旋转测量和信号处理使用光纤陀螺仪导航控制系统

Ashok.S.Chandak教授¹Anil J.Patil博士²

E&Tc主管部门Cusrow Wadia,理工学院,印度浦那
校长先生Gulabrao Deokar工程学院Jalgaon,印度

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文摘

三轴闭环光纤陀螺的信号处理单元将执行旋转速度信息的提取(萨尼亚克阶段)传感器和计算的增量角度、加速度计输出的数字化和计算传感器输出的速度增量和补偿超过工作温度范围。

关键字

旋转测量、光纤陀螺仪、萨尼亚克效应,导航控制

介绍

应用程序的指导、导航和控制系统在飞机和宇宙飞船需要陀螺仪保持方向飞行甚至是无用的干扰[1]- [4]。特别是,测量卫星在空间的角运动对控制和稳定至关重要的态度。系统采用陀螺仪包括控制和处理电子为角速度传感提供最直接的方法。传统上,一个旋转的转子的角动量是用来确定角速率或位移[5]- [7]。

传统方法的缺点:

1。容易受到冲击和振动造成的损失。

2。展览十字轴加速度灵敏度。

3所示。低成本的版本有可靠性的问题。

所以基于萨尼亚克的陀螺效应干涉仪无移动部件是有伟大的未来。

文献调查

萨尼亚克效应:如果两个相反的方向发送的光脉冲在一个固定的圆形半径为R的循环,他们将在同样的惯性距离以同样的速度,所以他们会同时到达终点。这是下面的图1中所示

图2表明如果在这个过程循环本身旋转。象征一个¬表示循环的角位移期间所需的脉冲在循环去旅行一次。对于任何积极的价值¬、脉冲旅游的旋转方向相同循环必须旅行距离略大于脉冲运动方向相反的。因此,反向旋转脉冲到达“结束”点略早于co-rotating脉冲。

定量,如果我们让w表示循环的角速度,那么终点的圆周切线速度v = wR和之和速度波前和接受者的“结束”的观点是c-v co-rotating方向和c + v反向旋转的方向。脉冲从最初开始分离2πr的终点,所以旅行时间之间的差异

一个=πR²封闭区域的循环。如果照片探测器存在的终点和梁新兴允许下降,因此梁将达到探测器在不同的时候,和轻微的阶段,生产光学干涉“边缘”,可以观察和测量。这种效应在1911年首次证明Harress和萨尼亚克在1913年,所以现在通常被称为萨尼亚克的效果。

光从激光通过偏振镜仅限于单一的极化状态,定向耦合器和线圈是由特殊的保偏光纤,以确保一个模式的道路。光传播的方向都是通过相同的路径,以及几乎所有环境影响除了旋转每个梁上有相同的效果,取消了。

激光必须表现出低光学相干,速率陀螺,紧凑的盘式激光操作低于阈值已经被证明是令人满意的

之前的研究工作

本研究旨在引入新的测量系统,避免了磁测量技术的不足和充分满足更多现代的要求操作。新系统利用测量技术独立的磁场监测和使用不同的测量方法。该系统利用光纤陀螺仪技术(雾)旋转测量。惯性导航技术将用于集成的雾角速度测量的线性加速度测量提供了三个相互正交的加速计。

这个研究项目的目标如下:

1。定量研究的适用性雾的旋转测量技术

2。自适应滤波的原始测量获得的雾和加速度计减少传感器输出的声音。

操作

雾的工作原理是基于萨尼亚克效应。1913年,萨尼亚克显示两个光束传播沿两个相反的方向旋转循环干涉仪产生光程差(方程1)出现,从而使相位差彼此(方程2)。光路和相位差异与转速成比例

ΔL = (Ld / Co)Ω(1)

φs =(2π/λ)。ΔL =(2πL d /λCo)Ω(2)

在哪里

L是光纤线圈的长度,

d是光纤线圈的直径,

Ω是应用转速,

公司在自由空间光的速度,

λ是峰值波长的光束

φs萨尼亚克相移和ΔL光程差。

锁定放大器的输出采样和量化产生误差信号,这是维护关闭为零的数字反馈。采样频率对应的逆辐射渡越时间τ,需要同步的斜坡和偏置信号。从误差信号,控制器驱动的相位调制器,使其生成阶段步骤振幅等于萨尼亚克相移和持续时间。数字模拟转换器{自动创建坡道重置,通过其溢出。重置步骤2π弧度的变化对应于一个阶段,为了得到总是正确的萨尼亚克相移。在这个方案中直接获得的旋转速度,以数字格式,从错误的信号。这个配置的另一个优点,对模拟解决方案,是在信号恢复相位稳定性。

一般的描述

产品的角度来看

主要功能导航信号的测量和信号处理单元是:转速信息的提取(萨尼亚克阶段)和计算传感器输出的增量角度。补偿传感器输出的操作温度范围。转速传感器基于萨尼亚克效应。在这个传感器,光电探测器输出测量相位调制频率作为一个错误的信号。信号处理单元接受此误差信号作为输入。单位有一个反馈回路,引入了一定量的非互易的相位差来抵消萨尼亚克相移。因此,净相位差保持为零。

终端用户的角度

本单元将接受照片探测器输出和引入一定量的非互惠性的相位差来抵消萨尼亚克阶段转变。的计算值增量角度、速度和状态信息将在模拟设备输出每2.0女士运动同步串口协议接口。异步rs - 485接口将用于校准,固件级配和诊断。该系统将有主复位RS - 485的水平。

目标

信号处理单元的目标是:

一个¯·转速信息的提取(萨尼亚克阶段)和计算传感器输出的增量角度。

一个¯·加速度计输出的数字化和增量的计算速度。

一个¯·补偿传感器输出的操作温度范围。

目标的可行性

上述目标可以通过实施适当的信号调节模块设计,数据转换器和信号处理单元(DSP, FPGA)。

一般要求

CLFOG输出的转速估计也在5000 Hz阅读率和10个样本间隔2.0毫秒的综合收益增量角度。这个过程被重复在每个2.0毫秒间隔。

特定的要求

功能需求

实现转速估计应该符合以下要求:

1)转速输出应该在3秒内解决。

2)偏见(max): 0.1度/小时。

3)在运行比例因子稳定性优于100 ppm。

4)比例因子可重复性比100 ppm /运行运行和/每天。

5)短期内偏置稳定性比0.01度/小时。

6)长期偏置稳定性比0.1度/小时。

7)动态范围+ / - 200度/秒。

8)线性比100 ppm。

功率要求

的总功耗PCB应小于5 w /指定的温度范围。最后的供电需求时将提供PDR。

软件需求

合适的监控程序对固件up-gradation设施,提供测试和调试。

固件的需求

基于FPGA固件估算转速和提供适当的CLFOG偏差信号输入。

接口需求

1)模拟设备21 xxx家庭运动同步串口协议rs - 485串行总线数据水平需要输出的值增量角度、速度和TCLFSPU状态数据。

2)PCB连接器:决定PDR的时候。

3)校准第二通信接口,固件分级,诊断等提供在TI16C550异步rs - 485接口兼容。也提供主复位对rs - 485水平。

通信需求

的值增量角度、速度和SPU状态数据输出比特率为2.0 MHz女士每2.0 32位字的形式。

性能需求

系统性能将基于以下评估:

1)解决时间:

SPU卡的输出数据被捕获到电脑。SPU的输出卡在3秒内解决他们的名义值。

2)比例因子:

相对应的输出传感器应该显示正确的极性的旋转和绝对值应在0.1度/小时。

3)偏见漂移稳定性:

短期内偏见漂移稳定性:

输出数据是场均超过1分钟,输出相应的传感器的峰间波动不应超过0.01度/小时。

长期的偏见漂移稳定性:

数据捕获超过八个小时,使用阿伦方差技术偏见漂移和随机漫步的数字输出对应被测传感器计算。

4)动态范围和线性:

线性应该比100 ppm。

5)比例因子稳定性:

动态范围和线性测试应该重复温度范围-40°C + 70°C。

6)阈值/决议:

阈值应小于0.01度/小时。

决议应比0.01度/小时。

7)带宽:

SPU卡输出应该150赫兹的带宽输出更新每2 ms。

8)重复性:

动态范围和线性测试应该重复连续超过三天。相对应的输出CLFOG轴应在0.1度/小时。

模拟结果

为了测试光纤陀螺仪的设计,考虑以下参数模拟。仿真的目的是为了说明光纤陀螺系统的性能与不同的实时场景。对不同仿真场景控制器线性二次设计等)。陀螺仪系统的状态空间模型

在系统参数矩阵,输入矩阵B和输出矩阵C被定义为,

x被定义为状态向量

名义参数考虑仿真表1中给出。

图3显示了过滤系统的性能跟踪方波参考。从图3可以观察到圆满的输出跟踪参考信号的稳定状态。其他州一个¯害怕一个½¯害怕一个½¯害怕害怕一个½¯½和¯害怕一个一个½¯害怕一个½¯害怕害怕一个½¯½稳定可以是图3所示。控制输入signaluchanges输出之间的误差和参考的变化。

下的性能进行了测量噪声的存在。是预期的输出跟踪参考信号和其他信号应该是有界的。的输出信号中的白噪声注入magnitude1×10。状态和控制输入的情节如图4所示。测量噪声的影响可以看到在第一信号和第三信号而输出信号。测量噪声注入到输出并将它传递到输入端,最后传输系统信号,使闭环系统的信号。已经注意到更大的噪音大小可能导致不稳定的条件。

结论

角速度陀螺传感器是用来确定——(每秒角变化)。当倾斜和角速度陀螺位置增加一个特定的方向和rotationoccurs时,输出脉冲的峰值将转变。这propertyhas被用于测量旋转。然而,使用一个小的相位调制depthwill导致输出脉冲的展宽。等控制器的仿真进行验证光纤陀螺仪的性能。模拟进行了额定参数和测量噪声。系统的仿真结果表明满意的反应。

引用

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