У нас вы можете скачать книгу Методы и алгоритмы повышения точности лазерного гироскопа Сергей Суханов в fb2, txt, PDF, EPUB, doc, rtf, jar, djvu, lrf!

В диссертационной работе предложена идеология повышения точностных характеристик лазерного гироскопа за счет применения комплекса программно-аппаратных методов уменьшения случайной составляющей погрешности и алгоритмической компенсации детерминированной составляющей с использованием разработанной математической модели, определяющей функциональную зависимость дрейфа выходного сигнала от изменения параметров внутреннего состояния прибора.

В рамках проделанной работы:. Предложенные методы и алгоритмы позволяют более чем в 2 раза уменьшить случайный дрейф выходного сигнала лазерного гироскопа и тем самым выделить систематическую составляющую ошибки, которая может быть скомпенсирована алгоритмическими методами;.

Рассмотрены параметры состояния ЛГ на предмет их функциональной зависимости с точностными характеристиками прибора. Синтезирована обобщенная математическая модель дрейфа выходного сигнала ЛГ, включающая в себя функции от изменения температур чувствительного элемента и корпуса прибора, изменения мощности излучения в оптическом резонаторе, изменения напряжения на пьезокорректорах, регулирующих периметр оптического резонатора, а так же изменения амплитуды колебаний виброподставки ЛГ; на основе предложенной модели разработан алгоритм компенсации систематического дрейфа выходного сигнала лазерного гироскопа; проведены экспериментальные исследования и представлены результаты оценки характеристик предложенного алгоритма для серийно производимого одноосного ЛГ в нормальных климатических условиях и на температурных воздействиях.

Результаты испытаний показывают, что при использовании предлагаемой модели компенсации средний систематический дрейф как минимум в 1. Проведённые экспериментальные исследования подтверждают эффективность предложенной идеологии уменьшения погрешностей выходного сигнала лазерного гироскопа и принятых при ее разработке научно-технических решений. Результатом диссертационной работы является повышение точностных характеристик лазерного гироскопа в раза за счет предложенных методов и научно-технических решений уменьшения погрешностей, использующих комплексный подход программно-аппаратной минимизации случайного и алгоритмической компенсации систематического дрейфа выходного сигнала прибора.

Навигация и управление движением судов. Обзор состояния и перспективы развития. Ключевые задачи современной автономной навигации.

Направления развития инерциальных датчиков. Современное состояние теории и практических результатов разработки микромеханических гироскопов. О некоторых вопросах теории динамически настраиваемого гироскопа ДНГ.

Математические модели теплового дрейфа гироскопических датчиков инерциальных систем. Физико-химические основы разработки полусферических резонаторов волновых твердотельных гироскопов. Изд-во МАИ , Бесплатформенная инерциальная навигационная система на базе твердотельного волнового гироскопа.

Лазерные и волоконно-оптические гироскопы: Си л вер М. Навигация с помощью бесплатформенной системы на основе кольцевых лазерных гироскопов: Исследование конструктивно-технологических характеристик лазерного гироскопа с целью повышения его качества. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Исследование тепловых дрейфов лазерного гироскопа с магнитооптической частотной подставкой.

Ориентация, гироскопы и инерциальная навигация. Труды VII Международной конференции. Гироскопические приборы систем ориентации и стабилизации, М.: Алгоритмическая компенсация дрейфа лазерного гироскопа. Материалы XV Санкт-Петербургской межд. Газоразрядные лазеры в измерительных комплексах. Очень большие кольцевые лазеры.

Основы теории оценивания с приложениями к задачам обработки навигационной информации. Оптимизация случайной частотной подставки в кольцевом лазере.

Экспериментальное исследование нелинейного поляризационного взаимодействия встречных волн в кольцевом лазере. Аппроксимация воспроизводимых временных и температурных зависимостей смещения нуля кольцевого лазера. Методы расчета оптических квантовых генераторов, под ред. Оптика и спектроскопия, Основы спектроскопии отрицательных световых потоков. Издательство Белорусского государственного университета, Радио и связь, Физические основы квантовой электроники и опто-электроники: Использование параметров состояния лазерного гироскопа для компенсации систематического дрейфа.

Известия института инженерной физики. Алгоритм эффективного ошумления виброподставки лазерного гироскопа. Тезисы докладов V Юбилейной Международной молодежной научно-технической конференции. Эффективный алгоритм ошумления виброподставки лазерного гироскопа. Журнал Российского Авиаприборостроительного Альянса. К вопросу о выборе математической модели дрейфа лазерного гироскопа.

Тезисы докладов VII Международной молодежной научно-технической конференции. Математическая модель дрейфа лазерного гироскопа с учетом параметров его состояния. Выбор математической модели систематического дрейфа лазерного гироскопа. Использование параметров внутреннего состояния лазерного гироскопа для компенсации систематического дрейфа. Анализ зависимости точностных характеристик лазерного гироскопа от амплитуды виброподставки. Межвузовский сборник статей по материалам Всероссийской научно-технической конференции.

Исследование и анализ точностных характеристик лазерного гироскопа на температурных воздействиях. Компенсации погрешностей выходного сигнала лазерного гироскопа.

Методы и алгоритмы повышения точностных характеристик лазерного гироскопа тема диссертации и автореферата по ВАК Приборостроение -- Детали, узлы и устройства приборов -- Гироскопические устройства. Гироскопы -- Исследование -- Математическое моделирование.

По сравнению с другими типами датчиков ЛГ обладает рядом, кроме указанных выше, неоспоримых функциональных и эксплуатационных преимуществ по сравнению с другими типами датчиков [1, , 26]: Существует два подобных метода и множество модификаций [, 26, 27]: Существуют два принципиально различных способа повышения точностных характеристик любого прибора и лазерного гироскопа в частности: Проведенный в работе анализ моделей ЛГ позволил выделить наиболее эффективные решения, направленные на повышение точностных характеристик существующего серийно производимого прибора за счет применения комплекса методов, включающего: Таким образом, в настоящей диссертационной работе предлагается новое научно-техническое решение задачи повышения точностных характеристик лазерного гироскопа на основе следующих аппаратно-алгоритмических методов: Научная новизна и практическая ценность Научная новизна и практическая ценность диссертационной работы заключаются в следующем: Применение вычислительных машин", Суханов, Сергей Валерьевич Выводы На основании проведенных натурных испытаний можно сделать следующие выводы: В рамках проделанной работы: Предложенные методы и алгоритмы позволяют более чем в 2 раза уменьшить случайный дрейф выходного сигнала лазерного гироскопа и тем самым выделить систематическую составляющую ошибки, которая может быть скомпенсирована алгоритмическими методами; - определены источники возникновения сдвига нуля и систематического дрейфа выходного сигнала.

Прикладной анализ случайных данных. Виброподвес для малогабаритного лазерного гироскопа. Предложены методы и алгоритмы программной минимизации погрешностей случайного дрейфа за счет применения алгоритма случайной модуляции амплитуды колебаний виброподставки с использованием нормально распределенной случайной величины и стабилизации амплитуды колебаний.

Проведены теоретические и экспериментальные исследования системных связей и закономерностей между параметрами состояния ЛГ и его систематическими погрешностями. На основе проведенных исследований разработан алгоритм компенсации систематических погрешностей выходного сигнала ЛГ с использованием математической модели, синтезированной после осуществления программной минимизации случайного дрейфа.

Теоретические решения доведены до практического применения при повышении точностных характеристик серийно выпускаемых приборов. Предложенные в работе алгоритмы компенсации погрешностей обладают надежностью и универсальностью, могут быть использованы для широкого класса лазерных гироскопов без дополнительной принципиальной доработки. Основным практическим достоинством предложенного в работе комплексного подхода является качественное для серийно выпускаемых приборов — в 2— раза улучшение точностных характеристик лазерного гироскопа без изменения схемно-конструктивных особенностей прибора и с минимальными экономическими затратами.

Результаты диссертационной работы опубликованы в 12 работах, в том числе 2 статьи в журналах из перечня ВАК. Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 69 наименований. Материал изложен на страницах, включает 49 рисунков и 10 таблиц. Существуют два принципиально различных способа повышения точностных характеристик любого прибора и лазерного гироскопа в частности.

Первый способ заключается в устранении причин возникновения погрешностей или минимизации их влияния на точностные параметры выходного сигнала — в результате реальная выходная характеристика прибора приближается к идеальной.

Второй способ — алгоритмическая компенсация погрешностей прибора при известном аналитически определенном характере влияния различных факторов на его точностные характеристики.

Первый подход, как правило, реализуется программными, аппаратными и конструктивными решениями. Второй подход на основе системного анализа известных зависимостей прежде всего математической модели ошибок прибора позволяет провести алгоритмическую компенсацию остаточных погрешностей, не минимизированных при реализации первого подхода.

Рассмотренные способы имеют определенные физические, экономические или алгоритмические ограничения на реализацию. В то же время, полное игнорирование методов, направленных на устранение причин возникновения погрешностей, может привести к невозможности построения математической модели ошибок прибора, адекватно описывающей их реальное изменение.

С другой стороны, вычислительные затраты на реализацию синтезированной модели погрешностей могут превысить реальные возможности применяемого вычислительного модуля. Системный анализ моделей ЛГ позволяет выделить наиболее эффективные решения, направленные на повышение точностных характеристик прибора за счет применения комплексного подхода, включающего следующие методы:.

Комплексирование перечисленных программных способов, что позволит, за счет снижения величины случайного дрейфа, в явном виде выделить детерминированную составляющую ошибки, которая поддается аналитическому описанию в виде адекватной математической модели и может быть компенсирована алгоритмически.

В первой главе рассмотрен принцип работы лазерного гироскопа, выявлены основные параметры, определяющие его функционирование, приведена модель выходного сигнала, на основе которой проанализированы основные погрешности ЛГ и указаны пути их минимизации. Физический принцип работы ЛГ основан на эффекте Саньяка, согласно которому при вращении замкнутого оптического контура распространяющиеся в нем противоположно направленные световые лучи проходят разные оптические пути. В результате данного эффекта частоты генерации для каждого светового луча становятся неравными, а разностная частота частота биений , определяемая выражением прямо пропорциональна угловой скорости вращения оптического контура.

В выражении 1 L, S — длина периметра и площадь оптического резонатора, — длина волн излучения. Для мгновенной разности фаз двух противоположно направленных волн справедливо следующее дифференциальное уравнение, вытекающее из формулы 1 где K — масштабный коэффициент преобразования.

Физические процессы появления разностной частоты описываются уравнениями Максвелла, решением которых является волновое уравнение, записанное во вращающейся системе координат, связанной с оптическим резонатором Использованы следующие обозначения: I1, 2 — интенсивность лазерного излучения; — частота, пропорциональная угловой скорости; — мгновенная разность фаз между встречными лучами; ij — коэффициенты Лэмба, описывающие атомный переход; r1, 2 — коэффициенты обратного рассеяния из одного луча в другой;.

Первое слагаемое представляет собой информационную составляющую и описывает идеальную характеристику лазерного гироскопа.

Второе слагаемое характеризует сдвиг нуля, приводящий к систематическому дрейфу выходного сигнала. Третье слагаемое описывает влияние параметров оптического резонатора на синхронизацию частот и определяет величину поправки к сдвигу нуля и масштабному коэффициенту преобразования. Четвертое слагаемое определяет влияние параметров ЛГ на синхронизацию частот и, как следствие, случайных дрейф. В результате анализа уравнения 3 выявлены два основных источника погрешностей лазерных гироскопов: Синхронизация частот встречных волн обусловлена обратным рассеянием на элементах резонатора в основном — на зеркалах.

С учетом обратного рассеяния уравнение 3 для разности фаз встречных волн записывается в виде:. В диссертационной работе проведен анализ выходного сигнала лазерного гироскопа с виброподставкой, при этом в уравнении 3 не учитываются свойства активной среды, а интенсивности излучения и характеристики обратного рассеяния для встречно распространяющихся лучей приняты одинаковыми.

Таким образом, уравнение 3 для гироскопа с виброподставкой принимает вид:. Другим основным источником погрешностей ЛГ является сдвиг нуля. В процессе функционирования лазерного гироскопа происходит множество физических явлений, прямо или косвенно вызывающих сдвиг нуля, а вследствие этого и систематический дрейф. Причиной возникновения сдвига нуля является разность L оптических длин резонатора для встречных волн в отсутствии вращения Сдвиг нуля, пересчитанный в угловую скорость вращения обратно пропорциоL c 4S Дрейф нуля появляется только в том случае, если изменяются какие-то факторы, определяющие сдвиг нуля.

Так, например, если происходит перекос зеркал резонатора при подстройке периметра, то волны генерации будут перемещаться по диафрагмам и зеркалам, будут меняться оптические потери резонатора. Наибольшее влияние на сдвиг нуля оказывает асимметрия распределения температуры вдоль активной среды. Анализ показывает, что к основным факторам, влияющим на систематическую составляющую дрейфа выходного сигнала ЛГ также можно отнести: Если первые два фактора напрямую определяются технологией изготовления прибора, то последние три вполне поддаются измерению и управлению.

Рассмотрены достоинства и недостатки метода виброподставки. Как отмечено выше, при использовании виброподставки фазовое уравнение для частоты биений при наличии связи через обратное рассеяние принимает вид 6.

Выходной сигнал детекторного устройства, регистрирующего смещение интерференционных полос за время t, представляет собой последовательность импульсов N, число которых пропорционально накопленному углу где — случайный шум.

Для уменьшения случайного дрейфа лазерного гироскопа необходимо минимизировать интеграл от случайного шума. Теоретическое рассмотрение ведется обычно на основе уравнения 6 , которое с использованием случайной функции t принимает вид Как показали теоретические и экспериментальные исследования, наиболее удачным с точки зрения линейности выходной характеристики конструктивным решением является применение комбинированной частотной подставки, имеющей вид суммы или произведения периодической и случайной функций.

Модулирующую функцию согласно теоретическим исследованиям необходимо выбирать таким образом, чтобы амплитуды колебаний были нормально распределенными, а их автокорреляционная функция быстро затухала. Распространенный алгоритм моделирования нормально распределенных случайных величин основан на центральной предельной теореме.

Во второй главе диссертационной работы предложен алгоритм формирования гауссовской случайной величины, посредством которой осуществляется модуляция амплитуды колебаний виброподставки ЛГ. Возбуждение виброподставки в современных системах строится обычно по схеме автогенератора с использованием различных типов датчиков обратной связи фотоэлектрических, магнитоэлектрических, пьезоэлектрических.

В диссертационной работе проведено математическое моделирование данных способов. Однако практическая реализация широкополосного аддитивного шума требует довольно большой мощности вибропривода. Для стабилизации амплитуды колебаний в главе 2 предложена модификация схемы управления амплитудой колебаний виброподставки лазерного гироскопа ЛГ-2 рисунок 2 , на основе которой реализован алгоритм стабилизации.

Управление значением амплитуды колебаний виброподставки осуществляется изменением напряжения, подаваемого на вибропривод. Функция преобразования напряжения в амплитуду не может быть представлена аналитически; для определения значения напряжения, соответствующего заданному значению амплитуды используется метод половинного деления пропорциональное регулирование.

Алгоритм стабилизации амплитуды выполнен в виде релейного закона регулирования с гистерезисом. Для экспериментов были использованы 4 серийно выпускаемых прибора. В качестве иллюстрации на рисунках 3, 4 представлены ошибки накопленного угла для трех включений одного из приборов с реализацией предложенных алгоритмов и без нее. Более высокая повторяемость выходного сигнала ЛГ с реализованными алгоритмами указывает на уменьшение погрешности случайного дрейфа. Данной задаче посвящена третья глава диссертационной работы.

В третьей главе рассмотрены часто используемые методы компенсации температурного дрейфа. Проведены теоретические и прикладные исследования системных связей и закономерностей между параметрами состояния прибора и систематической составляющей дрейфа выходного сигнала.

Получена математическая модель дрейфа ЛГ. Предложен метод алгоритмической компенсации систематического дрейфа с использованием синтезированной математической модели. Для повышения точности ЛГ обычно проводят температурную калибровку систематического дрейфа.

Калибровка может проводиться с помощью одного температурного датчика, установленного на оптическом резонаторе. Калибровка с помощью одного термодатчика не всегда хорошо описывает переходный процесс при изменении температуры.

Для уточнения температурной зависимости целесообразнее использовать два термодатчика — один на корпусе Tkor, а другой — на основании оптического резонатора Tres.

Сдвиг нуля можно корректировать следующим образом:. Традиционно калибровку систематического дрейфа ЛГ выполняют с использованием метода кусочно-линейной аппроксимации, разбивая рабочий диапазон температур на несколько участков.

Как показал проведенный в диссертационной работе анализ полученных результатов обработки выходной информации, погрешность изменения угла имеет нелинейный характер и зависит не только от изменения температуры, но и от других технологических параметров состояния ЛГ.

Для повышения точности прибора в процессе работы стремятся стабилизировать, по крайней мере, некоторые из указанных параметров например, как было предложено ранее, величины амплитуды колебаний виброподставки. Однако стабилизация большинства параметров является трудоемкой, а порой даже невозможной задачей, приводящей к изменению и усложнению конструкции прибора. Для минимизации влияния нестабильности параметров целесообразно использовать их значения в процессе алгоритмической компенсации.

YOU MAY ALSO LIKE