2. Использование микромеханических гироскопов и акселерометров в прикладных задачах

Свойства и номенклатура показателей точности гироскопов, как датчиков угловой скорости (ДУС) и линейных акселерометров (ЛА), как датчиков ускорений может формироваться, исходя из различных альтернативных представлений. С одной стороны, эти датчики вместе с необходимыми преобразователями и средствами отображения информации могут рассматриваться, как самостоятельные средства измерений, а с другой - целесообразно ориентироваться на специфику работы их в системах и комплексах при решении конкретных задач, характеризующихся теми или иными алгоритмами преобразования сигналов. Типичные варианты таковы.

1. Определение угловой скорости является конечной целью измерений. Подобная ситуация типична для определения точности угловой стабилизации при испытаниях подвижных объектов различных классов (самолетов, автомобилей, катеров и пр.) или установок с вращающимися роторами. Режимы вращательных движений при измерениях могут быть различными. Характерны случаи сохранения знака угловой скорости (вращение роторов или платформ технологических установок, снарядов, вращающихся вокруг продольных осей). Но для больших транспортных объектов (самолеты, суда) характерны угловые колебания с заведомо нулевым средним за большие интервалы (качка), в этих случаях постоянная составляющая угловой скорости или мала, или не представляет интереса.

2. ММГ работает в системе угловой стабилизации летательных аппаратов. Сигнал угловой скорости ММГ используется в системе автоматической угловой стабилизации подвижного объекта в цепь обратной связи системы угловой стабилизации. В этих случаях как правило, к датчику угловой скорости в качестве основных предъявляются высокие требования по надежности и некоторые — по динамическим характеристикам, но не по точности. причем основными являются требования достаточно больших запасов устойчивости и качества переходных процессов замкнутой системы. В этих случаях постоянные составляющие ошибок датчиков угловой скорости не очень важны (вызывают малые смещения по углу стабилизации), а важнейшей характеристикой является частота среза частотной характеристики (или постоянная времени). При этом важнейшей является фазо-частотная характеристика датчика в поддиапазоне, который соответствуют частоте среза замкнутой системы стабилизации объекта, на этой частоте фазовый сдвиг датчика имеет порядок несколько градусов. Для типовых систем угловой стабилизации это приводит к требованию частоты среза датчика угловой скорости для малых объектов в несколько десятков Гц. Однако конкретные требования зависят от класса подвижного объекта, чем больше массы и моменты инерции, тем ниже допустимы частоты среза. Во всех случаях целесообразно предварительно ориентироваться на результаты математического моделирования системы стабилизации с включенным в нее датчиком. Если ММГ рассматривается, как самостоятельное средство измерения, то в соответствии с общими принципами представляются наиболее правильными аттестация и поверка или на стенде, воспроизводящем с высокой точностью в динамических режимах требуемые законы изменения угловой скорости (для этого стенд должен быть аттестован именно по угловой скорости), или на стенде, к точности которого не предъявляются высокие требования, но на тот же стол устанавливается образцовый прибор, точность которого заведомо выше точности испытуемого прибора. При испытании на стенде, задающем угловые колебания постоянной амплитуды, вполне достаточно измерять не спад амплитудно-частотной характеристики, а фазовый сдвиг выходного сигнала.

3. Три ММГ работают в бесплатформенной инерциальной навигационной системе (БИНС), по их сигналам интегрированием уравнений Пуассона определяются косинусы углы ориентации осей подвижной системы координат относительно осей неподвижной системы, которые в свою очередь используются при определении линейных скоростей и координат последующим интегрированием уравнений кинематики. В составе инерциальной системы, работающей в автономных режимах в течение относительно коротких интервалов времени. В первую очередь учитывается, что гироскоп и акселерометр входят в состав инерциального модуля, выходные сигналы которого пропорциональны навигационным параметрам подвижного объекта, а именно, углам ориентации подвижной системы координат, связанной с модулем, с неподвижной системой, а также составляющим скорости и координатам. При этом требуется так представить нормируемые характеристики гироскопа и акселерометра, в преобразованном виде (в соответствии с алгоритмами работы инерциальной системы), чтобы они были приведены, к выходным сигналам модуля и количественно представляли соответствующие составляющие погрешностей определения углов, скоростей и координат в инерциальном модуле. Если имеется готовый инерциальный модуль, то по результатам его испытаний затруднительно определять вклад отдельных элементов (в данном случае, ММГ и ММА) в результирующие погрешности. Выход заключается в том, чтобы построить динамическую модель инерциального модуля с выходами по углам, составляющим линейной скорости и координатам в реальном времени (возможно, в упрощенном виде, но с высокой точностью), и по результатам обработки данных определить все параметры погрешностей.

4. Датчик угловой скорости используется в системе, в которой осуществляется комплексирование, комплексное совместное преобразование выходных сигналов различных средств (датчиков и систем). В ряде работ [] было показано, что для оптимизации при комплексировании в стационарных режимах достаточно знать частные свойства недетерминированных составляющих, а именно уровни спектральных плотностей вблизи определенных частот.

5. ММГ используются при исследовательских испытаниях высокодинамичных подвижных объектов с целью определения по результатам измерений действующих сил и моментов, которые необходимо оценивать, например, для последующих расчетов на прочность. В этих случаях решается прямая задача динамики, для чего нужно использовать уравнения динамики Лагранжа. Это означает, что помимо использования сигналов угловой скорости (что необходимо для определения центробежных сил). Кроме того, в первом приближении часто можно считать, что моменты пропорциональны угловым ускорениям, и тогда основной и наиболее сложной является операция дифференцирования сигналов ММГ.

6. ММГ используется в системе обнаружения момента времени начала вращательного движения подвижного, например, начала маневра, начала подвижек при катастрофах с разрушением, поворота створок дверей или ворот объекта охраны или защиты и т.п. В этих случаях важно свойство чувствительности, определяемое количественно порогом чувствительности. При этом на практике важно достоверно регистрировать очень малые, но значимые изменения выходного сигнала ММГ.

В этой работе имеются в виду все перечисленные задачи, но основное внимание уделяется второй из них, как наиболее важной для навигации. Имеется в виду, что методология анализа, отработанная применительно к этой задаче, должна быть применена применительно к другим задачам. Подобный подход к погрешностям можно считать безмодельным, поскольку он не нуждается в предварительном формульном представлении погрешностей. В п. показано, что этот подход удобен при проблемно-ориентированном представлении и определении точностных характеристик.

Распространена точка зрения, что точностные характеристики ММГ, получаемые в результате обработки данных испытаний с использований универсального алгоритма, вполне приспособлены для получения оценок вклада ММГ в погрешности при решении всех перечисленных задач. Однако в данной работе показано, что при обработке данных целесообразно применять проблемно-ориентированные алгоритмы, они могут быть реализованы по отдельности или в составе параллельно-организованных структур комплексной обработки данных. В этой работе имеются в виду все перечисленные задачи, но основное внимание уделяется второй из них, применительно к использованию в БИНС, как наиболее важной для навигации. Имеется в виду, что методология анализа, отработанная применительно к этой задаче, должна быть применена применительно к другим задачам.