дрейф гироскопа что это

Если гироскоп ошибается

Analog Devices ADIS16490

Ian Beavers, Analog Devices

Вопрос:

Я слышал, что обусловленная дрейфом параметров ошибка гироскопа может накапливаться во времени. Возможно ли такое и с моим инерциальным измерительным устройством?

Ответ:

Ошибка МЭМС гироскопа, измеряющего угловую скорость, имеет несколько инерциальных составляющих, одной из которых является нестабильность смещения. Несмотря на это, инерциальное измерительное устройство (ИИУ) обладает рядом преимуществ перед дискретными компонентами, обеспечивающих более высокий уровень его характеристик. ИИУ с шестью степенями свободы состоит из нескольких инерциальных МЭМС датчиков, термокомпенсированных и калиброванных для выравнивания чувствительности по ортогональным осям. Инерциальный 3-осевой гироскоп способен измерять угол поворота относительно определенной точки, в то время как 3-осевой акселерометр измеряет смещение. Объединение показаний датчиков выполняется последующей обработкой с помощью встроенного цифрового сигнального процессора или микроконтроллера.

Гироскопы подвержены нестабильности смещения нуля, при которой начальная нулевая точка гироскопа дрейфует во времени из-за интегрирования присущих ему внутренних несовершенств и шумов. Стабильность смещения может быть откалибрована в известном температурном диапазоне ИИУ. Однако интегрирование постоянной погрешности смещения приводит к угловой ошибке. Эта ошибка будет накапливаться по мере оценки скорости вращения или угла поворота системы с гироскопом в течение длительного времени. Нежелательным следствием дрейфа является непрерывное увеличение ошибки вычисляемого курсового параметра. Что касается акселерометров, то они чувствительны к вибрациям и иным негравитационным ускорениям.

Дрейф гироскопа обусловлен в основном интегрированием двух составляющих: медленно меняющейся, почти постоянной переменной, называемой нестабильностью смещения нуля, и более высокочастотной шумовой переменной, называемой случайным блужданием угла (ARW – angular random walk). Эти параметры измеряются в углах поворота за единицу времени. Наиболее чувствителен к дрейфу угол рысканья. Значительная часть дрейфа гироскопа по тангажу (высоте) и крену может быть устранена внутри ИИУ с помощью обратной связи, отслеживающей положение относительно направления силы притяжения. Еще одним широко распространенным методом частичного подавления ошибок дрейфа является использование низкочастотного фильтра Калмана.

В идеале, для того чтобы скорректировать дрейф гироскопа по всем осям, требуются два эталонных параметра. ИИУ с девятью степенями свободы, как правило, содержат дополнительные датчики магнитного поля, иногда по всем трем осям. Магнитометр измеряет уровень поля относительно северного магнитного полюса Земли. Совместно с акселерометром эти датчики могут использоваться в качестве источника еще одного внешнего опорного сигнала, чтобы смягчить влияние ошибки дрейфа гироскопа на ось рыскания. Однако подход, основанный на пространственной коррекции с помощью магнитометров, может давать менее надежные результаты, поскольку существует множество объектов, создающих магнитное поле того же порядка величины, что и Земля.

Еще одним из наиболее действенных методов нейтрализации долговременного дрейфа является обновление угловой скорости в гироскопе. Всякий раз, когда становится достоверно известно, что устройство находится в полностью стационарном состоянии, смещение гироскопа обнуляется по соответствующим осям. Возможность и эффективность применения этого метода зависят от конкретного приложения. Но в любом случае, когда система находится в состоянии покоя – на холостом ходу автомобиля, при остановке автономного робота или в интервалах между шагами идущего человека – это время можно использовать для обнуления гироскопа.

Рисунок 1.	Девиация Аллана для гироскопа ADIS16490.

Разумеется, использование ультрасовременных ИИУ с минимальной конструктивной нестабильностью смещения нуля в начальный момент может оказывать самое непосредственное влияние на дрейф гироскопа. Постоянная ошибка смещения гироскопа может быть измерена путем усреднения результатов измерений за большой период времени, пока устройство не вращается. Зависимость величины дрейфа ИИУ за один час от времени интегрирования t характеризуют девиацией Аллана. Обычно для этого используются графики с логарифмическими масштабами по осям X и Y. Новейшим продуктом Analog Devices в портфеле высокоэффективных ИИУ тактического класса является микросхема ADIS16490, имеющая нестабильность смещения всего 1.8° в час. Это отражено в показанном на Рисунке 1 графике девиации Аллана, где ошибка 1.8° находится в точке, соответствующей одному часу (3600 секундам).

Материалы по теме

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

Источник

Дрейф гироскопа что это

Изобретение относится к гироскопической технике, а именно к способам коррекции дрейфа гироскопа с ротором на сферической шарикоподшипниковой опоре.

Известен способ [1] динамической балансировки гироскопа, содержащего статор, ротор на сферической шарикоподшипниковой опоре и датчик угла, включающий вращение ротора, измерение дисбаланса и его коррекцию.

Известен способ [2] коррекции дрейфа гироскопа с синхронным гистерезисным электродвигателем, содержащего статор, ротор на сферической шарикоподшипниковой опоре и датчик угла, включающий вращение ротора, измерение дрейфа и его коррекцию путем удаления ферромагнитной массы статора в месте, соответствующем направлению дрейфа.

Известно устройство для определения дрейфа гироскопа с синхронным гистерезисным электродвигателем [2], содержащего статор, ротор на сферической шарикоподшипниковой опоре и датчик угла, включающее соединенные последовательно задающий генератор и инвертор, выход которого подключен к электродвигателю гироскопа, измеритель, подключенный к датчику угла, конденсатор, подключенный параллельно питающей шине инвертора, переключатель между генератором и инвертором, синхронно связанный с другим переключателем, включенным в разрыв шины питания инвертора.

Известно устройство для управления двухфазным бесколлекторным электродвигателем постоянного тока [3], содержащим ротор с постоянными магнитами и статор с несколькими обмотками, включающее микроконтроллер, аналого-цифровой преобразователь и широтно-импульсный модулятор.

Общим недостатком приведенных способов и устройств является отсутствие коррекции дрейфа гироскопа без его разборки.

Целью изобретения является обеспечение коррекции дрейфа непосредственно в процессе его измерения, без разборки гироскопа.

Технический результат заключается в снижении трудоемкости изготовления и повышении точности гироскопического прибора.

В способе коррекции дрейфа гироскопа с двухфазным бесколлекторным электродвигателем постоянного тока, содержащего статор, ротор на сферической шарикоподшипниковой опоре, датчики угла и датчики момента, включающем вращение ротора, измерение дрейфа и его коррекцию, согласно изобретению коррекцию дрейфа проводят непосредственно в процессе его измерения путем компенсации постоянной составляющей электрического тока в фазных обмотках статора двигателя гироскопа.

К существенным отличиям предложенного способа относится то, что коррекцию дрейфа проводят непосредственно в процессе его измерения, без разборки гироскопа.

К существенным отличиям предложенного устройства относится наличие в нем сумматоров и регулировочных резисторов, сигналы с которых позволяют компенсировать постоянные составляющие электрических токов в фазных обмотках статора.

Предложенный способ реализуют следующим образом.

Включают гироскоп, используя источник питания бесколлекторного двигателя постоянного тока со схемой управления и стабилизации частоты вращения ротора, содержащей два датчика положения, стабилизатор частоты вращения ротора, два сумматора с регулировочными резисторами и два усилителя мощности. После полного разгона ротора гиромотора измеряют на датчике угла величину дрейфа гироскопа и одновременно проводят его коррекцию путем подачи с помощью регулировочных резисторов постоянных напряжений на вход усилителей мощности.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлен чертеж гироскопа с двухфазным бесколлекторным двигателем постоянного тока.

На фиг. 2 показана структурная схема устройства для определения и коррекции дрейфа гироскопа в процессе его измерения.

На фиг. 1 представлен статор 1 с обмотками 2 и датчиками 3 положения, ротор 4, сферическая шарикоподшипниковая опора 5, датчики 6 угла и датчики 7 момента. В роторе 4 выполнена кольцевая полость, в которой находятся кольцевой двухполюсный магнит 8 и кольцевой магнитопровод 9. Создание вращающего момента ротора основано на правиле Флеминга.

На проводник с током, расположенный в магнитном поле, действует сила. Направление силы определяется правилом левой руки, а ее значение равно:

На фиг. 2 представлены датчики 3 положения ротора 4, устройство 10 стабилизации частоты вращения ротора 4, сумматоры 11, 12, усилители мощности 13, 14, регулировочные резисторы 15, 16, датчики 6 угла и измеритель 17 дрейфа.

Особенностью гироскопа с ротором на сферической шарикоподшипниковой опоре и двухфазным бесколлекторным двигателем является наличие дрейфа от вращающего момента ротора, величина которого зависит от распределения электрического тока I формулы (1) в фазных обмотках статора.

Способ коррекции дрейфа гироскопа осуществляют следующим образом.

В схему фиг. 2 введены сумматоры 11, 12 и регулировочные резисторы 15, 16. Путем подачи постоянных напряжений на вход усилителей 13, 14 мощности проводится перераспределение электрического тока в фазах 1, 2. На датчике 6 угла измерителем 17 измеряют дрейф гироскопов, вращением резисторов 15, 16 проводят его коррекцию.

Работа устройства для осуществления коррекции дрейфа осуществляется следующим образом.

Данная схема позволяет компенсировать не только дрейф, вызванный вращающим моментом ротора, но и дрейф, обусловленный другими факторами (трение, аэродинамика и т.д.).

Предложенные изобретения использованы в макетных образцах гироскопа на шаровом подвесе с двухфазным бесколлекторным двигателем и показали значительное упрощение и сокращение регулировки дрейфа гироскопа.

1. Патент РФ №2334205, МПК G01M 1/34, 2007 г.

2. Патент РФ №2410658, МПК G01M 1/34, G01C 25/00, 2009 г.

3. Информационный материал «AVR440: Управление двухфазным бесколлекторным электродвигателем постоянного тока без датчиков», (стр. 1-10).

Источник

Как устроен гироскоп: суть, принцип работы, где применяется

Однажды я наблюдал разговор двух друзей, точнее подруг:

А: О, знаешь, у меня новый смартфон, в нем есть даже встроенный гироскоп

Б: Аа, да, я тоже скачала себе, поставила гироскоп на месяц

А: Эмм, ты точно уверена, что это гироскоп?

Б: Да, гироскоп для всех знаков зодиака.

Чтобы таких диалогов в мире стало чуть меньше, предлагаем узнать, что такое гироскоп и как он работает.

Гироскоп: история, определение

Гироскоп – прибор, имеющий свободную ось вращения и способный реагировать на изменение углов ориентации тела, на котором он установлен. При вращении гироскоп сохраняет свое положение неизменным.

Само слово происходит от греческих gyreuо – вращаться и skopeo – смотреть, наблюдать. Впервые термин гироскоп был введен Жаном Фуко в 1852 году, но изобрели прибор раньше. Это сделал немецкий астроном Иоганн Боненбергер в 1817 году.

Гироскопы представляют собой вращающиеся с высокой частотой твердые тела. Ось вращения гироскопа может изменять свое направление в пространстве. Свойствами гироскопа обладают вращающиеся артиллерийские снаряды, винты самолетов, роторы турбин.

Простейший пример гироскопа – волчок или хорошо всем известная детская игрушка юла. Тело, вращающееся вокруг определенной оси, которая сохраняет положение в пространстве, если на гироскоп не действуют какие-то внешние силы и моменты этих сил. При этом гироскоп обладает устойчивостью и способен противостоять воздействию внешней силы, что во многом определяется его скоростью вращения.

Например, если мы быстро раскрутим юлу, а потом толкнем ее, она не упадет, а продолжит вращение. А когда скорость волчка упадет до определенного значения, начнется прецессия – явление, когда ось вращения описывает конус, а момент импульса волчка меняет направление в пространстве.

Виды гироскопов

Существует множество видов гироскопов: двух и трехстепенные (разделение по степеням свободы или возможным осям вращения), механические, лазерные и оптические гироскопы (разделение по принципу действия).

Применение гироскопов

Благодаря своим свойствам гироскопы находят очень широкое применение. Они используются в системах стабилизации космических аппаратов, в системах навигации кораблей и самолетов, в мобильных устройствах и игровых приставках, а также в качестве тренажеров.

Интересует, как такой прибор может поместиться в современный мобильный телефон и зачем он там нужен? Дело в том, что гироскоп помогает определить положение устройства в пространстве и узнать угол отклонения. Конечно, в телефоне нет непосредственно вращающегося волчка, гироскоп представляет собой микроэлектромеханическую систему (МЭМС), содержащую микроэлектронные и микромеханические компоненты.

Как это работает на практике? Представим, что вы играете в любимую игру. Например, гонки. Чтобы повернуть руль виртуального автомобиля не нужно нажимать никаких кнопок, достаточно лишь изменить положение своего гаджета в руках.

Как видим, гироскопы – удивительные приборы, обладающие полезными свойствами. Если вам понадобится решить задачу на расчет движения гироскопа в поле внешних сил, обращайтесь к специалистам студенческого сервиса, которые помогут вам справится с ней быстро и качественно!

Источник

7.5. Гироскопы

Гироскопом называется массивное осесимметричное тело (симметричный волчок), быстро вращающееся вокруг оси симметрии, причем ось вращения может изменять положение в пространстве. Ось симметрии называется осью фигуры гироскопа.

Видео 7.6. Что же такое гироскоп?

Рис. 7.17. Движение системы гироскопов

Ось симметрии является одной из главных осей гироскопа. Поэтому его момент импульса совпадает по направлению с осью вращения.

Для того, чтобы изменить положение в пространстве положение оси фигуры гироскопа, необходимо подействовать на него моментом внешних сил.

Видео 7.7. Гироскопические силы:большой гироскоп рвет веревку

Рис. 7.18. Направление векторов при вращении гироскопа

При этом наблюдается явление, получившее название гироскопического: под действием сил, которые, казалось бы, должны были вызвать поворот оси 1 вокруг оси 2 (рис. 7.19), наблюдается поворот оси фигуры вокруг оси 3.

Рис. 7.19. Движение оси фигуры гироскопа под действием момента внешних сил

Видео 7.8. Гироскоп с перегрузами: направление и скорость прецессии, нутации

Гироскопические явления проявляются всюду, где имеются быстро вращающиеся тела, ось которых может поворачиваться в пространстве.

Рис. 7.20. Реакция гироскопа на внешнее воздействие

Странное на первый взгляд поведение гироскопа, рис. 7.19 и 7.20, полностью объясняется уравнением динамики вращательного движения твердого тела

Видео 7.9. «Любвеобильный» гироскоп: ось гироскопа бежит вдоль направляющей, не покидая её

Видео 7.10. Действие момента силы трения: «Колумбово» яйцо

Если гироскоп привести в быстрое вращение, он будет обладать значительным моментом импульса. Если на гироскоп будет действовать внешняя сила в течение времени , то приращение момента импульса будет

Если сила действует в течение короткого времени , то

Другими словами, при коротких воздействиях (толчках) момент импульса гироскопа практически не меняется. С этим связана замечательная устойчивость гироскопа по отношению к внешним воздействиям, которая используется в различных приборах, таких как гирокомпасы, гиростабилизированные платформы и т. д.

Видео 7.11. Модель гирокомпаса, гиростабилизация

Видео 7.12. Большой гирокомпас

7.21. Гиростабилизатор орбитальной станции

В гироскопах, применяющихся в авиации и космонавтике, используется карданов подвес, который позволяет сохранять направление оси вращения гироскопа независимо от ориентации самого подвеса:

Видео 7.13. Гироскопы в цирке: езда на одном колесе по проволоке

http://www.plib.ru/library/book/14978.html Сивухин Д.В. Общий курс физики, том 1, Механика Изд. Наука 1979 г. — стр. 245–249 (§ 47): кинематическая теорема Эйлера о вращениях твердого тела вокруг неподвижной точки.

Рассмотрим движение гироскопа с неподвижной точкой опоры, как показано на на рис. 7.22.

Движение гироскопа под действием внешней силы называется вынужденной прецессией.

Рис. 7.22. Вынужденная прецессия гироскопа: 1 — общий вид; 2 — вид сверху

Приложим в точке А силу . Если гироскоп не вращается, то, естественно, правый маховик будет опускаться, а левый — подниматься. Другая ситуация будет, если предварительно гироскоп привести в быстрое вращение. В этом случае под действием силы ось гироскопа будет вращаться с угловой скоростью вокруг вертикальной оси. То есть ось гироскопа приобретает скорость в направлении, перпендикулярном направлению действующей силы.

Таким образом, прецессия гироскопа представляет собой движение под действием внешних сил, происходящее таким образом, что ось фигуры описывает коническую поверхность.

Рис. 7.23. К выводу формулы прецессии гироскопа.

Объяснение этого явления заключается в следующем. Момент силы относительно точки 0 будет

Приращение момента импульса гироскопа за время равно

Это приращение перпендикулярно моменту импульса и, следовательно, меняет его направление, но не величину.

Вектор момента импульса ведет себя подобно вектору скорости при движении частицы по окружности. В последнем случае приращения скорости перпендикулярно скорости частицы и равно по модулю

В случае гироскопа элементарное приращение момента импульса

За время вектор момента импульса повернется на угол

Угловая скорость вращения плоскости, проходящей через ось конуса, описываемого осью фигуры, и ось фигуры, называется угловой скоростью прецессии гироскопа.

Возникающие при определенных условиях колебания оси фигуры гироскопа в плоскости, проходящей через ось указанного выше конуса и саму ось фигуры, называются нутациями. Нутации могут быть вызваны, например, коротким толчком оси фигуры гироскопа вверх или вниз (см. рис. 7.24):

Рис. 7.24. Нутации гироскопа

Угловая скорость прецессии в рассматриваемом случае равна

Отметим важное свойство гироскопа — его безынерционность, заключающееся в том, что после прекращения действия внешней силы вращение оси фигуры прекращается.

http://www.plib.ru/library/book/14978.html Сивухин Д.В. Общий курс физики, том 1, Механика Изд. Наука 1979 г. — стр. 288–293 (§ 52): изложены основы точной теории гироскопа.

http://femto.com.ua/articles/part_1/0796.html — физическая энциклопедия. Описаны разнообразные механические гироскопы, которые используются для навигации — гирокомпасы.

http://femto.com.ua/articles/part_1/1901.html — физическая энциклопедия. Описан лазерный гироскоп для целей космической навигации.

Влияние гироскопических сил в технике иллюстрируется следующими рисунками.

Рис. 7.25. Гироскопические силы,действующие на самолет при вращении винта

Рис. 7.26. Перевертывание волчка под действием гироскопических сил

Рис. 7.27. Как поставить яйцо «на попа»

http://www.pereplet.ru/nauka/Soros/pdf/9809_096.pdf — Соросовский образовательный журнал, 1998 г., № 9, — в статье обсуждаются проблемы динамики вращающихся тел (кельтских камней), соприкасающихся с твердой поверхностью (А.П. Маркеев).

http://ilib.mirror1.mccme.ru/djvu/bib-kvant/kvant_35.djvu — Михайлов А.А. Земля и ее вращение, Библиотечка Квант, выпуск 35 стр. 50–56 — планета Земля — большой волчок, ее ось прецессирует в пространстве.

О принципе работы колеса

Раз уж мы много говорили в этой главе о вращении тел, остановимся на самом великом и важном открытии человечества — изобретении колеса. Всем известно, что волочить груз гораздо труднее, чем перевозить его на колесах. Встает вопрос, почему? Колесо, играющее огромную роль в современной технике, по праву считается одним из гениальнейших изобретений человечества.

Передвижение груза с помощью катка. Прототипом колеса был каток, подкладываемый под груз. Его первые применения теряются во мгле веков. Прежде чем разбираться с колесом, поймем принцип действия катка. Для этого рассмотрим пример.

Пример. Груз массой M положен на цилиндрический каток массой и радиусом , который может двигаться по плоскому горизонтальному настилу. К грузу приложена горизонтальная сила (рис. 7.28). Найдем ускорения груза и катка. Силой трения качения пренебречь. Считать, что движение системы происходит без проскальзывания.

Рис. 7.28. Передвижение груза с помощью катка

Обозначим силу трения между катком и грузом и — между катком и настилом. За положительное направление примем направление внешней силы . Тогда положительным значениям и соответствуют направления сил трения, показанные на рис. 7.28.

Таким образом, на груз действуют силы и , а на каток — силы и . Обозначим a ускорение груза и a₁ — ускорение катка. Кроме того, каток вращается по часовой стрелке с угловым ускорением .

Уравнения поступательного движения принимают вид:

Уравнение вращательного движения катка записывается так:

Обратимся теперь к условиям отсутствия проскальзывания. Из-за вращения катка его нижняя точка имеет линейное ускорение и, кроме того, участвует в поступательном движении с ускорением . В отсутствие проскальзывания между катком и настилом полное ускорение нижней точки катка должно быть равно нулю, так что

Верхняя точка катка приобретает из-за вращения противоположно направленное линейное ускорение и то же ускорение поступательного движения. Чтобы не было проскальзывания между катком и грузом, полное ускорение верхней точки должно быть равно ускорению груза:

Из полученных уравнений для ускорений следует, что ускорение катка в два раза меньше ускорения груза:

Из непосредственного опыта каждый знает, что каток действительно отстает от груза.

Подставляя соотношения для ускорений в уравнения движения и решая их относительно неизвестных , , , получаем следующие выражение для ускорения груза

Обе силы трения и оказываются при этом положительными, так что на рис. 12 их направления выбраны правильно:

Как видно, радиус катка особой роли не играет: отношение зависит только от его формы. При данных массе и радиусе момент инерции катка максимален, когда каток представляет собой трубу: . В этом случае сила трения между катком и настилом отсутствует ( = 0) а уравнения для ускорения груза и силы трения между грузом и катком принимают вид:

При уменьшении массы катка сила трения уменьшается, ускорение груза увеличивается — груз легче перемещать.

В случае катка-цилиндра (бревна) /2 и мы находим силы трения

Сравнивая с результатами для катка-трубы, видим, что эффективно масса катка как бы уменьшилась: ускорение груза возрастает при прочих равных условиях.

Главный итог рассмотренного примера: ускорение отлично от нуля (то есть груз начинает двигаться) при сколь угодно малой внешней силе. При волочении же груза по настилу для его смещения необходимо приложить как минимум силу .

Второй вывод: ускорение вовсе не зависит от величины трения между частями данной системы. Коэффициент трения не вошел в найденные решения, он появится только в условиях отсутствия проскальзывания, которые сводятся к тому, что приложенная сила не должна быть слишком велика.

Полученный результат, что каток как бы полностью «уничтожает» силу трения, не удивителен. Действительно, в отсутствие относительного перемещения соприкасающихся поверхностей силы трения не совершают работы. На самом деле каток «заменяет» трение скольжения на трение качения, которым мы пренебрегли. В реальном случае минимальная сила, необходимая для движения системы, отлична от нуля, хотя и гораздо меньше, чем при волочении груза по настилу. В современной технике принцип действия катка реализуется в шарикоподшипниках.

Качественное рассмотрение работы колеса. Разобравшись с катком, перейдем к колесу. Первое колесо в виде деревянного диска, насаженного на ось, появилось, по-видимому, в IV тысячелетии до н.э. в цивилизациях Древнего Востока. Во II тыс. до н.э. конструкция колеса совершенствуется: появляются спицы, ступица и гнутый обод. Изобретение колеса дало гигантский толчок развитию ремесел и транспорта. Однако многие не понимают самого принципа действия колеса. В ряде учебников и энциклопедий можно найти неверное утверждение, что колесо, подобно катку, также дает выигрыш, заменяя силу трения скольжения на силу трения качения. Иногда приходится слышать ссылки на использование смазки или подшипников, но дело не в этом, поскольку колесо с очевидностью появилось раньше, чем додумались до смазки (и, тем более, подшипников).

Действие колеса проще всего понять, исходя из энергетических соображений. Древние повозки устроены просто: кузов прикрепляется к деревянной оси радиусом (общая масса кузова с осью равна M). На ось насаживаются колеса массой и радиусом R (рис. 7.29).

Рис. 7.29. Передвижение движение груза с помощью колеса

Работа против этой силы равна

(так как обычно масса колес много меньше массы повозки

Источник