RU154196U1 - ANGULAR SPEED SENSOR ON THE BASIS OF MICROMECHANICAL GYROSCOPES - Google Patents

Abstract

Датчик угловой скорости, содержащий n микромеханических гироскопов с жесткими механическими связями между собой, выход каждого гироскопа по каналу передачи данных соединен с соответствующим входом сумматора, выходом связанного со входом управляемого аттенюатора с коэффициентом ослабления, равным количеству гироскопов, выход которого служит для передачи измеренной угловой скорости потребителям.The angular velocity sensor, containing n micromechanical gyroscopes with rigid mechanical connections between each other, the output of each gyroscope via the data channel is connected to the corresponding input of the adder, the output is connected to the input of the controlled attenuator with an attenuation coefficient equal to the number of gyroscopes, the output of which serves to transmit the measured angular velocity to consumers.

Description

Полезная модель относится к области измерительной техники, в частности к приборам измерения угловой скорости в инерциальном пространстве.The invention relates to the field of measurement technology, in particular to instruments for measuring angular velocity in inertial space.

В настоящее время в системах стабилизации и управления, в навигационных системах среднего класса точности широко используются приборы для измерения угловой скорости (датчики вращения) двух видов: волоконно-оптические гироскопы (ВОГ)) (RU 2273858 C1, МПК 8: G01P 9/02, опубл. 10.04.2008) и микромеханические гироскопы (ММГ) RU 2385462 C1, МПК 8: G01P 9/04, опубл. 27.03.2006).Currently, stabilization and control systems and navigation systems of the middle accuracy class are widely used instruments for measuring angular velocity (rotation sensors) of two types: fiber-optic gyroscopes (FOG)) (RU 2273858 C1, IPC 8: G01P 9/02, publ. 10.04.2008) and micromechanical gyroscopes (MMG) RU 2385462 C1, IPC 8: G01P 9/04, publ. 03/27/2006).

Сравнение волоконно-оптических и микромеханических гироскопов показывает, что при более высокой стоимости волоконно-оптические гироскопы имеют лучшие показатели по случайному шуму и дрейфу нуля. Для снижения стоимости аппаратуры, использующей датчики вращения предлагается заменять одиночные волоконно-оптические гироскопы на датчик угловой скорости на базе нескольких микромеханических гироскопов, с сохранением необходимых технических параметров.A comparison of fiber optic and micromechanical gyroscopes shows that at higher cost fiber optic gyroscopes have better random noise and zero drift. To reduce the cost of equipment using rotation sensors, it is proposed to replace single fiber-optic gyroscopes with an angular velocity sensor based on several micromechanical gyroscopes, while maintaining the necessary technical parameters.

Во многих областях применения датчиков вращения, например в судовождении, существенно важным является способность датчика измерять угловую скорость малой величины.In many applications of rotation sensors, such as navigation, the ability of the sensor to measure a small angular velocity is essential.

Наиболее близким аналогом к полезной модели является навигационный прибор на основе микромеханических датчиков вращения, содержащий защитный корпус с выводами, в котором размещены интегрированная бесплатформенная инерциальная навигационная система с датчиками угловой скорости. Каждый датчик угловой скорости это плата, на которой смонтировано по одному микромеханическому гироскопу. По меньшей мере, два датчика угловой скорости установлены перпендикулярно к плате чувствительных элементов и жестко скреплены с ней. Причем, датчики угловой скорости расположены так, что оси чувствительности микромеханических гироскопов расположены перпендикулярно друг к другу. В состав навигационной системы входит микроконтроллер, на который поступают сигналы от микромеханическими чувствительных элементов (RU 2263282 C1, МПК: G01C 23/00, опубл. 27.10.2005).The closest analogue to the utility model is a navigation device based on micromechanical rotation sensors, containing a protective housing with leads, which houses an integrated strapdown inertial navigation system with angular velocity sensors. Each angular velocity sensor is a board on which one micromechanical gyroscope is mounted. At least two angular velocity sensors are mounted perpendicular to the board of the sensing elements and rigidly fastened to it. Moreover, the angular velocity sensors are located so that the sensitivity axes of the micromechanical gyroscopes are perpendicular to each other. The navigation system includes a microcontroller, which receives signals from micromechanical sensitive elements (RU 2263282 C1, IPC: G01C 23/00, published on October 27, 2005).

Недостаток указанного устройства заключается в том, что минимальная угловая скорость (порог чувствительности), которую можно измерить, ограничивается случайным шумом и дрейфом нуля микромеханического гироскопа (ММГ), смонтированного на плате датчика вращения.The disadvantage of this device is that the minimum angular velocity (threshold of sensitivity) that can be measured is limited by random noise and zero drift of a micromechanical gyroscope (MMG) mounted on the rotation sensor board.

В системах стабилизации и управления, где время измерения мало, порог чувствительности ограничивается шумом датчика. В навигационных системах, где величину угла поворота находят путем интегрирования угловой скорости, порог чувствительности ограничивается дрейфом нуля. Для обеспечения функционирования указанных технических систем порог чувствительности датчиков угловой скорости должен быть меньше нижней границы диапазона их рабочих угловых скоростей, поэтому понижения порога чувствительности датчиков вращения является актуальной технической задачей.In stabilization and control systems, where the measurement time is short, the sensitivity threshold is limited by the noise of the sensor. In navigation systems, where the angle of rotation is found by integrating the angular velocity, the sensitivity threshold is limited by zero drift. To ensure the functioning of these technical systems, the sensitivity threshold of the angular velocity sensors must be less than the lower boundary of the range of their working angular velocities; therefore, lowering the sensitivity threshold of rotation sensors is an urgent technical task.

Техническим результатом полезной модели является понижение порога чувствительности датчика вращения, предназначенного для использования в системах управления движением, по сравнению с порогом чувствительности одиночного микромеханического гироскопа.The technical result of the utility model is to lower the sensitivity threshold of the rotation sensor intended for use in motion control systems, compared with the sensitivity threshold of a single micromechanical gyroscope.

Указанный технический результат достигается тем, что датчик угловой скорости использует n микромеханических гироскопов с жесткими механическими связями между ними, оси чувствительности всех n микромеханических гироскопов параллельны оси чувствительности датчика угловой скорости. Выход каждого гироскопа соединен с соответствующим входом сумматора, выходной сигнал сумматора поступает на вход аттенюатора с регулируемым коэффициентом уменьшения, равным количеству гироскопов, для уменьшения выходного сигнала сумматора в n раз. Сигнал с выхода управляемого аттенюатора передается потребителям.The indicated technical result is achieved in that the angular velocity sensor uses n micromechanical gyroscopes with rigid mechanical connections between them, the sensitivity axes of all n micromechanical gyroscopes are parallel to the sensitivity axis of the angular velocity sensor. The output of each gyroscope is connected to the corresponding input of the adder, the output signal of the adder is fed to the input of the attenuator with an adjustable reduction factor equal to the number of gyroscopes, to reduce the output signal of the adder by n times. The signal from the output of the controlled attenuator is transmitted to consumers.

На фиг. 1 представлена структурно-функциональная схема датчика угловой скорости на базе нескольких микромеханических гироскопов. Микромеханические гироскопы могут иметь как цифровой, так и аналоговый выходы.In FIG. 1 is a structural and functional diagram of an angular velocity sensor based on several micromechanical gyroscopes. Micromechanical gyroscopes can have both digital and analog outputs.

Датчик угловой скорости содержит n микромеханических гироскопов (ММГ) 1, (n-1) жестких механических связей 2 между ними, n каналов передачи данных 3, сумматор 4, канал передачи данных 5 от сумматора в управляемый аттенюатор 6, канал передачи данных потребителям 7.The angular velocity sensor contains n micromechanical gyroscopes (MMG) 1, (n-1) hard mechanical connections 2 between them, n data transmission channels 3, adder 4, data transmission channel 5 from the adder to a controlled attenuator 6, data transmission channel to consumers 7.

Выход каждого ММГ 1 связан с соответствующим входом сумматора 4 через соответствующий канал передачи данных 3, выход сумматора 4 каналом передачи данных 5 связан с входом управляемого аттенюатора 6, выход аттенюатора 6 связан каналом передачи данных потребителем 7.The output of each MMG 1 is connected to the corresponding input of the adder 4 through the corresponding data transmission channel 3, the output of the adder 4 by the data transmission channel 5 is connected to the input of the controlled attenuator 6, the output of the attenuator 6 is connected by the data transmission channel by consumer 7.

Датчик угловой скорости работает следующим образом. Каждый ММГ 1 измеряет текущее значение угловой скорости поворота системы относительно инерциального пространства и по каналу передачи данных 3 передает это значение в сумматор 4. С сумматора 4 данные поступают по каналу 5 на вход управляемого аттенюатора 6 с коэффициентом ослабления, равным количеству ММГ 1, который уменьшает выходной сигнал сумматора в n раз. На выход управляемого аттенюатора 6 поступает среднее значение ω от измеренных величин ω₁, ω₂, …, ω_n соответствующее формуле (1) и передается по каналу передачи данных 7 потребителям.The angular velocity sensor operates as follows. Each MMG 1 measures the current value of the angular velocity of rotation of the system relative to the inertial space and transmits this value to the adder 4 via the data transfer channel 3. From adder 4, the data are fed through channel 5 to the input of the controlled attenuator 6 with an attenuation coefficient equal to the number of MMG 1, which reduces adder output n times. The output of the controlled attenuator 6 receives the average value of ω from the measured values of ω ₁ , ω ₂ , ..., ω _n corresponding to the formula (1) and transmitted via the data channel 7 to consumers.

где ω₁, ω₂, …, ω_n - текущая угловая скорость, измеренная гироскопами ΜΜΓ₁, ММГ₂, ММГ_n соответственно,where ω ₁ , ω ₂ , ..., ω _n is the current angular velocity measured by gyroscopes ΜΜΓ ₁ , MMG ₂ , MMG _n, respectively,

n - количество гироскоповn is the number of gyroscopes

ω - среднее значение угловой скоростиω is the average value of the angular velocity

Шумы разных микромеханических гироскопов, находящихся в одинаковых условиях, являются некоррелированными случайными процессами. По данным фирмы Analog Devices дрейфы нуля разных микромеханических гироскопов то же являются некоррелированными случайными процессами (Technical Article MS-2158). Поэтому среднее значение угловой скорости ω будет иметь шумовую составляющую и дрейф нуля, уменьшенные в n раз. Т.е. обеспечивается понижение порога чувствительности в n раз.Noises of different micromechanical gyroscopes under the same conditions are uncorrelated random processes. According to Analog Devices, zero drifts of various micromechanical gyroscopes are also uncorrelated random processes (Technical Article MS-2158). Therefore, the average value of the angular velocity ω will have a noise component and zero drift reduced by n times. Those. provides a decrease in the sensitivity threshold n times.

Claims (1)

Датчик угловой скорости, содержащий n микромеханических гироскопов с жесткими механическими связями между собой, выход каждого гироскопа по каналу передачи данных соединен с соответствующим входом сумматора, выходом связанного со входом управляемого аттенюатора с коэффициентом ослабления, равным количеству гироскопов, выход которого служит для передачи измеренной угловой скорости потребителям.

The angular velocity sensor, containing n micromechanical gyroscopes with rigid mechanical connections between each other, the output of each gyroscope via a data channel is connected to the corresponding input of the adder, the output is connected to the input of a controlled attenuator with an attenuation coefficient equal to the number of gyroscopes, the output of which is used to transmit the measured angular velocity to consumers.

Images