eng
Выпуск #3/2014
К.Лукин, Д.Павлов
Имитационная модель волоконно-оптического гироскопа
Имитационная модель волоконно-оптического гироскопа
Просмотры: 12981
Статья посвящена разработке метода температурной калибровки волоконно-оптических гироскопов, которые входят в состав подсистемы гиростабилизации сканирующей системы с многоспектральной аппаратурой.
Теги: fiber-optic gyroscopes temperature calibration волоконно-оптические гироскопы температурная калибровка
ЗАО "ЭЛСИ" занимается разработками многофункциональных гиростабилизированных оптико-электронных систем (МОЭС) для беспилотных летательных аппаратов, вертолетов, самолетов, морских и речных судов, а также для других подвижных средств. В состав МОЭС (рис.1) входит подсистема гиростабилизации (ПГС), основным узлом которой является модуль гироскопических датчиков (МГД). Блок МГД включает в себя волоконно-оптические гироскопы (ВОГ) и электронный модуль обработки.
Исходя из функциональных предназначений прибора для работы в жестких климатических условиях, основное требование, предъявляемое разработчиками к МОЭС, – это обеспечение точности гиростабилизации. Известно [1], что изменение температуры элементов ВОГ в процессе работы гироскопа сильно влияет на его эксплуатационные характеристики. Поэтому перед разработчиками встает задача температурной калибровки МГД. Под калибровкой системы подразумевается задача определения температурных погрешностей навигационной системы и их корректировка.
При проведении натурных климатических испытаний невозможно воссоздать все комбинации вариационных изменений условий окружающей среды. Для замены многомерных натурных испытаний МОЭС разработчики используют математическую модель ВОГ, способную описать функционирование прибора. Ранее используемая модель не рассматривала влияние температурных изменений в широком диапазоне. Для достижения высоких точностей гиростабилизации в рабочем диапазоне температур требуется предварительно тщательно исследовать температурные составляющие дрейфа нуля и среднеквадратического отклонения (СКО) шума ВОГ [2].
При исследовании погрешностей было принято, что выходной сигнал ВОГ Uout содержит мультипликативную и аддитивную погрешности. Мультипликативная погрешность обусловлена температурными искажениями масштабного коэффициента. Аддитивная погрешность связана с наличием двух факторов, чувствительных к температуре – это дрейф нулевого значения выходного сигнала и шум гироскопа.
Выходной сигнал гироскопа в общем виде можно представить как
Uout = k(T) · ω + Ud(T) + N(T), (1)
где Uout – выходное напряжение гироскопа, В; Ud(T) – дрейф нулевого значения выходного сигнала, В; k(T) – масштабный коэффициент гироскопа, В/град/с; ω – измеряемая угловая скорость, град/с; N(T) – шум гироскопа, В.
Дрейф нуля выходного сигнала ВОГ обусловлен несколькими причинами:
взаимовлиянием аналоговых цепей;
смещением операционных усилителей;
смещением спектра суперлюминесцентного светодиода;
модуляцией двулучепреломления в модуляторе;
магнитооптическим эффектом Фарадея;
тепловым расширением волокна в интерферометре.
Нагрев всех оптических и электрических компонентов приводит к увеличению дрейфа нулевого значения выходного сигнала. Шум гироскопа в основном обусловлен шумами фотоприемника и шумами аналоговых цепей. Температурный дрейф нуля – это основная погрешность, которую необходимо тщательно исследовать.
Для количественной оценки параметров температурной зависимости шума гироскопа и дрейфа нуля были проведены экспериментальные исследования зависимости выходного сигнала гироскопа от температуры для трех гироскопов VG091А фирмы "Физоптика". Исследования проводились на имитационной моделе ВОГ (рис.2). Для ее разработки была использована среда Simulink, входящая в состав MATLAB.
Для моделирования эффекта температурной зависимости дрейфа нуля выходного сигнала гироскопа с целью аппроксимации среднего значения Uout использован полином второй степени. При моделировании температурной зависимости СКО шума использована линейная аппроксимация среднего значения выходного сигнала гироскопа Uout. В температурной модели (в опытах использована шкала Цельсия) границы диапазона приняты от 0 до 48°С. Исследования в области отрицательных температур не проводили, так как и ВОГ, и электронный модуль обработки работают внутри герметичного корпуса МОЭС с подогревом. То есть подразумевается, что внутри данного блока не могут существовать условия с температурой ниже 0˚С. Для каждого из трех гироскопов были получены следующие зависимости выходного сигнала от температуры:
Ud1(T) = 1,023 · 10−7 · T2 + 2,616 · 10−6 · T + 0,000307;
Ud2(T) = 0,853 · 10−7 · T2 – 7,483 · 10−6 · T – 0,000002;
Ud3(T) = 3,049· 10−7 · T2 + 3,178 · 10−6 · T + 0,000071;
σ1(T) = 4,26 · 10−6 · T + 0,000012;
σ2(T) = 1,77 · 10−6 · T + 0,000037;
σ3(T) = 2,45 · 10−6 · T + 0,000061.
Заключение
Для замены натурных испытаний МОЭС разработчики применили ранее существующую математическую модель функционирования ВОГ. Однако используемая модель не учитывала изменение дрейфа нуля выходного сигнала и СКО шума гироскопа от температуры. Поэтому была поставлена задача разработать новую имитационную модель, учитывающую зависимости дрейфа нуля и СКО шума ВОГ в широком диапазоне температур. Созданная имитационная модель [3], учитывающая температурные зависимости выходного сигнала гироскопа, позволила повысить точность гиростабилизации МОЭС в широком интервале температур на 30%.
Литература
Logozinski V., Solomatin V. Built-in Drift Compensation of Open Loop FOG. Report of the 4th St.-Petersburg International Conference on Integrated Navigation. Systems. Russia, St.-Petersburg, 1997.
Вахрамеев Е.И. Тепловой дрейф волоконно-оптического гироскопа. – Известия вузов. Сер. Приборостроение. 2011, т.54, № 1, с.32–37.
Павлов Д.В., Лукин К.Г., Петров М.Н. Разработка модели волоконно-оптического гироскопа в среде Simulink. – Вестник НовГУ, 2012, с.106–109.
Исходя из функциональных предназначений прибора для работы в жестких климатических условиях, основное требование, предъявляемое разработчиками к МОЭС, – это обеспечение точности гиростабилизации. Известно [1], что изменение температуры элементов ВОГ в процессе работы гироскопа сильно влияет на его эксплуатационные характеристики. Поэтому перед разработчиками встает задача температурной калибровки МГД. Под калибровкой системы подразумевается задача определения температурных погрешностей навигационной системы и их корректировка.
При проведении натурных климатических испытаний невозможно воссоздать все комбинации вариационных изменений условий окружающей среды. Для замены многомерных натурных испытаний МОЭС разработчики используют математическую модель ВОГ, способную описать функционирование прибора. Ранее используемая модель не рассматривала влияние температурных изменений в широком диапазоне. Для достижения высоких точностей гиростабилизации в рабочем диапазоне температур требуется предварительно тщательно исследовать температурные составляющие дрейфа нуля и среднеквадратического отклонения (СКО) шума ВОГ [2].
При исследовании погрешностей было принято, что выходной сигнал ВОГ Uout содержит мультипликативную и аддитивную погрешности. Мультипликативная погрешность обусловлена температурными искажениями масштабного коэффициента. Аддитивная погрешность связана с наличием двух факторов, чувствительных к температуре – это дрейф нулевого значения выходного сигнала и шум гироскопа.
Выходной сигнал гироскопа в общем виде можно представить как
Uout = k(T) · ω + Ud(T) + N(T), (1)
где Uout – выходное напряжение гироскопа, В; Ud(T) – дрейф нулевого значения выходного сигнала, В; k(T) – масштабный коэффициент гироскопа, В/град/с; ω – измеряемая угловая скорость, град/с; N(T) – шум гироскопа, В.
Дрейф нуля выходного сигнала ВОГ обусловлен несколькими причинами:
взаимовлиянием аналоговых цепей;
смещением операционных усилителей;
смещением спектра суперлюминесцентного светодиода;
модуляцией двулучепреломления в модуляторе;
магнитооптическим эффектом Фарадея;
тепловым расширением волокна в интерферометре.
Нагрев всех оптических и электрических компонентов приводит к увеличению дрейфа нулевого значения выходного сигнала. Шум гироскопа в основном обусловлен шумами фотоприемника и шумами аналоговых цепей. Температурный дрейф нуля – это основная погрешность, которую необходимо тщательно исследовать.
Для количественной оценки параметров температурной зависимости шума гироскопа и дрейфа нуля были проведены экспериментальные исследования зависимости выходного сигнала гироскопа от температуры для трех гироскопов VG091А фирмы "Физоптика". Исследования проводились на имитационной моделе ВОГ (рис.2). Для ее разработки была использована среда Simulink, входящая в состав MATLAB.
Для моделирования эффекта температурной зависимости дрейфа нуля выходного сигнала гироскопа с целью аппроксимации среднего значения Uout использован полином второй степени. При моделировании температурной зависимости СКО шума использована линейная аппроксимация среднего значения выходного сигнала гироскопа Uout. В температурной модели (в опытах использована шкала Цельсия) границы диапазона приняты от 0 до 48°С. Исследования в области отрицательных температур не проводили, так как и ВОГ, и электронный модуль обработки работают внутри герметичного корпуса МОЭС с подогревом. То есть подразумевается, что внутри данного блока не могут существовать условия с температурой ниже 0˚С. Для каждого из трех гироскопов были получены следующие зависимости выходного сигнала от температуры:
Ud1(T) = 1,023 · 10−7 · T2 + 2,616 · 10−6 · T + 0,000307;
Ud2(T) = 0,853 · 10−7 · T2 – 7,483 · 10−6 · T – 0,000002;
Ud3(T) = 3,049· 10−7 · T2 + 3,178 · 10−6 · T + 0,000071;
σ1(T) = 4,26 · 10−6 · T + 0,000012;
σ2(T) = 1,77 · 10−6 · T + 0,000037;
σ3(T) = 2,45 · 10−6 · T + 0,000061.
Заключение
Для замены натурных испытаний МОЭС разработчики применили ранее существующую математическую модель функционирования ВОГ. Однако используемая модель не учитывала изменение дрейфа нуля выходного сигнала и СКО шума гироскопа от температуры. Поэтому была поставлена задача разработать новую имитационную модель, учитывающую зависимости дрейфа нуля и СКО шума ВОГ в широком диапазоне температур. Созданная имитационная модель [3], учитывающая температурные зависимости выходного сигнала гироскопа, позволила повысить точность гиростабилизации МОЭС в широком интервале температур на 30%.
Литература
Logozinski V., Solomatin V. Built-in Drift Compensation of Open Loop FOG. Report of the 4th St.-Petersburg International Conference on Integrated Navigation. Systems. Russia, St.-Petersburg, 1997.
Вахрамеев Е.И. Тепловой дрейф волоконно-оптического гироскопа. – Известия вузов. Сер. Приборостроение. 2011, т.54, № 1, с.32–37.
Павлов Д.В., Лукин К.Г., Петров М.Н. Разработка модели волоконно-оптического гироскопа в среде Simulink. – Вестник НовГУ, 2012, с.106–109.
Отзывы читателей
