Алгоритмы обработки измерительных сигналов в интегрирующем твердотельном волновом гироскопе

Константин Валентинович Шишаков

doi:10.22213/2410-9304-2021-4-33-48

Авторы

К. В. Шишаков ИжГТУ имени М. Т. Калашникова

DOI:

https://doi.org/10.22213/2410-9304-2021-4-33-48

Ключевые слова:

твердотельный волновой гироскоп, алгоритмы обработки сигналов, демодуляция, резонансные колебания, волновая картина, измерительная информация, емкостные датчики

Аннотация

Синтезированы разные варианты алгоритмов обработки внутренних сигналов измерительного устройства интегрирующих твердотельных волновых гироскопов. Основное внимание уделено учету тонких факторов, влияющих на точность вычисления выходных сигналов гироскопов и измерительных сигналов внутренних контуров обеспечения их эффективной работы. Для этого предварительно рассмотрены разные модели сигналов емкостных датчиков в измерительном устройстве гироскопа и измеряемая структура стоячих волн в его резонаторе. Описано традиционное агрегирование сигналов датчиков в сигналы измерительного устройства. Сначала систематизированы и углубленно проанализированы варианты алгоритмов для емкостных измерительных устройств, работающих на постоянном токе. Они разделены на алгоритмы с настройкой на периодичность резонансных колебаний и без настройки на периодичность. Приведены отличающиеся по точности варианты вычисления: угла нахождения рабочей стоячей волны, пропорционального измеряемой скорости поворота основания гироскопа; амплитуды рабочей квадратурной стоячей волны для внутреннего контура поддержания ее заданного значения; амплитуды квадратурной стоячей волны для внутреннего контура ее подавления; частоты рабочей стоячей волны для настройки системы возбуждения колебаний резонатора и для реализации цифрового квадратурного когерентного демодулятора измерительного устройства. Показано, что в большинстве практических приложений более предпочтительными с точки зрения вычислительной сложности являются алгоритмы с настройкой на периодичность резонансных колебаний. А вычислительно трудоемкие алгоритмы без настройки на периодичность предназначены для измерения повышенных угловых скоростей с уменьшенным временем «замороженности» измеряемых параметров. Далее приведенные алгоритмы для измерительного устройства на постоянном токе обобщены на алгоритмы обработки измерительных сигналов при работе с переменным током. Описаны варианты сведения расчетных алгоритмов к ранее синтезированным для постоянного тока. В них в основном используется демодуляция сигналов на частоте переменного напряжения, включая цифровую обработку модулированных сигналов с использованием высокоскоростного аналогово-цифрового преобразователя. Кроме этого, синтезированы алгоритмы выделения информации из сигналов измерительного устройства на переменном токе с демодуляцией на комбинированных частотах модулированных сигналов. Рассмотрены отличающиеся варианты однополосной демодуляции измерительных сигналов, а также алгоритм двухполосной демодуляции сигналов измерительного устройства с расширенным списком измеряемых величин. Выбор нужного алгоритма зависит от требований к измеряемым угловым скоростям, от конструктивной реализации измерительного устройства гироскопа и от выбора технических характеристик его составных элементов.

Биография автора

К. В. Шишаков, ИжГТУ имени М. Т. Калашникова

доктор технических наук, доцент, профессор кафедры «Радиотехника»

Библиографические ссылки

Климов Д. М., Журавлев В. Ф., Жбанов Ю. К. Кварцевый полусферический резонатор (Волновой твердотельный гироскоп). М.: Ким Л.А., 2017. 194 с.

Лунин Б. С., Матвеев В. А., Басараб М. А. Волновой твердотельный гироскоп. Теория и технологии. М. : Радиотехника, 2014. 176 с.

Меркурьев И. В., Подалков В. В. Динамика микромеханического и волнового твердотельного гироскопа. М. : ФИЗМАТЛИТ, 2009. 228 с.

Жбанов Ю. К. Каленова Н. В. Поверхностный дисбаланс волнового твердотельного гироскопа // Изв. РАН. Механика твердого тела. 2001. № 3. С. 11-18.

Гавриленко А. Б., Меркурьев И. В., Подалков В. В. Экспериментальные методы определения параметров вязкоупругой анизотропии резонатора волнового твердотельного гироскопа // Вестник МЭИ. 2010. № 5. С. 13-19.

Статическая балансировка цилиндрических резонаторов волновых твердотельных гироскопов / М. А. Басараб, Б. С. Лунин, В. А. Матвеев, Е. А. Чуманкин // Гироскопия и навигация. 2014. Т. 85, № 2. С. 43-51.

Маслов А. А., Маслов Д. А., Меркурьев И. В. Идентификация параметров волнового твердотельного гироскопа с учетом нелинейности колебаний резонатора // Приборы и системы: управление, контроль, диагностика. 2014. № 5. С. 18-23.

Басараб М. А., Матвеев В. А., Лунин В. С. Аппроксимация распределения плотности резонатора волнового твердотельного гироскопа по измеренным параметрам дебаланса // Приборы и системы: управление, контроль, диагностика. 2015. № 10. С. 9-16.

Журавлев В. Ф. Дрейф несовершенного ВТГ // Изв. РАН. МТТ. 2004. № 4. С. 19-23.

Маслов Д. А. Идентификация параметров гироскопа с цилиндрическим резонатором при учете влияния нелинейности на амплитуду возбуждающего воздействия // Машиностроение и инженерное образование. 2017. № 1 (50). С. 24-31.

Журавлев В. Ф. Задача идентификации погрешностей обобщенного маятника Фуко // Изв. РАН. МТТ. 2000. № 5. С. 5-9.

Козубняк С. А. Расщепление собственных частот колебаний цилиндрического резонатора волнового твердотельного гироскопа, вызванное возмущением формы // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия «Приборостроение». 2015. № 3. С. 39-49.

Серегин С. В. Влияние асимметричных начальных несовершенств формы на свободные колебания тонких оболочек // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. 2016. Т. 15, № 3. С. 209-222.

Серегин С. В. О возможности возникновения радиальных форм колебаний кольцевых элементов // Вестник Тюменского государственного университета. Физико-математическое моделирование. Нефть, газ, энергетика. 2018. Т. 4, № 1. С. 132-143.

Определение параметров резонатора твердотельного волнового гироскопа и моделирование по экспериментальным данным / А. В. Кривов, Р. В. Мельников, Ф. И. Спиридонов, Г. А. Трутнев // Вестник Казанского государственного технического университета им. А. Н. Туполева. 2019. Вып. 1, № 2. С. 22.

Измерительно-вычислительный комплекс ТВГ / Г. А. Трутнев, С. Б. Назаров, К. К. Перевозчиков, А. В. Щенятский // Интеллектуальные системы в производстве. 2017. Т. 15, № 3. С. 62-72.

Трутнев Г. А., Назаров С. Б., Перевозчиков К. К., Система съема и способы измерения колебаний резонатора твердотельного волнового гироскопа // Вестник МГТУ. Сер. Приборостроение. 2020. № 1 (130). С. 20-63.

Шишаков К. В. Твердотельные волновые гироскопы: волновые процессы, управление, системная интеграция. Ижевск : Изд-во ИжГТУ, 2018. 264 с.