radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2022-25-4-81-89radioelectronics-664Research ArticleРАДИОЛОКАЦИЯ И РАДИОНАВИГАЦИЯRADAR AND NAVIGATIONАлгоритмы повышения точности твердотельного волнового гироскопаAlgorithms for Increasing the Accuracy of Solid-State Wave Gyroscopeshttps://orcid.org/0000-0003-0207-5703СмирновК. А.SmirnovK. A.

Смирнов Кирилл Андреевич − магистр по направлению "Приборостроение" (2019), инженер 2-й категории

 пр. Трамвайный, д. 16, Санкт-Петербург, 198216

Kirill A. Smirnov, Master of Science on Instrumentation (2019), 2nd category engineer

16, Tram Pr., St Petersburg 198216

kiryasmirnof@gmail.comЗарубайлоЕ. А.ZarubailoE. A.

Зарубайло Екатерина Александровна − магистр по направлению "Приборы и системы ориентации, стабилизации и навигации" (2010), ведущий инженер

пр. Трамвайный, д. 16, Санкт-Петербург, 198216

Ekaterina A. Zarubailo, Master of Science on Devices and systems of orientation, stabilization and navigation (2010), Lead engineer

16, Tram Pr., St Petersburg 198216

zarubaylo_niikp@bk.ruАО "НИИ командных приборов"РоссияJSC Research Institute of Command DevicesRussian Federation2022290920222548189Copyright © Смирнов К.А., Зарубайло Е.А., 20222022Смирнов К.А., Зарубайло Е.А.Smirnov K.A., Zarubailo E.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://re.eltech.ru/jour/article/view/664Введение

Введение. Твердотельный волновой гироскоп (ТВГ) является одним из перспективных датчиков инерциальной информации, применяемых в составе навигационных систем летательных и космических аппаратов. В последнее десятилетие большое внимание уделяется проблеме повышения точности ТВГ. Одним из возможных решений актуальной проблемы повышения точности измерений инерциальных навигационных приборов является применение алгоритмов, что и послужило причиной проведения работы, по результатам которой написана настоящая статья. В АО "НИИ командных приборов" в рамках научно-исследовательской работы разрабатывается датчик угловой скорости (ДУС) компенсационного типа на базе ТВГ с металлическим резонатором цилиндрической формы, электростатической системой возбуждения колебаний и съема информации, с цифровой обратной связью.

Цель работы

Цель работы. Разработать методы повышения точности ТВГ на основании связи между каналами измерения и возбуждения, а также с помощью учета погрешности замыкания обратной связи.

Материалы и методы

Материалы и методы. Для получения информации о выходном сигнале чувствительного элемента использовано быстрое преобразование Фурье. Для управления воздействием на чувствительный элемент применен ПИД-регулятор.

Результаты

Результаты. Разработаны методы повышения точности ДУС на базе ТВГ посредством компенсации погрешностей выходного сигнала. Эксперименты подтвердили корректность работы предложенного метода. В результате применения разработанного алгоритма снижения нестабильности нулевого сигнала скорости среднеквадратическое отклонение этого сигнала в запуске уменьшилось на 76.4 %. В результате применения метода повышения точности с помощью нескомпенсированной составляющей среднеквадратическое отклонение уменьшилось на 69.52 %.

Заключение

Заключение. Результаты экспериментов наглядно демонстрируют возможность значительного улучшения характеристик прибора за счет применения различных математических алгоритмов обработки информации.

Introduction

Introduction. Wave solid-state gyroscopes (SWG) are promising sensors of inertial information used in the navigation systems of air- and spacecrafts. Over the past decade, much attention has been paid to the problem of improving the accuracy of SWGs. The accuracy of measurements performed by inertial navigation instruments can be increased by developing effective algorithms, which fact determines the relevance of the present study. Research works conducted at the JSC Research Institute of Command Instruments are aimed at developing a compensationtype angular velocity sensor (AVS) based on an SWG with a cylindrical metal resonator, an electrostatic system for excitation of oscillations and information readout, with a digital feedback.

Aim

Aim. To develop methods for increasing the accuracy of SWGs based on the connection between the measurement and excitation channels, as well as accounting for the uncompensated component.

Materials and methods

Materials and methods. To obtain information about the output signal of the sensing element (SE), the fast Fourier transform (FFT) method was used. A PID controller was used to control the effect on the sensitive element.

Results

Results. Methods for increasing the accuracy of an SWG-based AVS by means of compensating the output signal errors were proposed, whose correctness was confirmed experimentally. The use of the developed algorithm for reducing the instability of the zero-velocity signal allowed its root-mean-square deviation at startup to be decreased by 76.4 %. The application of the developed method for increasing the accuracy using the uncompensated component led to a decrease in the standard deviation by 69.52 %.

Conclusion

Conclusion. The obtained experimental results demonstrate the possibility of improving SWG characteristics significantly by using various mathematical algorithms for processing information.

твердотельный волновой гироскопобработка сигналакомпенсация уходовsolid-state wave gyroscopesignal processingdrift compensationReferencesLoper E., Lynch D. D. The HRG: a new low-noise Inertial Rotation Sensor // Proc. 16th Joint Services Data Exchange for Inertial Systems, Los Angeles, USA, 16–18 Nov. 1982. P. 432–433.Loper E., Lynch D. D. The HRG: a new lownoise Inertial Rotation Sensor. Proc. 16th Joint Services Data Exchange for Inertial Systems. Los Angeles, USA, 16–18 Nov. 1982, pp. 432–433.Делэйе Ф. Бортовая инерциальная система координат Space Naute® для европейской ракеты-носителя "Ариан–6" на основе волнового твердотельного гироскопа // Гироскопия и навигация. 2018. Т. 26, № 4 (103). С. 3–13. doi: 10.17285/0869-7035.2018.26.4.003-013Delhaye F. Spacenaute® the Hrg Based Inertial Reference System of Ariane 6 European Space Launcher. Gyroscopy and Navigation. 2018, vol. 26, no. 4 (103), pp. 3–13. doi: 10.17285/0869-7035.2018.26.4.003-013 (In Russ.)Переляев С. Е. Обзор и анализ направлений создания бесплатформенных инерциальных навигационных систем на волновых твердотельных гироскопах // Новости навигации. 2018. № 2. С. 21–27.Perelyaev S. Y. Review and Analysis of the Lines of Development of Strapdown Inertial Navigation Systems on the Basis of Hemispherical Resonator Gyroscopes. Navigation News. 2018, no. 2, pp. 21–27. (In Russ.)Шишаков К. В. Системный анализ погрешностей информационного сигнала ТВГ и методов их компенсации // Интеллектуальные системы в производстве. 2012. № 1(19). С. 181–191.Shishakov K. V. System Analysis of Information Signal Errors of Solid Wave Gyro and Methods of Their Compensation. Intellekt. Sist. Proizv. 2012, no. 1(19), pp. 181–191. (In Russ.)Маслов Д. А., Меркурьев И. В. Линеаризация колебаний резонатора волнового твердотельного гироскопа и сил электростатических датчиков управления // Нелинейная динамика. 2017. Т. 3, № 3. С. 413–421. doi: 10.20537/nd1703008Maslov D. A., Merkuryev I. V. The Linearization for Wave Solid-State Gyroscope Resonator Oscillations and Electrostatic Control Sensors Forces. Russian J. of Nonlinear Dynamics. 2017, vol. 3, no. 3, pp. 413–421. doi: 10.20537/nd1703008 (In Russ.)Маслов Д. А., Меркурьев И. В. Компенсация погрешностей волнового твердотельного гироскопа с электростатическими датчиками управления // Инженерный журн.: наука и инновации. 2018. Вып. 9 (81). doi: 10.18698/2308-6033-2018-9-1800Maslov D. A., Merkuryev I. V. Error Correction in Solid-State Wave Gyroscope with Electrostatic Control Sensors. 2018, vol. 9(81). doi: 10.18698/2308-6033-2018-9-1800 (In Russ.)Маслов Д. А. Идентификация и компенсация погрешностей волнового твердотельного гироскопа с электростатическими датчиками управления // Машиностроение и инженерное образование. 2018. № 1. С. 36–42.Maslov D. A. Identification and Errors Compensation Methods for Wave Solid-State Gyroscope with Electrostatic Control Sensors. Mashinostroyeniye i inzhenernoye obrazovaniye. 2018, no. 1, pp. 36–42. (In Russ.)Пешехонов В. Г. Перспективы развития гироскопии // Гироскопия и навигация. 2020. Т. 28, № 2 (109). С. 3–10. doi: 10.17285/0869-7035.0028Peshekhonov V. G. The Author of Precision Gyroscope. Gyroscopy and Navigation. 2020, vol. 28, no. 2 (109), pp. 3–10. doi: 10.17285/0869-7035.0028 (In Russ.)Asadian M. H., Wang Y., Shkel A. M. Development of 3D Fused Quartz Hemi-Toroidal Shells for High-Q Resonators and Gyroscopes // IEEE/ASME J. of Microelectromechanical Systems. 2019. Vol. 28, № 6. P. 1380–1383. doi: 10.1109/JMEMS.2019.2945713Asadian M. H., Wang Y., Shkel A. M. Development of 3D Fused Quartz Hemi-Toroidal Shells for High-Q Resonators and Gyroscopes. IEEE/ASME J. of Microelectromechanical Systems. 2019, vol. 28, no. 6, pp. 1380–1383. doi: 10.1109/JMEMS.2019.2945713Компенсация уходов волнового твердотельного гироскопа, вызванных анизотропией упругих свойств монокристаллического резонатора / А. А. Маслов, Д. А. Маслов, И. В. Меркурьев, В. В. Подалков // Гироскопия и навигация. 2020. Т. 28, № 2 (109). С. 25–36. doi: 10.17285/0869-7035.0031Maslov A. A., Maslov D. A., Merkuriev I. V., Podalkov V. V. Compensation of Wave Solid-State Gyro Drifts Caused by Anisotropy of Elastic Properties of a Single- Crystal Resonator. Gyroscopy and Navigation. 2020, vol. 28, no. 2 (109), pp. 25–36. doi: 10.17285/0869-7035.0031 (In Russ.)Структура и характеристики волнового микромеханического датчика угловой скорости с кольцевым резонатором / Л. А. Северов, В. К. Пономарев, А. И. Панферов, Н. А. Овчинникова // Гироскопия и навигация. 2014. № 3(86). С. 59–72.Severov L. A., Ponomarev V. K., Panferov A. I., Ovchinnikova N. A. The Structure and Characteristics of a Vibratory Micromechanical Rate Sensor with the Ring Resonator. Gyroscopy and Navigation. 2014, no. 3 (86), pp. 59–72. (In Russ.)Методы повышения точности твердотельного волнового гироскопа с помощью алгоритма обработки измерений / Е. А. Зарубайло, А. А. Берденев, М. В. Ольшанников, К. А. Смирнов // Навигация и управление движением: материалы XXIII конф. молодых ученых с международным участием, СПб., 17 марта 2021 г. / АО «Концерн ЦНИИ "Электроприбор"», 2021. С. 161–162.Zarubaylo E. A., Berdenev A. A., Olshanikov M. V., Smirnov K. A. Methods of Improving the Accuracy of a Solid-State Wave Gyroscope By Means Of a Measurement Processing Algorithm. Proc. of the XXIII Conf. of Young Scientists "Navigation and Traffic Control", SPb, 17 March 2021, pp. 161–162. (In Russ.)Соколова Н. В., Шароватов В. Т. Синтез нелинейных корректирующих устройств. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1985. 111 c.Sokolova N. V., Sharovatov V. T. Sintez nelineynykh korrektiruyushchikh ustroystv [Synthesis of Non-Linear Corrective Devices]. Energoatomizdat. 1985, 111 p. (In Russ.)Optimization of the Multigrid-Convergence Rate on Semi-Structured Meshes by local Fourier Analysis / B. Gmeiner, T. Gradl, F. Gaspar, U. Rüde // Computers & Mathematics with Applications. 2013. Vol. 65, № 4. P. 694–711. doi: 10.1016/j.camwa.2012.12.006Gmeiner B., Gradl T., Gaspar F., Rüde U. Optimization of the Multigrid-Convergence Rate on SemiStructured Meshes by local Fourier Analysis. Computers & Mathematics with Applications. 2013, vol. 65, no. 4, pp. 694–711. doi: 10.1016/j.camwa.2012.12.0063D Drape Reconstruction and Parameterization Based on Smartphone Video and Elliptical Fourier Analysis / G. Wu, Z. Yu, A. Hussain, Y. Zhong // Procedia Computer Science. 2017. Vol. 108. P. 1552–1561. doi: 10.1016/j.procs.2017.05.057Wu G., Yu Z., Hussain A., Zhong Y. 3D Drape Reconstruction and Parameterization Based on Smartphone Video and Elliptical Fourier Analysis. Procedia Computer Science. 2017, vol. 108, pp. 1552– 1561. doi: 10.1016/j.procs.2017.05.057Положенцев Д. С., Смирнов К. А. Система управления исполнительного электропривода силового гироскопического комплекса // Изв. СПбГЭТУ "ЛЭТИ". 2019. № 8. С. 31–38.Polozhentcev D. S., Smirnov K. A. Control System of Control Moment Gyroscope Electric Drive. Proc. of Saint Petersburg Electrotechnical University J. 2019, no. 8, pp. 31–38. (In Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.