the hollow shaft 2 to the intersection with beam 5, where it makes a coil along the bottom 25 of the outer surface of the right side 26 of beam 5, and then along the top 24 the outer surface of the left side of the beam 5. After that, the fiber circuit 11, passing along the hollow shaft 2, enters the light adder 15. In the lower part 23 of the shaft 2, the difference in the optical paths of the two beams leads to a shift in the interference pattern, which is detected by the detection circuit 19. When the action of the input angular velocity perpendicular to the axis of rotation of the device on the beams 5, 6 and rim 8, a gyroscopic moment begins to act, which leads to the bending of the gyroscope beams 5 in the Oy ₁ z ₁ plane and torsion of the beams 6 around the Ox ₁ axis. The rotation of the rim 8 around the axis Oy ₁ (and, accordingly, the torsion of the beams 5) is prevented by the beams 6. The contours of the optical fibers 10, 11, laid along the top 24 and bottom 25 of the outer surface of the beams 5, are elongated and shortened, respectively, when the beams are bent 5. Lengthening or shortening external surfaces causes a similar change in optical fibers. The difference in optical paths Δb that appears in this case leads to a shift in the interference pattern recorded by the detection circuit 19.

На фиг.4 показана конструкция акселерометра. Свет от светодиода 17 поступает на светоделитель 14, где разделяется на два луча, которые поступают в световолокна 12, 13. Контур световолокна 12 уложен внутри полого вала 2 до пересечения с балками 7, где делает виток вдоль дальней поверхности 30 сначала правой 32, а затем левой 31 стороны балок 7. Затем, будучи уложенным вдоль вала 2 до пересечения с балками 7, контур световолокна 12 получает размещение, которое аналогично размещению в первых балках 7. После этого контур световолокна 12 расположен вдоль полого вала 2 до сумматора света 15. Контур световолокна 13 уложен внутри полого вала 2 до пересечения с балками 7, где делает виток вдоль ближней поверхности 29 сначала правой части 32, а затем левой части 31 балок 7. Затем, будучи уложенным вдоль вала 2 до пересечения со вторыми балками 7, контур световолокна 13 получает размещение, которое аналогично размещению в первых балках 7. После этого контур световолокна 13 расположен вдоль полого вала 2 до сумматора света 15. Лучи, пройдя световолокна 12 и 13, интерферируют в сумматоре света 15. В нижней части 23 вала 2 разница оптических путей двух лучей приводит к сдвигу интерференционной картины, который регистрируется детектирующей схемой 19. При действии на прибор линейного ускорения по оси, перпендикулярной оси вращения прибора, на балки 7 и обода 9 акселерометра начинает действовать сила инерции, которая приводит к изгибу балок 7 акселерометра. Угловая скорость, действующая на прибор в плоскости, перпендикулярной оси вращения, приводит к появлению гироскопического момента, стремящегося совместить ось вращения обода с вектором угловой скорости. С целью устранения этого эффекта и вводят дополнительную пару балок 7, соединенных с уже имеющейся парой балок 7 ободом 9. Контуры световолокон 12, 13, проложенные вдоль ближней 29 и дальней 30 поверхности балок 7, удлиняются и укорачиваются соответственно при изгибе балок 7. Появляющаяся при этом разность оптических путей Δb приводит к сдвигу интерференционной картины, регистрирующемуся детектирующей схемой 19.Figure 4 shows the design of the accelerometer. The light from the LED 17 enters the beam splitter 14, where it is divided into two beams that enter the optical fiber 12, 13. The outline of the optical fiber 12 is laid inside the hollow shaft 2 until it intersects with the beams 7, where it makes a turn along the far surface 30, first right 32, and then the left 31 side of the beams 7. Then, being laid along the shaft 2 to the intersection with the beams 7, the fiber circuit 12 receives an arrangement that is similar to the placement in the first beams 7. After that, the fiber circuit 12 is located along the hollow shaft 2 to the light adder 15. The fiber circuit KNA 13 is laid inside the hollow shaft 2 to the intersection with the beams 7, where it makes a turn along the proximal surface 29, first of the right side 32 and then the left part 31 of the beams 7. Then, being laid along the shaft 2 until it intersects with the second beams 7, the fiber optic circuit 13 gets a placement that is similar to the placement in the first beams 7. After that, the fiber optic circuit 13 is located along the hollow shaft 2 to the light adder 15. The rays, passing the optical fiber 12 and 13, interfere in the light adder 15. In the lower part of the shaft 2, the optical path difference is two rays leads to c ISAP interference pattern which is detected by the detecting circuit 19. The action of the device on a linear acceleration along the axis perpendicular to the axis of rotation of the device on the beam 7 and a rim 9 accelerometer inertial force begins to act, which leads to the bending beams 7 accelerometer. The angular velocity acting on the device in a plane perpendicular to the axis of rotation leads to the appearance of a gyroscopic moment tending to combine the axis of rotation of the rim with the angular velocity vector. In order to eliminate this effect, an additional pair of beams 7 is introduced, connected to the already existing pair of beams 7 by the rim 9. The contours of the optical fibers 12, 13, laid along the near 29 and far 30 surfaces of the beams 7, are extended and shortened accordingly when the beams 7 are bent. this difference of the optical paths Δb leads to a shift in the interference pattern recorded by the detection circuit 19.

Фиг.5 иллюстрирует процесс детектирования и выделения сигналов по угловой скорости и линейному ускорению. Выходной сигнал гироскопа проходит через блок 33, откуда в нужной форме поступает на демодуляторы 35, 36. Демодулятор 35 выбирает некоторое положение вала, принимает его за начало отсчета (0°) и фиксирует выбранную позицию вдоль инерциальной ξ-оси. Демодулятор 36 выбирает ортогонально направленную η-ось. Затем сигналы проходят через блоки 39, 40 и на выходе имеем две компоненты угловой скорости. Подобным образом снимаются показания акселерометра, где для получения двух компонент ускорения сигнал проходит через блок 34, демодуляторы 37, 38 и блоки 41, 42.Figure 5 illustrates the process of detecting and extracting signals by angular velocity and linear acceleration. The output signal of the gyroscope passes through block 33, from where it is supplied to the demodulators 35, 36 in the necessary form. The demodulator 35 selects a certain position of the shaft, takes it as the reference point (0 °), and fixes the selected position along the inertial ξ axis. The demodulator 36 selects an orthogonally directed η axis. Then the signals pass through blocks 39, 40 and at the output we have two angular velocity components. The accelerometer readings are taken in a similar way, where, to obtain two acceleration components, the signal passes through block 34, demodulators 37, 38 and blocks 41, 42.

Сигналы с датчиков по вышеописанной схеме поступают на устройство обработки сигналов, с которого выдается оценка абсолютной угловой скорости

,

и кажущегося ускорения

,

в системе координат, связанной с прибором.The signals from the sensors according to the above scheme are fed to a signal processing device from which an absolute angular velocity estimate is issued

,

and apparent acceleration

,

in the coordinate system associated with the device.

При вращении вала с гироскопа поступает сигнал, состоящий из следующих составляющих:When the shaft rotates, a signal is received from the gyroscope, consisting of the following components:

1. Медленно меняющихся составляющих дрейфов гироскопов, которые становятся известными, так как накладываются на угловую скорость вращения платформы и смещают выходной сигнал на некоторую постоянную величину, благодаря чему появляется возможность исключить ее влияние на результаты измерений.1. Slowly changing components of gyroscope drifts, which become known as they are superimposed on the angular velocity of rotation of the platform and shift the output signal by a certain constant value, which makes it possible to exclude its influence on the measurement results.

2. Угловая скорость подвижного объекта - измеряемый сигнал, он накладывается на угловую скорость вращения вала и при постоянной угловой скорости объекта имеет синусоидальную форму, причем максимальное значение эта составляющая сигнала будет иметь при совпадении измерительной оси прибора с угловой скоростью объекта, минимальным ее значение будет при таком повороте платформы, когда измерительная ось будет обратна направлению угловой скорости, и нулевым при таком повороте платформы, при котором угол между измерительной осью и угловой скоростью равен 90°. Благодаря синусоидальному характеру сигнала его легко выделить из прочих составляющих.2. The angular velocity of a moving object is a measured signal, it is superimposed on the angular velocity of rotation of the shaft and at a constant angular velocity of the object has a sinusoidal shape, and this signal component will have a maximum value when the measuring axis of the device coincides with the angular velocity of the object, its minimum value will be such a rotation of the platform, when the measuring axis is opposite to the direction of angular velocity, and zero at such a rotation of the platform, at which the angle between the measuring axis and the angular velocity The axis is 90 °. Due to the sinusoidal nature of the signal, it is easy to distinguish it from other components.

3. Шумовая высокочастотная составляющая дрейфа. Компенсируется лишь частично, так как выделить ее из сигнала гироскопа достаточно сложно.3. Noise high-frequency component of the drift. It is only partially compensated, since it is rather difficult to isolate it from the gyroscope signal.

Работа наиболее близкого аналога описывается следующими уравнениями:The work of the closest analogue is described by the following equations:

где α₁₁ - угол поворота оси системы координат, связанной с концами балок, относительно оси системы координат, связанной с корпусом прибора; J_x2, J_y2, J_z2 - моменты инерции балок относительно осей, связанных с концами балок; k_балх - коэффициенты жесткости балок при изгибе на угол α₁₁; b₁₁ - коэффициент демпфирования угловых колебаний ободов.where α ₁₁ is the angle of rotation of the axis of the coordinate system associated with the ends of the beams, relative to the axis of the coordinate system associated with the body of the device; J _x2 , J _y2 , J _z2 - moments of inertia of the beams relative to the axes associated with the ends of the beams; k _balk - the stiffness coefficients of the beams during bending at an angle of α ₁₁ ; b ₁₁ - damping coefficient of angular vibrations of the rims.

где

- перемещение концов балок акселерометра; m₃ - массы балок акселерометра; k_∂3 - коэффициенты демпфирования линейных перемещений концов балок акселерометра; k_акс3 - коэффициенты жесткости при линейных перемещениях концов балок.Where

- moving the ends of the beams of the accelerometer; m ₃ - masses of beams of the accelerometer; k _∂3 - damping coefficients of linear displacements of the ends of the beams of the accelerometer; k _ax3 - stiffness coefficients for linear movements of the ends of the beams.

Результаты проведенного по уравнениям (1), (2), (4) и (5) моделирования работы предлагаемого устройства и аналога представлены на фиг.8 - фиг.19. Для математического моделирования были заданы:The results carried out according to equations (1), (2), (4) and (5) simulation of the proposed device and its analogue are presented in Fig.8 - Fig.19. For mathematical modeling were given:

- параметры движений:- motion parameters:

- угловая скорость объекта: по оси O_ξ - 1 рад/с, по осям O_η и O_ζ - нулевые;- the angular velocity of the object: along the axis O _ξ - 1 rad / s, along the axes O _η and O _ζ - zero;

- ускорение поступательного движения: по оси O_ξ - 1 м/с², по осям О_η и О_ζ - нулевые;- acceleration of translational motion: along the axis O _ξ - 1 m / s ² , along the axes O _η and O _ζ - zero;

- частота вращения вала с балками, ободами и планками - 150 Гц;- frequency of rotation of the shaft with beams, rims and trims - 150 Hz;

- параметры гироскопа:- gyroscope parameters:

- моменты инерции: J_x1=6.74·10^-5 кг·м², J_y1=6.85·10^-5 кг·м², J_z1=1.39·10^-5 кг·м²;- moments of inertia: J _x1 = 6.74 · 10 ^-5 kg · m ² , J _y1 = 6.85 · 10 ^-5 kg · m ² , J _z1 = 1.39 · 10 ^-5 kg · m ² ;

- коэффициенты жесткости балок: k=28 кг·м²/с²;- the stiffness factors of the beams: k = 28 kg · m ² / s ² ;

- коэффициент демпфирования: n₁=0.12 кг·м²/с;- damping coefficient: n ₁ = 0.12 kg · m ² / s;

- параметры гироскопа в наиболее близком аналоге:- parameters of the gyroscope in the closest analogue:

- моменты инерции: J_x2=2.66·10^-7 кг·м², J_y2=1.07·10^-8 кг·м², J_z2=2.66·10^-7 кг·м²;- moments of inertia: J _x2 = 2.66 · 10 ^-7 kg · m ² , J _y2 = 1.07 · 10 ^-8 kg · m ² , J _z2 = 2.66 · 10 ^-7 kg · m ² ;

- коэффициенты жесткости балок: k_балх=28 кг·м²/с²,- the stiffness factors of the beams: k _balkh = 28 kg · m ² / s ² ,

- параметры акселерометра:- accelerometer parameters:

- масса обода и балок: m=7·10^-3 кг;- mass of the rim and beams: m = 7 · 10 ^-3 kg;

- коэффициент демпфирования: k_∂=15 кг/с;- damping coefficient: k _∂ = 15 kg / s;

- коэффициент жесткости: k_акс=3.93·10⁵ кг/с²;- stiffness coefficient: k _ax = 3.93 · 10 ⁵ kg / s ² ;

- параметры акселерометра в наиболее близком аналоге:- accelerometer parameters in the closest analogue:

- масса балок: m₃=2.8·10^-4 кг;- mass of beams: m ₃ = 2.8 · 10 ^-4 kg;

- коэффициент демпфирования: k_∂3=15 кг/c- damping coefficient: k _∂3 = 15 kg / s

- коэффициент жесткости: k_акс3=3.93·10⁵ кг/с².- stiffness coefficient: k _ax3 = 3.93 · 10 ⁵ kg / s ² .

При постоянной входной угловой скорости и линейном ускорении по оси Oξ и нулевых угловых скоростях и линейных ускорениях по осям Оη и Oζ, прибор будет иметь следующие масштабные коэффициенты:With a constant input angular velocity and linear acceleration along the Oξ axis and zero angular velocities and linear accelerations along the Oη and Oζ axes, the device will have the following scale factors:

а) гироскоп:a) gyroscope:

б) гироскоп в наиболее близком аналоге:b) a gyroscope in the closest analogue:

в) акселерометр:c) accelerometer:

г) акселерометр в наиболее близком аналоге:d) an accelerometer in the closest analogue:

Из формул (7)...(10) видно, что из-за введения дополнительных пар балок и ободов происходит увеличение масштабного коэффициента гироскопа в 3 раза, а акселерометра в 25 раз.From the formulas (7) ... (10) it is seen that due to the introduction of additional pairs of beams and rims, the scale factor of the gyroscope increases by 3 times, and the accelerometer by 25 times.

Таким образом, поставленная задача решена. Чувствительность прибора повышена благодаря использованию дополнительных пар балок гироскопов и акселерометров, а также благодаря введению ободов.Thus, the task is solved. The sensitivity of the device is increased through the use of additional pairs of beams of gyroscopes and accelerometers, as well as through the introduction of rims.

Источники информации:Information sources:

1. Killian Kevin M., Patent USA Number 4900918 Resonant fiber optic accelerometer with noise reduction using a closed loop feedback to vary pathlength.1. Killian Kevin M., Patent USA Number 4900918 Resonant fiber optic accelerometer with noise reduction using a closed loop feedback to vary pathlength.

2. Califano Herbert Т., Patent USA Number 5099690 Fiber-optic gyroscope accelerometer.2. Califano Herbert, T., Patent USA Number 5099690 Fiber-optic gyroscope accelerometer.

3. Яворский Б.М., Селезнев Ю.А. Справочное руководство по физике. - M.: Наука, 1984.3. Yavorsky B.M., Seleznev Yu.A. Physics Reference Guide. - M .: Science, 1984.

Claims

An inertial measuring device including a gyroscope and an accelerometer mounted on a hollow shaft that has ball bearings, a synchronous motor rotor, an optical position sensor raster mounted on a hollow shaft, a synchronous motor stator, an emitter and a light detector of an optical position sensor mounted on the instrument’s body, are sensitive the elements of the gyroscope and accelerometer are pairs of beams of rectangular cross section, the width of which is significantly greater than the height, attached to the shaft perpendicular to rotation axis in such a way that for the gyroscope the wider side of the beam lies in a plane perpendicular to the axis of rotation of the shaft, and for the accelerometer, the narrower side of the beam lies in the plane perpendicular to the axis of rotation of the shaft, isolated from each other are connected to the sensitive elements of the gyroscope, accelerometer and hollow shaft the other optical fiber circuits in such a way that, for a gyroscope, the optical fiber circuits pass inside the hollow shaft before and after intersecting with the gyro beams, where the optical fiber circuits are laid one by one along The surface of one of the beams and the other along the lower surface of the same beam, on the other beam, the fiber laid along the upper surface of the first beam is laid along the lower surface of the second beam, and the fiber laid along the lower surface of the first beam is laid along the upper surface of the second beam and for the accelerometer, the optical fiber circuits pass inside the hollow shaft before and after intersecting with the accelerometer beams, where the optical fiber circuits are laid in turns one along the front surface of a pair of beams, and the other along the rear surface, in each circuit, one end is connected to a beam splitter, which is an optical receiver located opposite the emitting surface of the LED, the second ends of the circuits are paired with an adder of light and are located on the end of the hollow shaft opposite to each of them two photodetectors mounted on the housing so that each of them, together with an LED, a beam splitter, a corresponding fiber circuit, and a light combiner, forms two Mach-Zehnder interferometers, one as an interferometer the meter corresponds to a gyroscope, the second interferometer corresponds to an accelerometer, the output of each photodetector is connected to the inputs of the first and second blocks, including an amplifier and a filter, the outputs of these blocks are connected to the first inputs of the first and second phase demodulators, respectively, the second input of the first phase demodulator is connected to the output of the optical sensor position with a zero initial phase shift, the second input of the second phase demodulator is connected to the output of the optical position sensor with an initial phase shift of 90 °, the outputs of the four phase demodulators are connected to the inputs of four output blocks containing an amplifier and a filter, the outputs of two of them are the outputs of the inertial measuring device along the two components of the absolute angular velocity of the moving object along the axes perpendicular to the axis of rotation of the hollow shaft, the outputs of the other two output blocks are outputs along the two components of the apparent acceleration of the moving object along the same axes, characterized in that two pairs of beams and two rims are additionally introduced, an additional pair of beams for For a gyroscope, it is similar in shape to the existing ones and mounted on the shaft perpendicular to the existing one so that the longitudinal axes of all four beams lie in one plane, and the narrower sides of the additional beams lie in a plane perpendicular to the axis of rotation, the rim is rigidly connected to the gyroscope beams, representing a hollow cylinder equal in height to the beam width, an additional pair of beams for the accelerometer is similar in shape to those already existing and mounted on the shaft in parallel - successively already available at a distance equal to th beam width, the arrangement of fibers in them is similar to existing, with beams rigidly connected to the rim of the accelerometer, which is a hollow cylinder the height equal to three times the width of the beam.