Алгоритмы повышения точности твердотельного волнового гироскопа

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

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

1. Loper 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.

2. 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: 10.17285/0869-7035.2018.26.4.003-013

3. Переляев С. Е. Обзор и анализ направлений создания бесплатформенных инерциальных навигационных систем на волновых твердотельных гироскопах // Новости навигации. 2018. № 2. С. 21–27.

4. Шишаков К. В. Системный анализ погрешностей информационного сигнала ТВГ и методов их компенсации // Интеллектуальные системы в производстве. 2012. № 1(19). С. 181–191.

5. 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/nd1703008

6. 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: 10.18698/2308-6033-2018-9-1800

7. Маслов Д. А. Идентификация и компенсация погрешностей волнового твердотельного гироскопа с электростатическими датчиками управления // Машиностроение и инженерное образование. 2018. № 1. С. 36–42.

8. Пешехонов В. Г. Перспективы развития гироскопии // Гироскопия и навигация. 2020. Т. 28, № 2 (109). С. 3–10. doi: 10.17285/0869-7035.0028

9. 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.2019.2945713

10. Компенсация 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: 10.17285/0869-7035.0031

11. 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.

12. 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.

13. Соколова Н. В., Шароватов В. Т. Синтез нелинейных корректирующих устройств. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1985. 111 c.

14. 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.2012.12.006

15. 3D 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.2017.05.057

16. Положенцев Д. С., Смирнов К. А. Система управления исполнительного электропривода силового гироскопического комплекса // Изв. СПбГЭТУ "ЛЭТИ". 2019. № 8. С. 31–38.