Компенсация погрешностей пьезоэлектрических датчиков угловой скорости Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Космическое электронное приборостроение

УДК 681.5

КОМПЕНСАЦИЯ ПОГРЕШНОСТЕЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ

УГЛОВОЙ СКОРОСТИ

П. С. Маринушкин

Сибирский федеральный университет Россия, 660074, Красноярск, ул. Киренского, 26. Е-mail: [email protected]

Рассмотрена математическая модель дрейфа гироскопа, включающая изменения температуры пьезоэлектрического резонатора. Представленная модель может быть использована для разработки алгоритмов компенсации температурно-зависимой составляющей дрейфа вибрационных гироскопов и тем самым позволяет повысить точностные характеристики инерциальных систем управления динамическими объектами.

Ключевые слова: дрейф, вибрационный гироскоп, инерциальные системы управления.

ERROR COMPENSATION OF PIEZOELECTRIC ANGULAR VELOCITY SENSORS

P. S. Marinushkin

Siberian Federal University 26 Kirenskii str., Krasnoiarsk, 660074, Russia. E-mail: [email protected]

The paper describes the mathematical model of the temperature-induced drift in a vibratory gyroscope. The presented model can be used to develop algorithms for compensation of temperature-induced component of the drift and, thus, allows to improve the precision characteristics of the inertial control systems of dynamic objects.

Keywords: drift, vibratory gyroscope, inertial control systems.

В последние годы активно развиваются направления, связанные с разработкой и созданием малогабаритных, надежных и экономичных систем навигации и управления подвижными объектами: системы контроля пространственной ориентации скважин и сква-жинных объектов, системы ориентации, навигации и управления беспилотными летательными объектами, автономными подводными аппаратами и мобильными роботами, системы стабилизации с повышенной надежностью, точностью и безопасностью для автомобильного и железнодорожного транспорта. В указанных системах основными источниками первичной информации об угловых перемещениях объекта являются инерциальные чувствительные элементы (гироскопы). Развитию гироскопов уделяется исключительно большое внимание, так как их метрологические характеристики, в конечном счете определяют качество создаваемых приборов.

Для уменьшения погрешности измерения угловой скорости используется компенсация дрейфа нуля гироскопов, входящих в состав инерциальных систем управления. Компенсация может быть осуществлена двумя методами [1]. Первый метод состоит в устранении или минимизации воздействия причин, вызывающих погрешности выходного сигнала гироскопа, что может быть достигнуто специальными конструктивными (термостатирование, виброизоляция) и технологическими (повышение качества изготовления и сборки) решениями. Второй метод (алгоритмический) связан с разработкой математических моделей, описывающих характер влияния основных дестабилизирующих факторов на ошибки измерений гироскопов.

Настоящая работа посвящена апробации конечно-элементной модели температурной составляющей

дрейфа пьезоэлектрического вибрационного гироскопа [2], предназначенного для использования в составе инерциальных систем управления.

Чувствительный элемент стержневого пьезоэлектрического вибрационного гироскопа (рис. 1) представляет собой резонатор из пьезоэлектрической керамики с двумя парами электродов на его внешней поверхности и одним сплошным электродом на внутренней поверхности. Первая пара электродов служит для возбуждения поперечной волны деформации в плоскости XZ. При появлении угловой скорости вокруг оси Z возникает сила инерции Кориолиса, которая вызывает колебания резонатора в плоскости YZ. Амплитуда и фаза вторичных колебаний фиксируется с помощью второй пары электродов.

Рис. 1. Схема, поясняющая принцип действия вибрационного пьезоэлектрического гироскопа

Анализ алгоритма компенсации проводился с использованием конечно-элементной модели пьезоэлектрического вибрационного гироскопа, представленной в [2]. Независимыми факторами, учитываемыми

Решетневскуе чтения. 2013

Scope 1

File Edit View Insert Tools Desktop Window Help **

В a S«* i SFSFS Bil

50 0 -50 ■100 -150 -9ПП

ffnnp

"TU Ч

ÜL.,

ч ч

.......:......Н

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 1 Время t, 4 iTime offset: 0

б

Рис. 2. Смещение нуля гироскопа: а - без компенсации, б - после алгоритмической компенсации

а

в модели, являются температура и скорость ее изменения. Рабочим диапазоном для модели является диапазон температур от -25 °С до +75 °С. Погрешность выходного сигнала рассматривалась как аддитивная, компенсация которой осуществлялась вычитанием из выходного сигнала соответствующей поправки, рассчитанной на основе математической модели, что позволило на 2 порядка снизить обусловленный температурной нестабильностью дрейф гироскопа (рис. 2).

Полученные в ходе компьютерного моделирования результаты позволяют сделать обоснованные выводы относительно влияния температурных воздействий на рабочие характеристики пьезоэлектрического вибрационного гироскопа и сформулировать предложения по выбору технических решений, направленных на компенсацию соответствующих погрешностей.

Библиографические ссылки

1. Суханов С. В.. Алгоритмы компенсации погрешностей выходного сигнала лазерного гироскопа // Вестник Нижегородского университета им. Н. И. Ло-

бачевского. Сер. Математическое моделирование. Оптимальное управление. 2011. № 3(2). С. 134-140.

2. Marinushkin, P. S. Modeling of temperature-induced errors of the piezoelectric vibratory gyroscope // 2011 IEEE Third School and Seminar on Fundamental Problems of Micro/Nanosystem Technologies MNST'2011, Proceedings. Novosibirsk : NSTU, 2011. P. 19-21.

References

1. Suhanov S. V.. Algoritmy kompensacii pogreshnostej vyhodnogo signala lazernogo giroskopa // Vestnik Nizhegorodskogo universiteta im. N. I. Loba-chevskogo. Serija Matematicheskoe modelirovanie. Optimal'noe upravlenie. 2011. № 3(2). S. 134-140.

2. Marinushkin, P. S. Modeling of temperature-induced errors of the piezoelectric vibratory gyroscope // 2011 IEEE Third School and Seminar on Fundamental Problems of Micro/Nanosystem Technologies MNST'2011, Proceedings. Novosibirsk : NSTU, 2011. P. 19-21.

© Маринушкин П. С., 2013

УДК 629.783.01:523

РАЗРАБОТКА ПЕРСПЕКТИВНОГО ВЫСОКОНАДЕЖНОГО ОТЕЧЕСТВЕННОГО CCU С ФУНКЦИОНИРОВАНИЕМ ПО СТАНДАРТАМ ESA

В. В. Матвеев, Ю. Г. Тугбаев

ОАО «Ижевский радиозавод» Россия, 426034, Удмуртская Республика, г. Ижевск, ул. Базисная, 19. E-mail: [email protected]

Рассмотрены аспекты создания перспективного высоконадежного отечественного CCU на примере инженерной модели CCU. Приведены основные технические характеристики и принципы функционирования CCU.

Ключевые слова: бортовая аппаратура, интерфейс сопряжения, пакет телекоманд, команды управления, командно-программная информация, телеметрия, формат ESA.