RU2750428C1 - Способ определения угловой скорости с использованием волнового твердотельного гироскопа - Google Patents

Способ определения угловой скорости с использованием волнового твердотельного гироскопа Download PDF

Info

Publication number
RU2750428C1
RU2750428C1 RU2020134137A RU2020134137A RU2750428C1 RU 2750428 C1 RU2750428 C1 RU 2750428C1 RU 2020134137 A RU2020134137 A RU 2020134137A RU 2020134137 A RU2020134137 A RU 2020134137A RU 2750428 C1 RU2750428 C1 RU 2750428C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
resonator
wsg
angular velocity
edge
deformation
Prior art date
Application number
RU2020134137A
Other languages
English (en)
Inventor
Сергей Викторович Соколов
Вадим Алексеевич Погорелов
Андрей Борисович Шаталов
Елена Викторовна Савенкова
Игорь Николаевич Гашененко
Original Assignee
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Российский университет дружбы народов" (РУДН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Российский университет дружбы народов" (РУДН) filed Critical федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Российский университет дружбы народов" (РУДН)
Priority to RU2020134137A priority Critical patent/RU2750428C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2750428C1 publication Critical patent/RU2750428C1/ru

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Gyroscopes (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области точного приборостроения и может быть использовано при создании датчиков угловой скорости на основе волнового твердотельного гироскопа (ВТГ). Способ определения угловой скорости с использованием ВТГ заключается в том, что после измерения чувствительными элементами ВТГ деформации кромки резонатора путем сдвига полученного сигнала измерения на π/2 формируется дополнительный сигнал, на основе измерения которого и с учетом уравнения движения кромки резонатора ВТГ в режиме чувствительности реализуется интегрируемая далее система дифференциальных уравнений оценки параметров движения кромки резонатора ВТГ в виде линейного фильтра Калмана, в котором в качестве наблюдателя вектора состояния используются сигнал измерения деформации кромки резонатора ВТГ и сигнал, полученный масштабированием измерения дополнительного сигнала с коэффициентом, равным частоте ускорения, обусловленного действием элементов возбуждения резонатора ВТГ. Выходом линейного фильтра Калмана является оптимальная в среднеквадратическом оценка амплитуды деформации кромки резонатора ВТГ, пропорциональная угловой скорости основания ВТГ и масштабируемая для ее определения в дискретные моменты времени с последующим формированием искомого значения угловой скорости как результата усреднения промасштабированных значений оценки амплитуды деформации кромки резонатора ВТГ. Технический результат – повышение точности определения угловой скорости объекта с использованием ВТГ для навигационных систем. 1 ил.

Description

Изобретение относится к области точного приборостроения и может быть использовано при создании датчиков угловой скорости на основе волнового твердотельного гироскопа (ВТГ).
Известны способы повышения точности определения угловой скорости с использованием ВТГ на основе определения и последующей алгоритмической компенсации дрейфа ВТГ, заданного детерминированной математической моделью [Патент РФ №2480713 от 27.04.2013; Патент РФ №2619815 от 18.05.2017], или нелинейных искажений выходного сигнала ВТГ, описываемых сложной нелинейной детерминированной математической моделью [Патент РФ №2544308 от 20.05.2015]. Недостатком данных способов является сложность их аппаратной реализации и невозможность учета случайного характера дрейфа ВТГ.
Известны способы определения угловой скорости с использованием ВТГ на основе предварительного определения синфазных и квадратурных составляющих выходного сигнала ВТГ [Патент РФ №2526585 от 27.01.2014; Распопов В.Я. и др. Волновой твердотельный гироскоп с металлическим резонатором. Тула: Изд-во Тульского госуниверситета, 2018. - 189 с. - стр. 137] с использованием при вычислении их амплитуд сложных вычислительных алгоритмов в предположении статического характера ошибки измерения. Недостатком данных способов является сложность их вычислительной и аппаратной реализации и невозможность учета динамического широкополосного характера дрейфа ВТГ.
Наиболее близким по вычислительной и аппаратной реализации к предложенному способу является способ определения угловой скорости с использованием ВТГ, заключающийся в том, что после измерения чувствительными элементами ВТГ деформации кромки резонатора путем сдвига полученного сигнала измерения на π/2 формируется дополнительный сигнал, на основе измерения которого и с учетом уравнения движения кромки резонатора ВТГ в режиме чувствительности реализуется интегрируемая далее система дифференциальных уравнений оценки параметров движения кромки резонатора ВТГ в виде линейного фильтра Калмана, в котором в качестве наблюдателя вектора состояния используется сигнал измерения деформации кромки резонатора ВТГ, а выходом линейного фильтра Калмана является оптимальная в среднеквадратическом оценка амплитуды деформации кромки резонатора ВТГ, пропорциональная угловой скорости основания ВТГ и масштабируемая для ее определения в дискретные моменты времени с последующим формированием искомого значения угловой скорости как результата усреднения промасштабированных значений оценки амплитуды деформации кромки резонатора ВТГ [Патент №2729944 от 12.04.2019]. Недостатком данного способа является отсутствие использования измерения скорости изменения деформации кромки резонатора ВТГ при формировании оценки ее амплитуды на основе линейного фильтра Калмана, что снижает точность оценивания параметров деформации кромки резонатора ВТГ и, следовательно, точность определения угловой скорости объекта.
Заявленное изобретение направлено на решение задачи повышения точности определения угловой скорости объекта с использованием ВТГ. Поставленная задача возникает при разработке датчиков угловой скорости на основе ВТГ для навигационных систем.
Для обеспечения высокой точности определения угловой скорости объекта с использованием ВТГ предлагается способ, заключающийся в том, что после измерения чувствительными элементами ВТГ деформации кромки резонатора путем сдвига полученного сигнала измерения на π/2 формируется дополнительный сигнал, на основе измерения которого и с учетом уравнения движения кромки резонатора ВТГ в режиме чувствительности реализуется интегрируемая далее система дифференциальных уравнений оценки параметров движения кромки резонатора ВТГ в виде линейного фильтра Калмана, в котором в качестве наблюдателя вектора состояния используются сигнал измерения деформации кромки резонатора ВТГ и сигнал, полученный масштабированием измерения дополнительного сигнала с коэффициентом, равным частоте ускорения, обусловленного действием элементов возбуждения резонатора ВТГ, а выходом линейного фильтра Калмана является оптимальная в среднеквадратическом оценка амплитуды деформации кромки резонатора ВТГ, пропорциональная угловой скорости основания ВТГ и масштабируемая для ее определения в дискретные моменты времени с последующим формированием искомого значения угловой скорости как результата усреднения промасштабированных значений оценки амплитуды деформации кромки резонатора ВТГ.
Сущность способа состоит в следующем. Оценка амплитуды деформации кромки резонатора ВТГ х0 и скорости ее изменения x1 производится на основе системы уравнений, представленных в векторной форме Ланжевена [Распопов В.Я. и др. Волновой твердотельный гироскоп с металлическим резонатором. Тула: Изд-во Тульского госуниверситета, 2018. - 189 с. - стр. 177; Патент №2729944 от 12.04.2019]:
Figure 00000001
Figure 00000002
ω - собственная частота резонатора, соответствующая второй форме колебаний, Q - добротность резонатора,
Figure 00000003
- белый гауссовский шум с нулевым средним и известной интенсивностью DW1, Ω - угловая скорость основания, К - коэффициент Брайана (для второй формы колебаний равный 0,4),
Figure 00000004
- амплитуда и частота ускорения, обусловленного действием элементов возбуждения.
В способе, предложенном в [Патент №2729944 от 12.04.2019], для оценки переменных х0 и x1 в качестве сигнала наблюдения вектора
Figure 00000005
используется только измерительный сигнал, снимаемый с выхода чувствительного элемента ВТГ:
Figure 00000006
Figure 00000007
W - белый гауссовский шум с нулевым средним и известной интенсивностью DW⋅ Т.к. в этом случае в явном виде наблюдается только переменная хо, что ухудшает точность оценивания вектора состояния кромки резонатора ВТГ
Figure 00000008
в целом, то в предложенном способе для увеличения наблюдаемости вектора
Figure 00000009
помимо сигнала z в качестве нового сигнала наблюдения z2 используется преобразование сигнала
Figure 00000010
следующим образом. С учетом выражения скорости деформации кромки резонатора
Figure 00000011
измерение z1 преобразуется к измерению z2 переменной x1 путем масштабирования с коэффициентом ν:
Figure 00000012
В этом случае уравнение оценки вектора
Figure 00000013
приобретает вид:
Figure 00000014
Figure 00000015
Figure 00000016
Figure 00000017
где
Figure 00000018
- оценки амплитуды деформации кромки резонатора ВТГ х0 и скорости ее изменения x1, R - апостериорная ковариационная матрица. После формирования оценки
Figure 00000019
амплитуды деформации кромки резонатора ВТГ определение угловой скорости вращения основания ВТГ осуществляется аналогично способу-прототипу [Патент №2729944 от 12.04.2019] (этапы 7, 8 там же).
Таким образом, заявленный способ включает (фиг. 1):
- измерение чувствительными элементами ВТГ амплитуды деформации кромки резонатора (сигнала х) - этап 1,
- формирование дополнительного сигнала х* путем сдвига сигнала х на π/2 - этап 2,
- измерение дополнительного сигнала х* - этап 3,
- формирование уравнения движения кромки резонатора ВТГ в режиме чувствительности в векторной форме Ланжевена с использованием измерения дополнительного сигнала х* - этап 4,
- формирование первого сигнала наблюдения за движением кромки резонатора ВТГ (сигнала измерения амплитуды деформации кромки резонатора х) - этап 5,
- формирование второго сигнала наблюдения за движением кромки резонатора ВТГ (сигнала измерения скорости изменения амплитуды деформации кромки резонатора x1) на основе масштабирования измерения дополнительного сигнала х* - этап 6,
- оценка амплитуды деформации кромки резонатора ВТГ (сигнал
Figure 00000020
) и скорости ее изменения (сигнал
Figure 00000021
) на основе линейного фильтра Калмана - этап 7,
- вычисление в дискретные моменты времени текущих значений
Figure 00000022
на основе полученной оценки сигнала
Figure 00000023
, пропорциональной Ω, - этап 8,
- усреднение текущих дискретных значений
Figure 00000024
и формирование искомого значения угловой скорости вращения основания ВТГ как результата данного усреднения - этап 9.
Таким образом, повышается точность оценки амплитуды кромки резонатора ВТГ за счет использования дополнительного наблюдения скорости ее изменения, что, в свою очередь, обеспечивает повышение точности определения самой угловой скорости основания ВТГ.

Claims (1)

  1. Способ определения угловой скорости с использованием волноводного твердотельного гироскопа (ВТГ), заключающийся в том, что после измерения чувствительными элементами ВТГ деформации кромки резонатора путем сдвига полученного сигнала измерения на π/2 формируется дополнительный сигнал, на основе измерения которого и с учетом уравнения движения кромки резонатора ВТГ в режиме чувствительности реализуется интегрируемая далее система дифференциальных уравнений оценки параметров движения кромки резонатора ВТГ в виде линейного фильтра Калмана, в котором в качестве наблюдателя вектора состояния используется сигнал измерения деформации кромки резонатора ВТГ, а выходом линейного фильтра Калмана является оптимальная в среднеквадратическом оценка амплитуды деформации кромки резонатора ВТГ, пропорциональная угловой скорости основания ВТГ и масштабируемая для ее определения в дискретные моменты времени с последующим формированием искомого значения угловой скорости как результата усреднения промасштабированных значений оценки амплитуды деформации кромки резонатора ВТГ, отличающийся тем, что в состав наблюдателя вектора состояния кромки резонатора ВТГ, используемого в линейном фильтре Калмана, введен новый сигнал наблюдения, полученный масштабированием измерения дополнительного сигнала с коэффициентом, равным частоте ускорения, обусловленного действием элементов возбуждения резонатора ВТГ.
RU2020134137A 2020-10-19 2020-10-19 Способ определения угловой скорости с использованием волнового твердотельного гироскопа RU2750428C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020134137A RU2750428C1 (ru) 2020-10-19 2020-10-19 Способ определения угловой скорости с использованием волнового твердотельного гироскопа

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020134137A RU2750428C1 (ru) 2020-10-19 2020-10-19 Способ определения угловой скорости с использованием волнового твердотельного гироскопа

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2750428C1 true RU2750428C1 (ru) 2021-06-28

Family

ID=76755769

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020134137A RU2750428C1 (ru) 2020-10-19 2020-10-19 Способ определения угловой скорости с использованием волнового твердотельного гироскопа

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2750428C1 (ru)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2164006C2 (ru) * 1999-05-21 2001-03-10 Акционерное общество открытого типа "Московский институт электромеханики и автоматики" Волновой твердотельный гироскоп
US7628069B2 (en) * 2007-10-10 2009-12-08 Northrop Grumman Guidance And Electronics Company, Inc. Closed loop scale factor estimation
RU109851U1 (ru) * 2011-06-02 2011-10-27 Открытое акционерное общество "Пермская научно-производственная приборостроительная компания" Волновой твердотельный гироскоп на основе системы связанных резонаторов с использованием эффекта стоячей волны
RU2580175C1 (ru) * 2014-12-09 2016-04-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) Способ балансировки кварцевого полусферического резонатора волнового твердотельного гироскопа
RU2619815C1 (ru) * 2016-05-12 2017-05-18 Акционерное общество "Ижевский электромеханический завод "Купол" Способ и система компенсации дрейфа твердотельного волнового гироскопа

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2164006C2 (ru) * 1999-05-21 2001-03-10 Акционерное общество открытого типа "Московский институт электромеханики и автоматики" Волновой твердотельный гироскоп
US7628069B2 (en) * 2007-10-10 2009-12-08 Northrop Grumman Guidance And Electronics Company, Inc. Closed loop scale factor estimation
RU109851U1 (ru) * 2011-06-02 2011-10-27 Открытое акционерное общество "Пермская научно-производственная приборостроительная компания" Волновой твердотельный гироскоп на основе системы связанных резонаторов с использованием эффекта стоячей волны
RU2580175C1 (ru) * 2014-12-09 2016-04-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) Способ балансировки кварцевого полусферического резонатора волнового твердотельного гироскопа
RU2619815C1 (ru) * 2016-05-12 2017-05-18 Акционерное общество "Ижевский электромеханический завод "Купол" Способ и система компенсации дрейфа твердотельного волнового гироскопа

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Gadre et al. A complete solution to underwater navigation in the presence of unknown currents based on range measurements from a single location
JP5897608B2 (ja) 測定装置および測定方法
Narasimhappa et al. A modified Sage-Husa adaptive Kalman filter for denoising Fiber Optic Gyroscope signal
Jafari et al. PEM stochastic modeling for MEMS inertial sensors in conventional and redundant IMUs
Marinov et al. Analysis of sensors noise performance using Allan deviation
RU2750428C1 (ru) Способ определения угловой скорости с использованием волнового твердотельного гироскопа
RU2729944C1 (ru) Способ определения угловой скорости с использованием волнового твердотельного гироскопа
Unsal et al. Implementation of identification system for IMUs based on Kalman filtering
Wang et al. Thermal calibration of MEMS inertial sensors for an FPGA-based navigation system
Eichstädt et al. Dynamic measurement and its relation to metrology, mathematical theory and signal processing: A review
Hegazy et al. Mems gyro noise estimation and modeling for precise navigation simulation
Shen et al. Kurtosis-based IMM filter for multiple MEMS gyroscopes fusion
CN110209049B (zh) 一种基于惯性回路的窄带大幅值扰动抑制方法
Marselli et al. Application of Kalman filtering to noise reduction on microsensor signals
Narasimhappa et al. An improved adaptive unscented Kalman Filter for denoising the FOG signal
Altınöz Identification of inertial sensor error parameters
CN107064546B (zh) 一种基于非圆信号频率估计算法的流体速度估计方法
Grecheneva et al. Compensation of the accelerometer errors in solving the problem of kinematic control of dynamic objects
Kolhoff et al. Evaluation of low-cost inertial measurement units for application in high-volume autonomous vehicles
Fedasyuk et al. Analyser and Mathematical Model for Synthesizing Noise of MEMS Gyroscopes
Demkowicz MEMS Gyro in the Context of Inertial Positionning
Ou et al. A modified method of nonlinear attitude estimation based on ekf
US20240087376A1 (en) Method and system for determining operating performance parameters of a device
RU2246121C9 (ru) Способ оценивания параметров траектории источника радиоизлучений в двухпозиционной угломерной радиолокационной системе
RU2327960C2 (ru) Способ измерения момента силы