Введение к работе
Актуальность. В настоящее время лазерный гироскоп (ЛГ) является одним из наиболее распространенных датчиков угловой ориентации и обладает, по сравнению с другими типами гироскопов, рядом неоспоримых функциональных и эксплуатационных преимуществ: высокая стабильность (повторяемость) дрейфа - до 0.001 град/ч и лучше; высокая точность измерения; широкий динамический диапазон измерений - более 30 разрядов; высокая стабильность коэффициента преобразования - до 0.001%; цифровая форма выходного сигнала.
Основной погрешностью лазерного гироскопа, обусловленной физическим принципом его функционирования, является случайный дрейф, проявляющийся вследствие эффекта синхронизации (или, как говорят, «захвата») частот встречных волн, распространяющихся в кольцевом оптическом резонаторе. Анализ функции преобразования ЛГ показывает, что кроме случайного дрейфа присутствует множество других факторов, влияющих на точность лазерного гироскопа и характеристики его выходного сигнала. К таким факторам относят: нестабильность управляющих параметров ЛГ (ток накачки активной среды; оптическая мощность излучения; амплитуда и частота колебаний виброподставки; изменение положения пьезокорректоров, регулирующих длину периметра оптического резонатора), а также изменение параметров внешних воздействий (температуры чувствительного элемента, магнитного поля).
Указанные выше факторы приводят к возникновению погрешностей прибора -случайному и систематическому дрейфу. Систематический дрейф приводит к линейно нарастающему во времени углу поворота (систематическому уходу), случайный дрейф («random walk», англ.) приводит к возникновению случайной угловой ошибки с линейно возрастающей во времени дисперсией.
На сегодняшний день возможности повышения точности ЛГ за счет конструкторских решений практически исчерпаны. С другой стороны существенно возросли возможности микропроцессорной техники. Поэтому особую актуальность приобретают задачи повышения точности за счет построения новых алгоритмов обработки информации, учитывающих более полные и сложные модели погрешностей выходного сигнала ЛГ.
Целью работы является повышение точностных характеристик лазерного гироскопа за счет программной минимизации случайных погрешностей и алгоритмической компенсации систематических погрешностей выходного сигнала лазерного гироскопа.
Задачи исследования
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие основные задачи:
системный анализ математической модели функционирования прибора с целью выделения основных источников погрешностей;
исследование причин возникновения случайной и систематической погрешностей ЛГ;
исследование, обоснование и разработка программных методов и алгоритмов, позволяющих минимизировать влияние эффекта синхронизации частот, приводящего к возникновению случайного дрейфа;
теоретические и прикладные исследования системных связей между параметрами состояния прибора и характеристиками его выходного сигнала, разработка обобщенной модели систематической погрешности;
программная реализация предложенных методов и алгоритмов минимизации случайных погрешностей, а также алгоритма компенсации систематического дрейфа;
- проведение экспериментальных исследований, формирование и обработка
информации с целью проверки адекватности предложенных методов и алгорит
мов повышения точностных характеристик прибора.
Методы исследования. Полученные результаты базируются на комплексном применении основных положений теории электромагнитного поля для кольцевого лазера, методах математического анализа и линейной аппроксимации, стохастической теории информации, а также математическом моделировании и основах теории оценивания. Для построения математической модели погрешности выходного сигнала применены методы идентификации по текущей экспертной информации. Для проверки правильности принятых решений проведен анализ на основе компьютерных методов обработки информации.
Научная новизна. Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
Предложен комплексный подход уменьшения погрешностей, включающий методы и алгоритмы программной минимизации и алгоритмической компенсации погрешностей.
Предложены методы и алгоритмы программной минимизации погрешностей случайного дрейфа за счет применения алгоритма случайной модуляции амплитуды колебаний виброподставки с использованием нормально распределенной случайной величины и стабилизации амплитуды колебаний.
Проведены теоретические и экспериментальные исследования системных связей и закономерностей между параметрами состояния ЛГ и его систематическими погрешностями.
На основе проведенных исследований разработан алгоритм компенсации систематических погрешностей выходного сигнала ЛГ с использованием математической модели, синтезированной после осуществления программной минимизации случайного дрейфа.
Практическая ценность.
Теоретические решения доведены до практического применения при повышении точностных характеристик серийно выпускаемых приборов.
Результаты диссертационной работы (алгоритмы и программа на их основе) внедрены в состав специального программного обеспечения микроконтроллера (МК) лазерных гироскопов, разрабатываемых предприятием ОАО АНПП «ТЕМП-АВИА».
Предложенные в работе алгоритмы компенсации погрешностей обладают надежностью и универсальностью, могут быть использованы для широкого класса лазерных гироскопов без дополнительной принципиальной доработки.
Основным практическим достоинством предложенного в работе комплексного подхода является качественное (для серийно выпускаемых приборов - в 2-3 раза) улучшение точностных характеристик лазерного гироскопа без изменения схемно-конструктивных особенностей прибора и с минимальными экономическими затратами.
На защиту выносятся следующие результаты, полученные лично автором:
комплексный подход повышения точностных характеристик лазерного гироскопа на основе методов программной минимизации и алгоритмической компенсации погрешностей;
методы минимизации погрешностей случайного ухода, обусловленного наличием зоны «захвата», за счет применения алгоритмов квазислучайной модуляции и стабилизации амплитуды колебаний виброподставки ЛГ;
результаты анализа системных связей и закономерностей между параметрами состояния ЛГ и характеристиками его выходного сигнала и синтезированная на основе этого анализа расширенная математическая модель систематических погрешностей;
алгоритм компенсации дрейфа, разработанный на базе обобщенной математической модели, учитывающей изменение температуры, амплитуды колебаний виброподставки, мощности излучения в оптическом резонаторе и напряжения на пьезокорректирующих элементах;
результаты обработки информации, полученной при практической реализации предложенных методов и алгоритмов.
Внедрение работы. Основные результаты представленной работы внедрены ОАО АНПП «ТЕМП-АВИА» в состав специального программного обеспечения микроконтроллера лазерных гироскопов ЛГ-2 и ТКЛ.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации доложены автором и обсуждены на 10-й (диплом I степени) и 11-й конференциях молодых ученых «Навигация и управление движением», Санкт-Петербург, ЦНИИ «Электроприбор», 2008, 2009гг; 5-й, 7-й (диплом лауреата) Международных молодежных научно-технических конференциях «Будущее технической науки», Н.Новгород, 2006, 2008гг; а также в ряде отраслевых научно-технических конференциях на предприятиях ОАО АНПП «ТЕМП-АВИА» и ОАО «Корпорация «Тактическое Ракетное Вооружение».
Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в 12 работах, в том числе 2 статьи в журналах из перечня ВАК.
Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 69 наименований. Материал изложен на 136 страницах, включает 49 рисунков и 10 таблиц.
