Аппаратно-алгоритмическое обеспечение аттестации динамически настраиваемого гироскопа тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.03, кандидат наук Тан Синюань

• Тан Синюань
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Тан Синюань

Перечень принятых сокращений

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Анализ требований к контрольно-испытательному стенду для

проверки параметров ДНГ

1.1. Контрольно-испытательная аппаратура для испытаний инерциальных 15 систем и их чувствительных элементов

1.2. Математическая модель ДНГ в режиме ДУС

1.2.1. Уравнения движения ДНГ в режиме датчика угловой скорости

1.2.2. Анализ и классификация погрешностей ДНГ - ДУС

1.2.3. Методика определения параметров ДНГ

1.3. Обоснование кинематической схемы двухосного испытательного

стенда для аттестации ДНГ

Выводы по Главе

Глава 2. Выбор и анализ требований к элементам конструкции стенда

2.1. Поворотно-арретирующее устройство

2.1.1. Кинематика поворотно-арретирующего устройства

2.1.2. Определение необходимых условий поворота и арретирования платформы стенда

2.2. Конструкция двухосного поворотного стенда на базе разработанного поворотно-арретирующего устройства

2.3. Оценка моментов трения в поворотно-арретирующем механизме

Выводы по Главе

Глава 3. Разработка алгоритма аттестации ДНГ с учетом реальной

ориентации платформы стенда относительно СК связанной с

географической СК

3.1. Математическая модель ДНГ с учетом его ориентации относительно

географической СК

3.2. Алгоритм аттестации и методика испытания ДНГ

3.3. Методы обработки данных

3.3.1. Аналитический метод определения параметров ДНГ

3.3.2. Метод последовательных приближений для определения параметров ДНГ

3.3.3. Моделирование и анализ алгоритмов аттестации

3.4. Программное обеспечение для идентификации параметров ДНГ в автоматизированном режиме

Выводы по Главе

Глава 4. Экспериментальные исследования

4.1. Оборудование рабочего места для испытаний

4.2. Методика исследования

4.3. Порядок проведения работ на стенде

4.4. Результаты испытаний на двухосном поворотном стенде

4.4.1. Определение масштабных коэффициентов и постоянных составляющих собственной скорости прецессии

4.4.2. Определение постоянных составляющих собственной

скорости прецессии и составляющих пропорциональных g

4.4.3. Определение параметров гироскопа с учетом отклонения ориентаций относительно географической системы координат

4.5. Анализ результатов испытаний

Выводы по Главе

Общие выводы и заключение

Список литературы

Перечень принятых сокращений

ЧЭ - чувствительный элемент.

ДНГ - динамически настраиваемый гироскоп.

ИНС - инерциальная навигационная система.

ССП - собственная скорость прецессии.

СК - система координат.

ДУ - датчик угла.

ДУС - датчик угловой скорости.

ДМ - датчик момента.

БЦВМ - бортовая цифровая вычислительная машина.

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Аппаратно-алгоритмическое обеспечение аттестации динамически настраиваемого гироскопа»

Актуальность темы диссертации

Основной задачей инерциальных навигационных систем (ИНС) является определение параметров движения объектов различного назначения без использования внешних источников информации, используя лишь показания бортовых чувствительных элементов (ЧЭ), в качестве которых используются гироскопические датчики угловой скорости (ДУС) и акселерометры. Динамически настраиваемый гироскоп (ДНГ), как прецизионный гироскоп инерциального класса, широко используется в качестве чувствительного элемента гиростабилизированных платформ ИНС, бесплатформенных ИНС и различных систем ориентации благодаря своим преимуществам в сравнении с другими гироскопами, в частности, поплавковыми гироскопическими приборами [3-5]:

1. Высокая стабильность в запуске, не хуже 0.005 о/ч и стабильность от запуска к запуску 0.01~1.0 о/ч;

2. Высокая надежность и ударопрочность от 50 до 500£;

3. Длительный срок службы, который ограничивается в основном главными опорами и электроникой и может быть обеспечен до нескольких тысяч часов;

4. Низкая себестоимость;

5. Малый относительный уровень шумов в выходном сигнале;

6. Малое время готовности;

7. Отсутствие трения в опорах карданного подвеса;

8. Низкое энергопотребление.

Развитие авиации, ракетной техники, морского флота и исследование космического пространства невозможно без создания высокоточных и надежных систем ориентации приемлемой стоимости и малым временем готовности, что непосредственно связано с совершенствованием датчиков первичной информации и, в частности, гироскопических приборов. На точность решения основной задачи навигации - определения местоположения объекта в заданной системе координат, существенное влияние оказывают погрешности чувствительных элементов в

условиях эксплуатации, что требует знания математических моделей этих погрешностей для разработки соответствующих алгоритмов их компенсации. Для идентификации и определения коэффициентов математических моделей погрешностей ЧЭ требуется проведение специальных тестов, что составляет главную задачу при испытаниях инерциальных датчиков перед их установкой в ИНС.

Особенностью ДНГ является наличие многих факторов, определяющих его погрешности, это - постоянные линейные ускорения, угловые и линейные вибрации, моменты на двойной частоте вращения привода, изменение угловой скорости вращения, непересечение осей карданного подвеса, квадратурные моменты, газодинамические моменты, внешние магнитные поля и т.д. Все эти погрешности в той или иной степени были предметом исследования в многочисленных публикациях [1, 10-15, 18-20, 36].

Для повышения точностных характеристик инерциальных ЧЭ требуется либо оптимизация конструкции и технологии изготовления прибора либо его точная аттестация с определением всех компонент модели погрешности и последующей компенсацией этих компонент. Первый вариант связан с изменением технологического цикла изготовления ЧЭ, что сопряжено с достаточно серьезными затратами на модернизацию их производства и настройки. Второй вариант требует тщательного подхода к разработке, как математической модели прибора ЧЭ, так и соответствующей аппаратуры и алгоритмов, позволяющих с высокой точностью определять компоненты этой модели. Для реализации второго варианта также требуются высокопроизводительные бортовые ЭВМ, обеспечивающие большой объем обработки информации с ЧЭ для компенсации их погрешностей в реальном времени. Высокий уровень развития микропроцессорной техники в настоящее время дает возможность реализовать в полной мере даже самые сложные алгоритмы компенсации, что и определяет серьезные перспективы именно второго варианта повышения точности ЧЭ и инерциальных систем.

Для определения постоянных составляющих дрейфа ДНГ, составляющих заЛ

висящих от g и g , а также масштабных коэффициентов (основных и перекрестных) в мировой практике широко используется [21-25, 41] многопозиционная

статическая методика тестирования на прецизионных поворотных испытательных стендах, и является достаточно дорогостоящим и трудоемким процессом [26, 27]. В соответствии с математической моделью ДНГ, отражающей взаимосвязь выходных характеристик от конкретных эксплуатационных воздействий, основным требованием к стендам, на которых проводятся испытания инерциальных систем и их ЧЭ, является возможность задания с помощью этих стендов тарированных воздействий на испытываемый прибор постоянными и вибрационными ускорениями, поворотами на заданные углы, постоянными угловыми скоростями, угловыми колебаниями, магнитными полями и т.д.

Многие организация и предприятия-производители в мире в настоящее время занимаются разработкой и изготовлением прецизионных испытательных стендов, среди которых можно отметить целый ряд известных компаний, таких как Ideal Aerosmith, Aerotech в США; Wuilfert во Франции; Acutronics в Швейцарии и др., выпускающих высокоточное испытательное оборудование.

Современные прецизионные испытательные стенды представляют собой целый комплекс сложных механических, прецизионных измерительных и автоматических управляющих систем [52]. Используемые в этих стендах фотоэлектрические растровые (импульсные) датчики угла, имеющие высокое разрешение и стабильность, а также прецизионные системы управления приводом [48-50] позволяют проводить испытания гироприборов как в режиме точного позиционирования, так и в режиме задания скорости вращения испытуемого прибора. При этом в режиме позиционирования угловое положение прибора относительно географической системы координат определяется с погрешностью, не превышающей 1", а в режиме задания скорости вращения обеспечивается широкий диапазон угловых скоростей (до 1400 о/с) при высокой стабильности задаваемого значения угловой скорости (до 0.0001%). Указанные испытательные стенды разрабатываются для испытаний широкого ассортимента изделий и являются универсальными, поэтому эти стенды имеют крупные габариты и вес. Измерительные и силовые системы этих стендов обладают высокой точностью, что неизбежно усложняет

конструкцию и приводит к их высокой себестоимости, а также к соответствующему повышению стоимости испытаний.

В то же время из анализа математической модели ССП ДНГ следует, что позиционирование платформы стенда с высокостабильной повторяемостью ограниченного числа положений относительно векторов угловой скорости Земли и ускорения свободного падения позволяет определить все необходимые коэффициенты данной модели. Таким образом, разработка испытательного поворотного стенда с малыми габаритами, простой кинематикой, низкой себестоимостью и высокой повторяемостью положений платформы относительно географической системы координат, является вполне реализуемой научно-технической задачей обеспечения аттестации прецизионных ДНГ или других гироскопических ЧЭ инерциального класса.

Целью диссертационной работы является обоснование, полученное на основе анализа уравнений движения ДНГ и его математической модели погрешностей, требований к конструкции поворотного испытательного стенда, исследование основных элементов стенда и разработка алгоритмов его применения при определении параметров гироскопа инерциального класса с требуемой для практики точностью.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. На основе анализа уравнений движения ДНГ и математической модели его погрешностей в условиях механических воздействий, определить все необходимые ориентации гироскопа относительно географической системы координат, для определения всех компонент этой модели.

2. Разработать кинематическую схему испытательного стенда и поворот-но-арретирующего механизма в среде 3-0 моделирования SoHdWorks, обеспечивающую все требуемые положения и высокую повторяемость ориентации платформы, при проверке параметров гироскопа.

3. Разработать математическую модель собственной скорости прецессии ДНГ, учитывающей неточность ориентации платформы относительно географической системы координат.

4. Составить необходимые алгоритмы для определения компонент математической модели погрешностей и масштабных коэффициентов ДНГ на предложенной конструкции испытательного стенда, разработать и отладить необходимую сервисную электронику и программное обеспечение для проведения экспериментальных исследований по проверке предложенных алгоритмов аттестации.

5. Провести экспериментальные исследования работоспособности предложенной схемы испытательного стенда и алгоритмов работы, сравнить с результатами моделирования и теоретического анализа и выработать необходимые для дальнейшего совершенствования данного метода аттестации рекомендации.

Объектом исследования является разработанный двухосный поворотный стенд с установленным на нем ДНГ типа ГВК-6, а также алгоритмы позиционирования платформы стенда относительно географической системы координат и обработки информации получаемой с измерительных каналов гироскопа.

Предметом исследования является анализ влияния точностных характеристик испытательного стенда при различной ориентации его платформы на точность аттестации ДНГ.

Методы исследований.

В работе диссертации использовались теория гироскопов и гироскопических систем, теория линейных векторных пространств, теория численного анализа и теория автоматического управления. При расчетах и моделировании применялись пакеты прикладных программ Ма^аЬ и МаШСАО. Для разработки элементов конструкции двухосного поворотного стенда и имитации его движения использовался пакет 3-0 моделирования SolidWorks. Разработано соответствующее программное обеспечение на языке С для управления разворотами платформы стенда, обработки в реальном времени и сохранения данных с измерительных каналов гироскопа на жесткий диск.

Диссертационная работа в структурном плане состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы.

В первой Главе анализируются достоинства и недостатки существующих прецизионных стендов используемых при испытаниях инерциальных систем и их чувствительных элементов. Составляются дифференциальные уравнения движения ДНГ на основе динамических уравнений Эйлера, которые определяют основные особенности движения ротора гироскопа при различных внешних воздействиях. Анализируются основные факторы, определяющие точностные характеристики ДНГ в условиях эксплуатации. Дается численная оценка влияния каждого из рассмотренных факторов на эксплуатационные характеристики гироскопа. Классифицированы погрешности ДНГ по конструктивным и технологическим признакам, а также с точки зрения влияния на прибор температурных, механических воздействий и магнитных полей. Составлена математическая модель ССП ДНГ на основе уравнений движения гироскопа, в состав которой входят основные и перекрестные масштабные коэффициенты, постоянные составляющие погрешности и составляющие погрешности, зависящие от g и погрешность, зависящая от ^. Для определения перечисленных параметров гироскопа рекомендуется статическая многопозиционная методика аттестации, а также дается обоснование возможности использования двухосного контрольно-испытательного стенда для аттестации ДНГ.

Во второй Главе предложен вариант двухосного автоматизированного испытательного стенда с поворотно-арретирующим механизмом, удовлетворяющего требованиям высокостабильной повторяемости и надежного арретирования в каждом положении платформы при аттестации ДНГ. Разработана кинематика и проведено моделирование движения платформы этого стенда в программной среде объемного проектирования SoHdWorks. Проанализирована работа основного элемента конструкции стенда - поворотно-арретирующего механизма на основе мальтийского креста. Подробно, с использованием аналитических расчетов и численного моделирования в среде SolidWorks, исследуются количество обеспечиваемых им фиксируемых положений платформы и стадии его работы: разво-

роты и арретирование. Определяются влияние зазора между поверхностями контакта механизма, вызываемого изменением температуры или технологическими факторами, на точность и повторяемость положений платформы, а также оптимальная величина натяга минимизирующая силы контакта и моменты трения для обеспечения длительной работоспособности механизма. Для снижения контактного давления и, соответственно, момента трения между контактирующими поверхностями механизма предложено и рассчитано устройство упругой развязки.

В третьей Главе разработаны математическая модель ССП ДНГ в установившемся режиме, учитывающая реальную ориентацию платформы относительно географической системы координат, и многопозиционная статическая методика испытания с соответствующим алгоритмом идентификации параметров модели ССП ДНГ. Приведены методы обработки данных получаемых в процессе испытаний. Разработан интерфейс программного обеспечения на языке С, функционирующий в операционной системе Windows и выполняющий функции:

• подачи питания на электронные модули, привод гироскопа;

• включение контура обратной связи гироскопа;

• разворота и арретирования платформы стенда по заданной программе;

• съем и обработку данных ДНГ по четырем каналам (2 - токи в датчиках момента, 2 - напряжения с датчиков угла);

• запись в файлы на жестком диске ЭВМ;

• эмуляция программы аттестации ДНГ для подготовки операторов.

В четвертой Главе разработаны методические рекомендации для выполнения работ со стендом, изготовлены и отлажены электромеханические элементы испытательного комплекса, электронные модули связи стенда и гироскопа с ЭВМ. Проведенные эксперименты по аттестации гироскопа ГВК-6 на стенде подтвердили работоспособность контрольно-измерительных функций стенда, и правильность предложенных в теоретической части алгоритмов аттестации ДНГ.

В заключении приведены основные результаты диссертационной работы и выводы по ней.

В процессе проведения работы получены следующие положения, выносимые на защиту:

- На основе анализа уравнений движения ДНГ разработана его математическая модель, учитывающая условия эксплуатации, и выявлены все необходимые ориентации относительно географической системы координат, обеспечивающие определение параметров этой математической модели.

- Для обеспечения всех требуемых ориентаций ДНГ при его аттестации предложено и проанализировано поворотно-арретирующее устройство, обеспечивающее высокую повторяемость ориентации положений платформы, и хорошо вписывающееся в конструкцию поворотного стенда.

- Разработаны математическая модель ДНГ в режиме ДУС и алгоритмы аттестации, учитывающие неточности ориентации платформы относительно географической системы координат и позволяющие обеспечить высокую точность определения параметров гироскопа при проведении его аттестации.

Научная новизна работы:

1. Разработана математическая модель ССП ДНГ в режиме ДУС, учитывающая неточности ориентации платформы относительно географической СК и позволяющая с высокой точностью определять с масштабные коэффициенты и компоненты погрешностей ДНГ.

2. Разработана кинематическая схема поворотно-арретирующего устройства и двухосного контрольно-испытательного стенда, обеспечивающие все необходимые ориентации платформы относительно географической системы координат при аттестации ДНГ и высокую повторяемость позиционирования платформы в каждом положении.

3. Разработаны алгоритмы аттестации и программное обеспечение на предложенном двухосном стенде, позволяющее определять масштабные коэффициенты и составляющие математической модели погрешностей ДНГ в автоматизированном режиме.

Практическая значимость работы

1. Разработанное поворотно-арретирующее устройство, установленное на

предложенном двухосном испытательном стенде, обеспечивает все необходимые развороты, требуемые для полной проверки параметров ДНГ, точное позиционирование платформы, а также имеет малые габариты и минимальное количество конструктивных элементов.

2. Разработанный алгоритм аттестации ДНГ, с учетом предварительной паспортизации отклонений реальной ориентации платформы в задаваемых положениях относительно базовой СК, связанной с основанием, обеспечивает проверку параметров гироскопа с высокой точностью на предложенном двухосном стенде.

3. Созданный пакет программного обеспечения позволяет управлять разворотом и арретированием платформы стенда во всех положениях, проводить съем, обработку и сохранение данных, полученных при испытаниях гироскопов, в автоматизированном режиме по задаваемой программе при минимальном участии оператора.

4. Рассмотренный двухосный испытательный стенд может использоваться также для аттестации других гироприборов инерциального класса и акселерометров.

5. Разработано методическое пособие для студентов по проверке параметров ДНГ по курсу «Гироскопические приборы и системы ориентации».

Достоверность результатов работы подтверждается соответствием результатов, полученных математическим моделированием движения ДНГ совместно с двухосным поворотным стендом, с экспериментальными данными на разработанном испытательном стенде и образце гироскопа типа ГВК-6, проведенных в МГТУ им. Н.Э. Баумана по предложенной в работе методике.

Внедрение результатов работы.

Полученные в диссертационной работе результаты внедрены в учебном процессе кафедры приборов и систем ориентации, стабилизации и навигации федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Московский государственный технический университет имени Н.Э.

Баумана» (национальный исследовательский университет) для выполнения лабораторных работ, проведения лекционных занятий.

Личный вклад автора

Разработал математическую модель ДНГ в режиме ДУС, конструкцию основных элементов двухосного испытательного стенда обеспечивающего определение всех параметров модели ДНГ, алгоритмы и соответствующее программное обеспечение для аттестации параметров ДНГ в автоматизированном режиме, провел экспериментальные исследования испытательного стенда с гироскопом типа ГВК-6, проанализировал полученные результаты и получил оценку точности определения характеристик гироскопа на предложенной конструкции стенда и разработанных алгоритмах его работы.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы были доложены и обсуждены на конференциях:

- «Студенческая научная весна», МГТУ им. Н.Э. Баумана (Москва 2014, 2015, 2016),

- XXXVIII, XXXIX, ХL и ХLI академических чтениях по космонавтике, посвященных памяти С.П. Королёва и других выдающихся отечественных учёных -пионеров освоения космического пространства МГТУ им. Н.Э. Баумана (Москва, 2014, 2015, 2016 и 2017).

Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в 8 научных работах общим объемом 2,32 п.л., в том числе в 3 статьях в изданиях, входящих в Перечень ВАК РФ.

Автор выражает благодарность своему научному руководителю, сотрудникам кафедры приборов и систем ориентации, стабилизации и навигации МГТУ им. Н.Э. Баумана, в особенности А.В. Полынкову и Д.В. Майорову, за поддержку и помощь в научной работе.

Глава 1. Анализ требований к контрольно-испытательному стенду для проверки параметров ДНГ

1.1. Контрольно-испытательная аппаратура для испытаний инерци-альных систем и их чувствительных элементов

Для удовлетворения возрастающих требований к точности ИНС, систем ориентации и управления авиационной, аэрокосмической и морской техники неуклонно растет уровень технологического обеспечения разработок чувствительных элементов систем ориентации, навигации и управления. Помимо роста технологических возможностей, в настоящее время, в связи с резким развитием микропроцессорной техники и ее широким применением в бортовых вычислительных машинах, также стало возможным обеспечивать высокую точность систем ориентации благодаря применению сложных алгоритмов компенсации погрешностей инерциальных чувствительных элементов в реальном времени. Снижение ошибок навигации путем компенсации погрешностей гироскопов и акселерометров требует тщательного их анализа на этапе изготовления и приемо-сдаточных испытаний. Для этого существуют различные специализированные и универсальные стенды обеспечивающие задание всех возможных в условиях эксплуатации воздействий с целью выявления их влияния на выходные характеристики чувствительных элементов для последующей алгоритмической компенсации этого влияния на точность систем ориентации. Таким образом, вопросы разработки контрольно-испытательных стендов и алгоритмов их работы имеют большое значение для повышения характеристик ИНС, систем ориентации, стабилизации и управления различных объектов [42].

Уже длительное время в США ведутся разработки и исследования испытательных поворотных стендов для калибровки навигационных систем и их чувствительных элементов. Первый стенд типа «А» был создан в Массачусетском технологическом институте (Massachusetts Institute of Technology MIT) в 1945 г., и

до настоящего времени США являются лидером в разработке и использовании испытательных стендов. Там выпускается большое количество разнообразной испытательной аппаратуры высокой точности и степени автоматизации, и, практически до настоящего времени, именно они определяли уровень и направление их развития в мире. В 1968 г. в США разрабатывается испытательный стенд типа «Е», являющийся символом второго поколения прецизионных тестовых систем. Этот стенд устанавливался на гидравлических опорах, по осям вращения размещались аэростатические подшипники, а в качестве датчиков угла поворота использовалась оптическая измерительная система, обеспечивавшая точность ориентации до 3 угл.сек. После 1969 г. расположенная в Пенсильвании США компания Contraves Georz Corporation (CGC) стала одним из основных производителей инерциальных испытательных стендов и комплекса имитирующего движение в реальных условиях эксплуатации. В начале 70-ых годах 20-го века, в данной компании началась разработка многоосного тестового стенда, в котором использованы сельсины в качестве измерителей углов, точность которых достигала 1 угл.сек. В 1984 г. эта компания запустила в производство сверхточный трехосный испытательный стенд (Improved There-Axis Test Table, IT ATT).

Компания CGC также разрабатывала различное испытательное оборудование, в том числе, например: стенд обеспечивающий вращение, угловую и линейную вибрацию, температурные воздействия и т.д., который в совокупности с ЭВМ представляет собой прецизионную комплексную испытательную станцию. На этой станции проводились испытания для проверки параметров систем ориентации и инерциальных ЧЭ. Эти автоматизированные измерительные комплексы имеют бесспорную эффективность из-за возможности задания множества воздействующих эксплуатационных факторов, а также позволяют сократить время испытания, ошибки операторов и т.д. [43, 44].

В средине 60-х годах 20-го века в Китае начали разрабатывать контрольно-испытательные стенды и в настоящее время эти работы достаточно быстрыми темпами и интенсивно развиваются. В 1966 г. в институте № 707 Китая разработан одноосный поворотный стенд типа DT-1 с низкой скоростью вращения для

проверки двухосного поплавкового интегрирующего гироскопа. В 1975 г. в институте № 303 создан поворотный стенд тип SFT-1.1, на котором использованы фотоэлектрические растровые (импульсные) датчики угла. Через 4 года был создан первый в Китае двухосный стенд с воздушными подшипниками в Харбинском технологическом университете [45]. В 1983 г. был создан самый большой в Китае двухосный испытательный стенд типа SSFT, который предназначен для калибровки двух- и трехстепенных гироскопов и акселерометров. В 1987 г. в Харбинском технологическом университете был создан управляемый от компьютера двухосный поворотный стенд типа CCGT-1, с точностью измерения углов до 1,5 угл.сек. В 1990 г. созданный тестовой стенд типа SGT-1 стал первым трехосным стендом с компьютерной системой управления, основные точностные параметры которого: повторяемость ±2 угл.сек., неперпендикулярность двух оси ±1 угл.сек., точность измерения углов 1 угл.сек.

В настоящее время одними из самых известных организаций, занимающихся разработкой прецизионных испытательных стендов и определяющих развитие техники и технологии тестового оборудования в мире, являются такие компании как Ideal Aerosmith, Aerotech в США, Wuilfert во Франции, Acutronics в Швейцарии и т.д. [46, 57]. Тенденция развития современных испытательных стендов заключается в обеспечении комплексных испытаний включающих температурные, вибрационные, различные виды углового и поступательного движения [47]. Кроме точного позиционирования и задания скорости вращения, стенды совмещают с барокамерами и на них имитируют динамику полета. Эти прецизионные тестовые стенды, использующие сложную механику, современные оптические и электромеханические системы, представляют собой комплексную высоко автоматизированную аппаратуру и широко используются в аэрокосмических и авиационных исследованиях.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Тан Синюань, 2018 год

- блок источников питания;

- персональный компьютер (ПЭВМ) с разработанным программным обеспечением для управления стендом и обработки выходной информации испытуемого прибора.

Рис. 4.2. Конструктивная схема платы Arduino MEGA2560

Arduino MEGA 2560 - это устройство на основе микроконтроллера ATmega2560, имеющий: 54 цифровых входа/выхода, 16 аналоговых входов, 4 UART (аппаратных приемопередатчиков для реализации последовательных интерфейсов), кварцевый резонатор на 16 МГц, разъем USB, разъем питания, разъем ICSP для внутрисхемного программирования и кнопка сброса. Измеряемое аналоговое напряжение в диапазоне от 0 до +5В подается на 16 аналоговых входов поступающих для оцифровки в 10 разрядный АЦП,.

Перед включением испытательного стенда и гироскопа необходимо вначале подать питание на модуль сопряжения с компьютером (Arduino) от AC/DC-адаптера или батарейки, либо подключить его к компьютеру посредством USB-кабеля.

Вращение платформы вокруг двух осей стенда осуществляется при помощи

двух приводов, каждый из которых содержит электродвигатель постоянного тока типа ДПР-42-Н1-03, редуктор и механизм поворота типа «мальтийский крест».

Рис. 4.3. Монтажная плата электронного модуля кодировки

положений платформы

Блок питания обеспечивает испытательный стенд и проверяемый гироскоп напряжениями 27В, ±15В и 12В. Блок электроники стенда содержит блок генератора ДУ гироскопа с параметрами 2.5В, 19.2 кГц, блок кодировки положений платформы стенда (Рис.4.3), блок управления двигателями стенда на базе микросхемы Ь298К (Рис.4.4), вспомогательные усилители и коммутационное устройство.

Управление поворотами и арретированием стенда осуществляется с персонального компьютера через плату сопряжения Arduino MEGA 2560 и микросхему L298N, представляющую собой сдвоенный мостовой драйвер интегрированной моноблочной структуры для управления двунаправленными нагрузками с токами до 2А и напряжением от 4.5В до 46В, обеспечивающей управление двигателями постоянного тока стенда ДПР-42-Н1-03.

В качестве измерительного гироскопа для экспериментальной отработки алгоритмов аттестации на испытательном поворотном стенде выбран ДНГ типа ГВК-6, разработки предприятия «Инерциальные технологии «Технокомплекса»», представленный на Рис.4.6.

Рис. 4.6. Испытуемый гироскоп ДНГ модуль ГВК-6

4.2. Методика исследования

Перед испытанием обеспечивается горизонтальность платформы стенда регулированием трех опор основания стенда. Далее производятся повороты платформы и рамки вокруг осей £ и 2 в соответствии с поставленной задачей в эксперименте.

В соответствии с алгоритмами, представленным в Главах 1 и 3, в положениях 1 гироскопа, показанных на Рис.4.7 оси чувствительности гироскопа х и у лежат в

горизонтальной плоскости, а вектор кинетического момента Н направлен по вертикали вверх.

Положения 1 позволяют исключить из выходной информации измерительных каналов компоненты погрешности, пропорциональные первой степени ускорения и определить масштабные коэффициенты и постоянные составляющие дрейфа гироскопа.

Рис. 4.7. Положения 1 гироскопа относительно географической системы координат для определения масштабных коэффициентов и постоянных составляющих дрейфа: Устанавливаемые положения корпуса гироскопа: «1А» - 0 = 0о, ф=0о; «1Б» - 0 = 0о, ф= 90о; «1В» - 0 = 0о, ф= 180о; «1Г» - 0 = 0о, ф=270о; ^ПС - СК связана с основанием; хуг - СК связана с корпусом гироскопа, юг и юв - горизонтальная и вертикальная составляющие угловой скорости Земли; ф - угол поворота платформы вокруг своей оси вращения 2.

Как видно из Рис.4.7 для данных положений гироскопа угловая скорость его корпуса вокруг оси чувствительности определяется горизонтальной составляющей угловой скорости собственного вращения Земли юг.

После определения масштабных коэффициентов и постоянных составляющих дрейфа платформа разворачивается вокруг оси рамки стенда (оси £) на 90о, так чтобы вектор кинетического момента Н лежал в плоскости горизонта и был направлен на Юг. Положения 2, показанные в Рис.4.8, позволяют определить постоянные составляющие погрешностей не зависящие от g и составляющие погрешности юкв и ю^ пропорциональные g, с учетом полученных масштабных коэффициентов в положениях 1.

У

0=90

П

Е

Рис. 4.8. Положения 2 гироскопа относительно географической системы координат для определения масштабных коэффициентов, постоянных и зависящих от g в первой степени составляющих погрешностей: Испытуемые положения: 2А» - 0=90о,ф=0о; «2Б» - 0=90о,ф=90о; «2В» - 0=90о,ф=180о; «2Г» - 0=0о, ф=270о.

г

Для места проведения испытаний (МГТУ им. Н.Э. Баумана, г. Москва) ускорение свободного падения g=9.82 м/с , горизонтальная и вертикальная проекция скорости собственного вращения Земли составляют юг= 8,45 °/ч; юв= 12,44 °/ч. Структурная схема испытания гироскопа представлена на Рис.4.9 [59].

Рис. 4.9. Структурная схема испытаний ДНГ на двухосном

поворотном стенде

4.3. Порядок проведения работ на стенде

1. Перед испытанием убедиться, что контрольно-испытательная система соединена по схеме, показанной на Рис. 4.10.

питаний

Источник питания +27В

Источник питания ±15В

Источник питания привода ДНГ

Рис. 4.10. Блок-схема рабочего места для проведения испытаний ДНГ

1.. .5 - жгуты; Х1.. .^9 - разъемы.

2. Включить компьютер.

3. Запустить программу «Испытательный комплекс ДНГ.ехе».

4. Подать питание путем нажатия кнопок в панели «Включение и контроль питаний». Проконтролировать через 1 мин, что кнопка в панели «Режим работы привода» переключилась в положение «Рабочее».

5. Проконтролировать, что стенд находится в положении «1».

6. Замкнуть контур обратной связи гироскопа, для чего нажать кнопки «Подключение» в панели «ДМ» при этом кнопка «Подключение» переключается в положение «Отключение» с зеленым цветом.

7. Повернуть стенд в положение А, нажав в окне программы на кнопку «А».

8. Через 30 сек. после остановки стенда нажать в окне программы на кнопку «Начало» в панели «Измерение». При этом программа автоматически будет производить считывание и осреднение измеряемых токов, а также через 3 минуты

Двухосный поворотный стенд

ПЭВМ

ШБ

Контрольные разъемы

I

Блок электроники

Х3

Бло

Х5

Х6

Х7

47

4

3

5

автоматически завершится измерение, и будут сохранены данные на жестком диске ПЭВМ. Средние значения токов датчиков моментов ДМХ и ДМУ будут индицированы в окне «Средние значения токов ДМ».

9. Последовательно повернуть стенд в положения Б, В, Г и повторить испытания по п.8 в каждом из этих положений.

10. По окончании испытаний по п.8. отключить контур обратной связи ДМ, отжав кнопки «Отключение», на панели «ДМ», снять питание с привода гироскопа, отжав кнопки «Привод».

11. Через 5 минут после выключения привода гироскопа повернуть стенд в положение 2, нажав в окне программы на кнопку «2», находящуюся в окне «Положение».

12. Подать питание на гироскоп и замкнуть обратные связи гироскопа в соответствии с п.6.

13. Последовательно повернуть стенд в положения А, Б, В, Г и повторить испытания по п.7 - 8 в каждом из положений. Данные автоматически сохраняются на жестком диске ПЭВМ по окончании измерения.

14. Вывести на экран расчетные значения параметров ДНГ нажав кнопку «Результаты измерений».

4.4. Результаты эксперимента на двухосном поворотном стенде

4.4.1. Определение масштабных коэффициентов и постоянных составляющих собственной скорости прецессии

Платформа испытательного стенда была установлена в плоскости горизонта с помощью оптического квадранта с точностью 10 угл.мин., и с использованием методики гирокомпасирования была сориентирована осью ц в направлении на Север. После этого, проведены 4 измерения токов датчиков момента гироскопа ГВК-6 в одном запуске в положениях 1А - 1Г (вектор кинетического момента гироскопа Н направлен по вертикали, т.е. 0=0°). Математические ожидания токов в

обмотках ДМ гироскопа в каждом из этих положений представлены в следующей Таблице.

Таблица 6.

Средние значения токов (мА), в ДМ ДНГ типа ГВК-6 в положениях 1 А.. ,1Г.

Положения 1А (с Р=0°) 1Б (ф=90°) 1В (ф=180°) 1Г (ф=270°)

№ измерения Л Зу Зх ЗУ Зх ЗУ Зх ЗУ

№ 1 0.0121 0.1256 0.1274 0.0140 0.0168 -0.1016 -0.0985 0.0097

№ 2 0.0121 0.1257 0.1274 0.0138 0.0167 -0.1011 -0.0981 0.0099

№ 3 0.0121 0.1259 0.1270 0.0144 0.0167 -0.1010 -0.0979 0.0099

№ 4 0.0122 0.1257 0.1271 0.0144 0.0165 -0.1012 -0.0984 0.0097

Математические ожидания 0.0121 0.1257 0.1272 0.0142 0.0167 -0.1012 -0.0982 0.0098

Среднеквадра-тические значения отклонений (а) х10-4 4.3 1.1 1.8 2.6 1.1 2.3 2.4 1.0

По полученным данным Таблицы 6, с использованием алгоритма (1.47), определены масштабные коэффициенты: Кх; Ку; Ку Кух и постоянные составляющие погрешности: ю0х1; ю0у1, которые представлены в Таблице 7, где также рассчитаны математические ожидания параметров в 4 измерениях одного запуска и их среднеквадратические отклонения.

Таблица 7.

Масштабные коэффициенты, постоянные составляющие дрейфа гироскопа, математические ожидания и среднеквадратические отклонения в положении 1 (вектор Н направлен по вертикали вверх) (9=0°).

Параметры Кх (о/ч/мА) КУ (о/ч/мА) Кху (о/ч/мА) Кух (о/ч/мА) ®0х1 (о/ч) ®0у1 (о/ч)

Измерение № 1 74.782 74.355 1.547 -1.415 -1.099 -0.866

Измерение № 2 74.918 74.489 1.520 -1.288 -1.107 -0.881

Измерение № 3 75.114 74.452 1.523 -1.490 -1.106 -0.894

Измерение № 4 74.915 74.453 1.420 -1.552 -1.092 -0.882

Математические ожидания 74.932 74.437 1.502 -1.436 -1.101 -0.881

Среднеквадратические отклонения (а) 0.1183 0.0499 0.0488 0.0982 0.0058 0.0099

4.4.2 . Определение постоянных составляющих собственной

скорости прецессии и составляющих пропорциональных g

После испытаний в положении 1 (Таблицы 6 и 7), платформа стенда вместе с установленным на ней гироскопом была развернута вокруг оси £ в положение 2 (вектор Н направлен на Юг) и, поворачивая платформу вокруг оси 2 (вектора Н), через 90о, проведены испытания в положениях 2А - 2Г в 4-х измерениях в одном запуске. Измеренные средние значения токов в обмотках ДМ представлены в Таблице 8.

Таблица 8.

Средние значения токов (мА) в ДМ ДНГ типа ГВК-6 в положениях 2А...2Г.

Положения 2А (ф=0о) 2Б (ф=90о) 2В (ф= =180°) 2Г (ф=270°)

№ измерения Л у Л у Л у Л

№ 1 0.0153 0.1510 0.1534 0.0114 0.0135 -0.1276 -0.1242 0.0129

№ 2 0.0153 0.1511 0.1531 0.0113 0.0136 -0.1277 -0.1241 0.0129

№ 3 0.0154 0.1512 0.1532 0.0110 0.0136 -0.1271 -0.1240 0.0127

№ 4 0.0156 0.1511 0.1532 0.0114 0.0135 -0.1278 -0.1242 0.0131

Математические ожидания 0.0154 0.1511 0.1532 0.0113 0.0135 -0.1276 -0.1241 0.0129

Среднеквадра-тические откло- 1.2 0.7 1.1 1.6 0.5 2.7 0.8 1.4

нения (а) х10-4

С учетом рассчитанных масштабных коэффициентов: Кх; Ку; К^ Кух по положениям 1 определим, в соответствии с (1.49), постоянные и зависящие от g в первой степени составляющие дрейфа гироскопа ГВК-6, а также их математические ожидания и среднеквадратические отклонения. Результаты представлены в Таблице 9.

Постоянные и зависящие от g составляющие дрейфа гироскопа ГВК-6,

их математические ожидания и среднеквадратические отклонения _в положениях 2А...2Г (вектор Н направлен на Юг)._

Параметры ®0х2 (о/ч) ®0у2 (о/ч) ®квх (7ч/?) ®gx (°/ч/?) ®кву (о/ч/?) ®gУ (7ч/?)

Измерение № 1 -1.104 -0.867 0.277 2.041 0.255 2.072

Измерение № 2 -1.103 -0.865 0.273 2.056 0.257 2.065

Измерение № 3 -1.108 -0.869 0.276 2.056 0.262 2.083

Измерение № 4 -1.106 -0.869 0.288 2.048 0.262 2.061

Математические ожидания -1.105 -0.867 0.279 2.050 0.260 2.070

Среднеквадратические отклонения (а) 0.0021 0.0015 0.0057 0.0063 0.0030 0.0085

Далее проведены испытания гироскопа ГВК-6 в положениях 1А...1Г (вектор кинетического момента гироскопа Н направлен по вертикали, т.е. 0=0°) и 2А...2Г (вектор кинетического момента гироскопа Н направлен на Юг, т.е. 0=90°) в 4-х запусках гироскопа. Измеренные значения токов в обмотках ДМ по 4 запускам в каждом из этих положений представлены в Таблицах 10 и 11. Результаты расчетов по этим данным представлены в Таблице 12.

Таблица 10.

Результаты измерений токов (мА) от запуска к запуску в положении 1 в условиях _выставки относительно географической системы координат_

Положения 1А (ф=0°) 1Б (ф=90°) 1В (ф=180°) 1Г (ф=270°)

№ запуска Л Зу Л ЗУ Зх ЗУ Зх ЗУ

№ 1 0.0121 0.1256 0.1274 0.0140 0.0168 -0.1016 -0.0985 0.0097

№ 2 0.0123 0.1274 0.1273 0.0159 0.0170 -0.0994 -0.0983 0.0130

№ 3 0.0116 0.1267 0.1267 0.0153 0.0165 -0.1004 -0.0990 0.0104

№ 4 0.0125 0.1270 0.1282 0.0159 0.0176 -0.0997 -0.0977 0.0104

Математические ожидания 0.0121 0.1267 0.1274 0.0153 0.0170 -0.1003 -0.0984 0.0109

Среднеквадрати-ческие отклонения (а) х10-4 3.3 6.7 5.3 7.8 4.0 8.5 4.7 13

Результаты измерений токов (мА) от запуска к запуску в положении 2 в условиях _выставки относительно географической системы координат_

Положения 2А (с р=0°) 2Б (ф=90°) 2В (ф=180°) 2Г (ф=270°)

№ Запуска Л Зу Л Зу Л Зу Л Зу

№ 1 0.0153 0.1510 0.1534 0.0114 0.0135 -0.1276 -0.1242 0.0129

№ 2 0.0162 0.1552 0.1554 0.0138 0.0137 -0.1265 -0.1251 0.0163

№ 3 0.0159 0.1539 0.1547 0.0130 0.0136 -0.1267 -0.1249 0.0152

№ 4 0.0159 0.1542 0.1552 0.0123 0.0134 -0.1277 -0.1255 0.0140

Математические ожидания 0.0158 0.1536 0.1547 0.0126 0.0136 -0.1271 -0.1249 0.0146

Среднеквадра-тические отклонения (а) х10-4 3.3 16 7.8 8.8 1.1 5.3 4.7 13

Таблица 1 2.

Результаты испытаний от запуска к запуску в условиях выставки относи-

тельно географической системы координат

Запуск Запуск Запуск Запуск Математическое Среднеквадратическое

№ 1 № 2 № 3 № 4 ожидание значение отклонения

Кх (о/ч/мА) 74.782 74.891 74.843 74.771 74.822 0.0486

Ку (о/ч/мА) 74.355 74.496 74.382 74.507 74.435 0.0673

Кху (о/ч/мА) 1.547 1.552 1.615 1.682 1.599 0.0549

Кух (о/ч/мА) -1.415 -0.958 -1.615 -1.814 -1.451 0.3175

Ю0х1 (°/ч) -1.099 -1.114 -1.065 -1.155 -1.108 0.0324

Ю0х2 (о/ч) -1.104 -1.150 -1.131 -1.125 -1.127 0.0163

Ю0у1 (о/ч) -0.866 -1.046 -0.944 -0.971 -0.957 0.0642

Ю0у2 (о/ч) -0.867 -1.072 -1.009 -0.961 -0.977 0.0751

Юкк (°/ч/g) 0.290 0.319 0.310 0.319 0.310 0.0117

Юкву e/ч/g) 0.257 0.296 0.285 0.267 0.276 0.0153

%х (°/ч/g) 2.056 1.948 1.982 1.940 1.982 0.0457

(0/ч/g) 2.073 1.958 1.998 1.950 1.995 0.0485

4.4.3. Определение параметров гироскопа с учетом отклонения

ориентаций относительно географической системы координат

Для проверки алгоритма аттестации учитывающего неточность ориентации платформы, разработанной в Главе 3, основание стенда поворачивалось вокруг вертикальной оси на 10,7 5о. После этого повторялись испытания в положениях 1А... 1Г и 2А...2Г, как в предыдущих разделах 4.3.1 и 4.3.2. Углы, определяющие матрицу неточностей ориентации платформы относительно географической СК в арретируемых положениях, в которых проводились испытания, представлены в Таблице 13. Измеренные средние значения токов в обмотках ДМ представлены в Таблицах 14 и 15.

Таблица 13.

^"^\Положения

1А 1Б 1В 1Г 2А 2Б 2В 2Г

(град.)

а 0 0 0 0 0 10.75 0 -10.75

в 0 0 0 0 10.75 0 -10.75 0

Y 10.75 10.75 10.75 10.75 0 0 0 0

Таблица 14.

Математические ожидания токов (мА) из ДМ ДНГ в положении 1 с учетом имитации неточной ориентации платформы относительно географической СК

Положения 1А (ф=0о) 1Б (ф=90о) 1В (ф=180о) 1Г (ф=270о)

№ Измерения Jy Jx Jy Jx Jy Jx Jy

№ 1 0.0328 0.1244 0.1255 -0.0065 -0.0048 -0.0997 -0.0973 0.0318

№ 2 0.0329 0.1243 0.1254 -0.0064 -0.0053 -0.0996 -0.0974 0.0311

№ 3 0.0330 0.1243 0.1254 -0.0062 -0.0053 -0.0998 -0.0974 0.0314

Математические ожидания 0.0329 0.1243 0.1254 -0.0064 -0.0051 -0.0997 -0.0974 0.0314

Среднеквадра-тические отклонения (а) х10-4 0.8 0.5 0.5 1.2 2.4 0.8 0.5 2.9

Математические ожидания токов (мА) из ДМ ДНГ в положении 2 с учетом имитации неточной ориентации платформы относительно географической СК

Положения 2А (ф=0о) 2Б (ф=90о) 2В (ф=180о) 2Г (ф=270о)

№ Измерения Л Зу Л ЗУ Л ЗУ Л ЗУ

№ 1 0.0377 0.1534 0.1550 -0.0102 -0.0073 -0.1280 -0.1248 0.0348

№ 2 0.0377 0.1530 0.1548 -0.0100 -0.0076 -0.1280 -0.1248 0.0349

№ 3 0.0376 0.1533 0.1547 -0.0103 -0.0076 -0.1282 -0.1246 0.0349

Математические ожидания 0.0377 0.1532 0.1548 -0.0102 -0.0075 -0.1281 -0.1247 0.0349

Среднеквадра-тические отклонения (а) х 10-4 0.5 1.7 1.2 1.2 1.4 0.9 0.9 0.5

При определении искомых параметров гироскопа по результатам испытаний (Таблицы 14, 15) в условиях реальной ориентации корпуса относительно СК связанной с основанием стенда использовались соотношения (3.20) - (3.24), учитывающие алгоритм пересчета из реальной ориентации в идеальную. Результаты вычисления представлены в Таблице 16.

Таблица 16.

Результаты аттестации в условиях имитации неточной ориентации

Измер. № 1 Измер. № 2 Измер. № 3 Математическое ожидание Среднеквадратические отклонения (а)

Кх (о/ч/мА) 74.784 74.872 74.741 74.799 0.0545

Ку (о/ч/мА) 74.321 74.430 74.364 74.372 0.0448

Кху (о/ч/мА) 1.454 1.407 1.228 1.363 0.0974

Кух (о/ч/мА) -1.307 -1.558 -1.534 -1.466 0.1131

®0х1 (о/ч) -1.069 -1.073 -1.056 -1.066 0.0073

®0х2 (о/ч) -1.151 -1.143 -1.138 -1.144 0.0054

®0у1 (о/ч) -0.911 -0.897 -0.903 -0.904 0.0057

®0у2 (о/ч) -0.909 -0.905 -0.910 -0.908 0.0022

®квх (о/ч/я) 0.318 0.325 0.293 0.312 0.0137

®кву (о/ч/^) 0.286 0.320 0.326 0.311 0.0176

®« (%/*) 2.011 2.005 2.030 2.015 0.0107

(о/ч/^) 2.013 2.018 2.008 2.013 0.0041

Сравнение результатов определения искомых параметров ДНГ в условиях идеальной и реальной ориентаций платформы стенда относительно географической СК представлено в Таблице 17.

Таблица 17.

Математические Математические Абсолютная погрешность Относительная

ожидания в условиях ожидания в условиях погрешность,

точной ориентации реальной ориентации %

Кх (о/ч/мА) 74.932 74.799 0.133 0.177

Ку (о/ч/мА) 74.437 74.372 0.065 0.087

Кху (о/ч/мА) 1.502 1.363 0.139 -

КУх (о/ч/мА) -1.436 -1.466 0.030 -

®0х1 (о/ч) -1.101 -1.066 0.035 -

®0х2 (о/ч) -1.105 -1.144 0.039 -

®0у1 (о/ч) -0.881 -0.904 0.023 -

®0у2 (о/ч) -0.867 -0.908 0.041 -

®квх (°/ч/#) 0.279 0.312 0.033 -

®кву (о/ч/^) 0.260 0.311 0.051 -

®ех (о/ч/^) 2.050 2.015 0.035 -

®еу (о/ч/^) 2.070 2.013 0.057 -

4.5. Анализ результатов испытаний

Из сравнения результатов испытаний, в условиях точной ориентации показанных в Таблицах 7 и 9, с результатами имитирующими неточность ориентации (Таблица17) видно то, что среднеквадратические значения отклонений измеряемых масштабных коэффициентов не превышает 0,18 %, а постоянных составляющих погрешностей и погрешностей, зависящих от не превышают 0,06о/ч.

Среднеквадратические значения отклонений токов ДМ по 4 запускам (Таблицы 10 и 11) составляют (1.0 - 16.0)10^ мА, а результаты 4-х измерений в одном запуске (Таблицы 6, 8, 14 и 15) показывают, что среднеквадратические значения отклонений измеренных токов в датчиках момента составляют (0.4 - 3.0)10^ мА.

Эти данные свидетельствуют о том, что при измерении в одних и тех же условиях, точность гироскопа ГВК-6 в одном запуске примерно в 5 раз выше, чем от запуска к запуску.

В то же время, учитывая случайную составляющую дрейфа гироскопа ГВК-6 [62] равную 0,01 °/ч, можно прогнозировать нестабильность величины токов в

моментных датчиках - 1.3Х10-4 мА, что вполне соответствует экспериментальным данным измерения параметров гироскопа в одном запуске.

Поэтому, при проведении точностных испытаний ДНГ в процессе его аттестации, в качестве рекомендации можно отметить необходимость минимизации количества отключений гироскопа и обеспечения измерения параметров прибора в одном запуске.

В качестве дополнительных причин (помимо нестабильности самого гироскопа), вызывающих нестабильность токов в моментных датчиках при измерении, можно отметить:

- использование 10-разрядного АЦП, точность которого в схеме измерения

—3

тока не превышала 10 мА,

- отсутствие, при проведении экспериментов, специального фундамента, исключающего влияние внешних механических воздействий на основание стенда,

- кроме того необходимо принимать во внимание наличие нестабильности сервисной электроники.

Таким образом, анализ возможных факторов, определяющих точность схемы измерения на поворотном стенде по разработанным алгоритмам, показал достаточное совпадение с экспериментальными данными и позволил выработать некоторые рекомендации по применению данного алгоритма для аттестации ДНГ.

Для дальнейшего повышения точности аттестации гироскопа ДНГ на предложенном двухосном поворотном стенде в соответствии с разработанным алгоритмом необходимо выполнить ряд следующих требований:

1. Необходимо минимизировать количество отключений гироскопа и проводить измерения параметров прибора в одном запуске.

2. Применить 14-ти разрядный аналого-цифровой преобразователь.

3. Использовать высокостабильные элементы сервисной электроники.

4. Установить стенд на специальном «развязанном фундаменте» исключающем влияние внешних источников механических воздействий на платформу стенда.

5. Обеспечить точную ориентацию основания стенда относительно геогра-

фической системы координат.

6. Аттестовать и паспортизовать реальную ориентацию платформы стенда в каждом положении относительно базовой системы координат, связанной с основанием стенда СК.

Выводы по Главе 4

1. Изготовлен и отлажен электронный модуль контура обратной связи гироскопа, обеспечивающего функционирование ДНГ в режиме датчика угловой скорости.

2. Разработана методика проведения испытаний гироскопа, позволяющая измерять масштабные коэффициенты Кх, Ку, Кху и Кух;постоянные составляющие дрейфа ®0х и ®0у, а также составляющие ®к и пропорциональные ускорению.

3. Собран и отлажен двухосный прецизионный автоматизированный стенд, на котором проводились испытания ДНГ.

4. Разработаны рабочее место для проведения испытания ДНГ и методика определения параметров гироскопа.

5. Проведенные экспериментальные исследования подтверждающие работоспособность предложенного стенда и эффективность разработанной методики аттестации ДНГ.

6. Разработанный интерфейс программного обеспечения на языке С, обеспечивает выполнение следующих функций:

- разворот и арретирование платформы стенда по заданной программе;

- съем и обработку данных с двух измерительных каналов ДНГ;

- запись результатов испытаний в файл на жестком диске;

- эмуляцию программы аттестации ДНГ для подготовки операторов,

- автоматизацию проверки параметров ДНГ по выбранным программам испытаний.

7. Выработаны рекомендации по применению данного алгоритма для аттестации ДНГ.

Общие выводы и заключение

В диссертационной работе получены следующие основные результаты:

1. На основе дифференциальных уравнений движения ДНГ разработаны математическая модель и структурная схема гироскопа в режиме ДУС, анализ которой позволил сформировать параметры контура обратной связи ДУС оптимальные для проведения аттестации ДНГ на двухосном испытательном стенде.

2. Проведен анализ наиболее существенных факторов, определяющих погрешности ДНГ в условиях эксплуатации, на основе которых составлена математическая модель ССП гироскопа и предложен вариант кинематики поворотного стенда, реализующий измерение всех компонент полученной модели.

3. Разработан и проанализирован вариант конструкции поворот-но-арретирующего механизма для малогабаритного двухосного испытательного стенда, обеспечивающего высокую повторяемость положений платформы стенда в процессе аттестации ДНГ. Предложено и рассчитано устройство упругой развязки обеспечивающее гарантированный контакт арретируемых поверхностей механизма и точное позиционирование платформы.

4. Разработана математическая модель ССП ДНГ в режиме ДУС, учитывающая реальную ориентацию платформы относительно географической СК, и позволяющая исключить влияние погрешностей этой ориентации на точность определения масштабных коэффициентов и компонент математической модели.

5. Разработанные алгоритмы аттестации и соответствующее программное обеспечение автоматизированного разворота платформы стенда в фиксированные положения относительно географической системы координат, с учетом возможности предварительной паспортизации неточности ориентации платформы относительно основания стенда, позволяет минимизировать трудоемкость проведения точностных испытаний ДНГ.

6. По результатам экспериментальных исследований подтверждена возможность разработанных методов ориентации и алгоритмов определять основные эксплуатационные параметры ДНГ с высокой точностью, даже при наличии погрешностей выставки платформы относительно географической системы координат, и даны рекомендации по обеспечению точностных испытаний гироскопа в реальных условиях.

108

Список литературы

1. Матвеев В. А., Подчезерцев В. П., Фатеев В. В. Гироскопические стабилизаторы на ДНГ: Учебное пособие по курсу «Теория гироскопов и гиростабилиза-торов». М.: Изд-во МГТУ им. Баумана, 2005. 102с.

2. Mansour W. M., Lacchini C. Two-axis dry tuned-rotor gyroscopes-Design and technology [J]. Journal of guidance, control, and dynamics, 1993, 16(3). P. 417-425.

3. МуВ. Х. Servo controller design of dynamically tuned gyroscope [D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2009. P. 1-56.

4. Чжоу Байлин. Проектирование и производство динамически настраиваемого гироскопа [M]. Нанкин: Издательство юго-восточного университета, 2002. 260 с.

5. Подчезерцев В.П., Ластович М.Ю и др. Динамически настраиваемый гироскоп: Методические указания к лабораторной работе по курсу «Гироскопические приборы и системы ориентации». М.: Изд-во МГТУ им. Баумана, 2011. 20 с.

6. Xu G, Tian W, Jin Z. An AGO-SVM drifts modeling method for a dynamically tuned gyroscope [J]. Measurement Science and Technology, 2006, 17 (1). Р. 161.

7. Александров А.Д., Правоторов Е.А., Рефельсон В.Ф., Гельдман М.П. Индикаторные гироскопические платформы. Под ред. А.Д. Александрова. М.: Машиностроение, 1979. 239 с.

8. Ишлинский А.Ю. Ориентация, гироскопы и инерциальная навигация. М.: Наука, 1976. 670 с.

9. Новиков Л.З., Шаталов М.Ю. Механика динамически настраиваемых гироскопов. М.: Наука, 1985, 215 с.

10. Пельпор Д.С., Михалев И.А., Бауман В.А. и др.; под ред. Д.С.Пельпор.-Гироскопические приборы и системы.- 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Выш. шк., 1988.424 с.: ил.

11. Craig R. Theory of operation on elastically supported tuned gyroscope. IEEE Trans. on aerospace and electron systems. 1972. Vol. 8. № 3. P. 277-289.

12. Craig R. Theory of errors of a multigimbal elastically supported tuned gyro-

scope. IEEE Trans. on aerospace and electron systems. 1972. Vol. 8. № 3. P. 289-298.

13. Подчезерцев В.П. Разработка методов и средств настройки и регулировки прецизионных динамически настраиваемых гироскопов. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва, 1986. 197 с.

14. Пельпор Д.С., Матвеев В.А., Арсеньев В.Д.; Динамически настраиваемые гироскопы. М.: Машиностроение, 1988. 264 с.:ил.

15. Mansour W M, Lacchini C. Two-axis dry tuned-rotor gyroscopes-Design and technology [J]. Journal of guidance, control, and dynamics, 1993, 16(3).P. 417-425.

16. Подчезерцев В.П., Тан Синюань., Цинь Цзыхао Компоненты модели погрешностей динамически настраиваемого гироскопа. Авиакосмическое приборостроение. 2015(№1).С.8-18.

17. Камке Э. Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям, 6 изд. Москва: «Наука», гл. ред. Физико-математической литературы, 1976. 576 с.

18. Седов Л.И. Механика сплошной среды. Т. 1. М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1983. 528 с.

19. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1987. 840 с.

20. Подчезерцев В.П., Скляр Б.Л. Нелинейные уравнения движения динамически настраиваемого гироскопа в астатической системе координат // Механика гироскопических систем. Республ. Междувед. науч.-техн. сб. 1985. №5. С. 25-34.

21. Li Fu, Yongquan Zhu, Lingling W, et al. A D-optimal multi-position calibration method for dynamically tuned gyroscopes [J]. Chinese Journal of Aeronautics, 2011, 24(2). P. 210-218.

22. Zhang, Rui, Fabian Hoflinger, and Leonhard M. Reind. «Calibration of an IMU using 3-D rotation platform». Sensors Journal, IEEE14.6 (2014).P. 1778-1787.

23. Fu L, Yang X, Wang L L. A novel calibration procedure for dynamically tuned gyroscope designed by D-optimal approach [J]. Measurement, 2013, 46(9). P.3173-3180.

24. American National Standards Institute, IEEE Specification Format Guide and Test Procedure for Two-Degree-of -Freedom Dynamically Tuned Gyros. ANSI/IEEE

Std 813-1988.

25. XuRuifeng, Zhang Yingmin. Eight Position Testing for Dynamic Tune Gyroscope. Automatic measurement and control, 27.5 (2008).P. 82-85.

26. PittelKau M E. Calibration and attitude determination with redundant inertial measurement units [J]. Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 2005, 28(4).P. 743-752.

27. Ren, Qian, et al. «A multi-position self-calibration method for dual-axis rotational inertial navigation system.» Sensors and Actuators A: Physical 219 (2014).P. 24-31.

28. Qin L, Li L, Zaikang Q. Error analysis and compensation of strapdown inertial navigation system [J]. Journal of Beijing Institute of Technology, 2002, 11(2).P. 117-120.

29. Cho S Y, Park C G. A calibration technique for a redundant IMU containing low-grade inertial sensors [J]. ETRI journal, 2005, 27(4).P. 418-426.

30. Liu Baiqi, Fang Jiancheng. Modified hybrid calibration method for IMU without orientation. Chinese Journal of Scientific Instrument, 2008, 29 (6).P. 1250-1254.

31. Nieminen T, Kangas J, Suuriniemi S, et al. An enhanced multi-position calibration method for consumer-grade inertial measurement units applied and tested [J]. Measurement Science and Technology, 2010, 21(10). P. 105204.

32. Wei Q., Baiqi L., Xiaolin G., Jiancheng F. INS/CNS/GNSS Integrated Navigation Technology. Beijing: National Defense Industry Press, 2011, 318c.

33. FAN SH L, SUN Y R, YUAN X. Calibration of gyrostatic drift parameters of strapdown system [J]. Journal of Inertial Technology of China, 2000, 8(1).P. 42-46.

34. Шаврин В. В, Конаков А. С,. Калибровка микроэлектромеханических датчиков ускорений и угловых скоростей в бесплатформенных инерциальных навигационных системах [J]. Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники, 2012 (1-2 (25)). С. 265-269.

35. Shin E H, El-Sheimy N. A new calibration method for strapdown inertial navigation systems [J]. Zeitschriftfur Vermessungswesen.-2002.-Zfv, 2002, 127(1).P. 41-50.

36. Zhang H, Wu Y, Wu W, et al. Improved multi-position calibration for inertial

measurement units [J]. Measurement Science and Technology, 2009, 21(1). P. 015107.

37. S. Lin, Dynamically Tuned Gyro, National Defense Industry Press, China, 1983.P. 318-327.

38. Подчезерцев В.П., Матвеев В.А. Погрешности ДНГ-ДУС от подшипниковых вибраций. Вестник МГТУ №1, Изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана,№1, 1999.С.40-49.

39. Тан Синюань. Автоматизация проверок параметров динамически настраиваемого гироскопа // Молодежный научно-технический вестник. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2014. № 10. URL: http: //sntbul. bmstu.ru/doc/737232.html.

40. Г.А. Веркович, Е.Н. Головенкин, В.А. Голубков и др. Справочник конструктора точного приборостроения. Под общ. Ред. К.Н. Явленского, Б.П. Тимофеева, Е.Е. Чаадаевой. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1989. 792с.: ил.

41. Guo, Jia, and Maiying Zhong. «Calibration and compensation of the scale factor errors in DTG POS». IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement 62.10 (2013). Р. 2784-2794.

42. Dongfeng Su. Study of key techniques on high precise calibration turntable Grating angle measuring system [D]. Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Science. 2011.

43. Chen Shijie, Pang Tao, Tian Huaixiang, et al. Analysis of static characteristics of two-axis gyro drift test table ^^Journal of Harbin Institute of Technology, 1979 (2). P. 81-87.

44. Shuyue M. Situation and Development of inertial navigation test equipment. Aeronautical Manufacturing Technology, 1991 (12). Р. 4-8.

45. Qinggen H. Development level and trend of inertial navigation test equipment CGC in the United States. Aeronautical Manufacturing Technology, 1992(4).P. 30-33.

46. Xu Li. Research On Three-Axis Inertial Test Table [D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2006.P. 1-62.

47. Gongming Yan, Sihai Li, Yongyuan Qin. Test of inertial navigation system and data analysis [M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2012. 265 p.

48. Three-Axis Flight Motion Simulator AC371-2. Компания «ACUTRONIC»:

веб-сайт.URL: http://www.acutronic.com/uploads/tx AcutronicProducts/Datasheet-3-Axis-Flight-Motion-Simulator-AC371 -2.pdf. 2016-04.

49. Three-Axis Flight Motion Simulator HD756-1. Компания «ACUTRONIC»: веб-сайт.URL: http://www.acutronic.com/uploads/tx AcutronicProducts/Datasheet-3-Axis-Flight-Motion-Simulator-HD756- 1.pdf. 2016-04.

50. 2002P SERIES TWO-AXIS POSITION AND RATE TABLE SYSTEM. Компания «Ideal Aerosmith»: веб-сайт. URL: http: //www.ideal-aerosmith.com/motion/two -axis-position-and-rate-table-system-2002p. 2016-04.

51. 2003HP SERIES THREE-AXIS POSITION AND RATE TABLE SYSTEM. Компания «Ideal Aerosmith»: веб-сайт. URL: http: //www.ideal-aerosmith.com/motion/ three-axis-positioning-and-rate-table-2003hp. 2016-04.

52. Magnussen, 0., Ottestad, M. and Hovland, G., Calibration Procedure for an Inertial Measurement Unit Using a 6-Degree-of-Freedom Hexapod.

53. Hall J J. The design, construction and control of a four-degree-of-freedom hybrid parallel/serial motion platform for the calibration of multi-axis inertial measurement units [D]. Ohio University, 2000.

54. Ригли У, Холлистер У, Денхард У Теория, проектирование и испытания гироскопов. - М.: Мир, 1972. 372 с.

55. Синюань Т., Подчезерцев В.П. Алгоритмы аттестации динамически настраиваемого гироскопа в условиях реальной ориентации относительно географической системы координат. Инженерный журнал: наука и инновации, вып. 10(70)/2017. http://dx.doi.org/10.18698/2308-6033-2017-10-1691.

56. Тан Синюань, Подчезерцев В.П. Специализированное устройство контрольно-измерительного стенда для аттестации прецизионных гироприборов. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия «Приборостроение». 2016 (№ 6). C.15-30.

57. Подчезерцев В.П., Тан Синюань. Параметрическая идентификация характеристик ДНГ на автоматизированном поворотном стенде // XXXVIII академические чтения по космонавтике. М. январь 2014. С.598.

58. Подчезерцев В.П., Тан Синюань. Исследование поворот-но-арретирующего механизма прецизионного поворотного стенда // XXXIX ака-

демические чтения по космонавтике. М. январь 2015. С.511.

59. Подчезерцев В.П., Тан Синюань. Разработка интерфейса и системы управления двухосного поворотного стенда при аттестации динамически настраиваемого гироскопа // XL академические чтения по космонавтике. М. январь 2016. С.459.

60. Подчезерцев В.П., Тан Синюань. Алгоритмы аттестации динамически настраиваемого гироскопа с учетом его реальной ориентации относительно географической системы координат // XLI академические чтения по космонавтике. М. январь 2017. С.497.

61. Подчезерцев В.П., Ермолаев А.К., Абрамов П.Г. Модель динамически настраиваемого гироскопа для оценки его работоспособности в условиях механических воздействий // Вопросы радиоэлектроники. Серия: Системы и средства автоматизированной обработки информации и управления. 1980. Вып. 2. С. 87-100.

62. Динамически настраиваемый гироскоп ГВК-6. Компания «Инерциальные технологии - Технокомплекса» : веб-сайт. URL: http://inertech.ru/ru/gyroscopes.html. 2018-02.

ОТЗЫВ

научного руководителя на диссертационную работу Тан Синюаня «Аппаратно-алгоритмическое обеспечение аттестации динамически настраиваемого гироскопа» представленную на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.03 - Приборы навигации

Тан Синюань в 2010 году был удостоен стипендии Правительства КНР (China Scholarship Council), чтобы продолжить обучение в магистратуре МГТУ имени Н.Э. Баумана и в 2013 году получил степень магистра по специальности «Ракетные комплексы и космонавтика». В том же году Тан Синюань был зачислен в очную аспирантуру МГТУ имени Н.Э. Баумана.

С 2013 года Тан Синюань являлся аспирантом кафедры приборов и систем ориентации, стабилизации и навигации МГТУ им. Н.Э. Баумана, успешно сдал кандидатские экзамены и в установленный срок подготовил диссертацию на соискание ученой степени кандидата технических наук.

В своей диссертационной работе Тан Синюань решает актуальную задачу, связанную с разработкой двухосного испытательного комплекса для обеспечения аттестации динамически настраиваемого гироскопа (ДНГ) с точностью соответствующей классу этого инерциального чувствительного элемента, используемого в инерциальных навигационных системах и системах ориентации различных подвижных объектов.

Для решения поставленной задачи автор провел обзор российских и зарубежных работ в области создания средств контроля параметров гироскопических приборов, проанализировал их достоинства и недостатки, сформулировал требования к кинематике и алгоритму работы предложенного поворотно-испытательного стенда. На основе этих исследований автором была предложена кинематическая схема стенда, обеспечивающая все ориентации относительно географической системы координат, необходимые для полной проверки параметров ДНГ, и соответствующие алгоритмы работы с ним. Предложен и проанализирован механизм поворотно-арретирующего устройства, обеспечивающего точное позиционирование платформы стенда. Разработанная математическая модель ДНГ в режиме датчика угловой скорости, с учетом реальной ориентации платформы относительно географической системы координат, а также алгоритмы работы и программное обеспечение контрольно-испытательного стенда, позволили успешно решить эту научную задачу.

Можно отметить значительный объем работ, проведенный соискателем как в расчетно-теоретической части, так и в практической при реализации предложенных им алгоритмов, юстировке стенда, расчете и отладке программ и электронных сервисных схем стенда.

Научная новизна работы состоит в разработке: математической модели собственной скорости прецессии ДНГ в режиме датчика угловой скорости, учитывающей неточности ориентации платформы относительно географической системы координат и позволяющей с высокой точностью определять масштабные коэффициенты и компоненты погрешностей ДНГ; кинематической

схемы поворотно-арретирующего устройства и двухосного контрольно-испытательного стенда, обеспечивающие все необходимые ориентации платформы относительно географической системы координат при аттестации ДНГ и высокую повторяемость позиционирования платформы в каждом положении; алгоритмов калибровки и программного обеспечения на предложенном двухосном поворотном стенде, позволяющем определять масштабные коэффициенты и составляющие ССП ДНГ в автоматизированном режиме.

Достоверность полученных результатов подтверждена соответствием результатов, полученных математическим моделированием движения ДНГ совместно с двухосным поворотным стендом, с экспериментальными данными на испытательном стенде и образце гироскопа типа ГВК-6, проведенных в МГТУ им. Н.Э. Баумана по предложенной в работе методике.

Практическая ценность работы заключается в разработке алгоритма, сервисной электроники и программного обеспечения для аттестации ДНГ на двухосном поворотном стенде, и разработке методического пособия для студентов по проверке параметров ДНГ по курсу «Гироскопические приборы и системы ориентации».

Во время работы над диссертацией Тан Синюань проявил себя инициативным и творческим специалистом, способным к самостоятельному выполнению научных исследований. Основные положения его диссертации представлены в научных рецензируемых периодических изданиях и на научно-технических конференциях.

Исходя из изложенного, считаю, что диссертация «Аппарат-но-алгоритмическое обеспечение аттестации динамически настраиваемого гироскопа» является законченной научно-квалификационной работой, полностью удовлетворяет требованиям ВАК, предъявляемым к диссертациям на соискание ученой степени кандидата технических наук, а её автор - Тан Синюань, достоин присуждения ему ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.03 - Приборы навигации.

Научный руководитель, кандидат технических наук, доцент кафедры приборов и систем ориентации, стабилизации и навигации

ы. Я-