Dry, dynamically tuned gyroscope (DTG) for strapdown use, which is mounted directly on vehicles, is a two-degree-of-freedom angular velocity sensor. For comparable overall performance to floated device, DTG has several advantages. It is of simple structure, not necessitating fluid to support, low in cost per axis, small in size, and amenable to thermal modeling. The development of a modern DTG gives attention to the technology of low drift and high dynamic range. Drifts are the inherent errors in the output signal of gyro, which are generated owing to the dynamic characteristics of DTG and its rebalance loop, and the imperfection in manufacturing.
Recently, as the environmental condition becomes severer than ever, resulting in a higher rate input to a gyro up to a thousand degrees per second, it becomes necessary to design the DTG so that it has a high acceleration capability. In addition, the size of DTG tends to become smaller than twice the size of a match box. These design tendencies adversely lead to high drift, and result in the significant growth of the previously neglected effects of the gimbal moments of inertia, the asymmetries of flexures stiffness and rotor moments of inertia, and the higher order terms related with misalignments. Consequently, in order to lower the drift error in a modern DTG, it becomes necessary to re-investigate such effects so that proper countermeasures can be established.
In this work, the drift errors to constant and harmonic rotational rate inputs are fully derived for the dynamically tuned strapdown gyroscopes with the single gimbal and the orthogonally placed double gimbals. To account for recent design tendencies, the analytic expressions for the drift errors, which newly include the influences of gimbal moments of inertia, asymmetries of flexures stiffnesses and rotor moments of inertia, and higher order terms related with misalignments, are presented. The drift errors are classified according to the sources, and their characteristics are investigated.
For a constant rate input, the effective gimbal polar moment of inertia becomes significant in anisoinertia drift when considering recent design tendencies, and thus the compensation should take into account the effective gimbal polar moment of inertia as well as the effective rotor moments of inertia. The main drift errors due to misalignments can be compensated irrespective of inertia parameters. The secondary drift errors due to misalignments, which are functions of misalignment angles and moments of inertia, can be compensated by using error sources or controlled by the tolerance design of misalignment angles. The rate sensitive drift error associated with dynamic stiffness asymmetry, which is hard to compensate due to the periodically time varying terms in the source, can be minimized by proper design conditions.
The major sources of frequency sensitive rectification drift errors to a harmonic rate input are cross coupling, anisoinertia and motor dynamics. They can be compensated using error sources, and mainly determined by the effective rotor moments of inertia. The anisoinertia drift to a constant rate and the frequency insensitive anisoinertia drift to a harmonic rate input are due to the same source, and thus they are simultaneously compensated. The frequency insensitive rectification error due to motor dynamics can be compensated irrespective of inertia parameters.
The analytical results indicate that large part of drift errors are functions of rotor and gimbal moments of inertia, implying that the physical values of system parameters, especially inertia parameters, play an important role in the proper design and accurate compensation. In order for the efficient parameter identification of DTG, a complex modal testing theory is newly developed for asymmetric rotor systems. It features that the theoretical development is made strictly in the stationary coordinate system, and that it enables a simple unidirectional excitation technique to efficiently estimate the directional frequency responses, which far lessens the testing efforts and enhances the practicality. The proposed technique is numerically applied to DTG, and the procedure for parameter identification is presented.
Conclusively, it is shown that the theoretical results of error analysis and the proposed estimation of directional frequency response functions can be effectively used in the design and error compensation of DTG.
스트랩다운용 동조자이로는 측정 대상물에 직접 부착되어 각속도를 측정하는 2자유도 센서로서 비슷한 성능을 갖는 플로티드 자이로에 비해 많은 장점을 지닌다. 구조가 간단하며, 지지용 액체가 필요없으며, 가격이 저렴하고, 크기가 작으며, 온도 변화에 따른 오차의 보정이 쉽다. 현재의 동조자이로 개발의 주관심사는 저편류오차와 고입력 각속도의 측정이다. 편류오차는 출력 신호에 포함되는 고유의 오차로서 동조자이로의 동적 특성과 재평형루프의 특성 그리고 제작의 불완전성에 의해 생긴다.
최근, 고입력 각속도($\cong 1000 \deg/\sec$) 측정 추세에 따라 작동 환경이 예전에 비해 열악해지고 있으며, 이에 따라 고가속도의 부하에 견딜 수 있는 설계가 요구되어지고 있다. 또한, 동조자이로의 크기는 성냥갑의 두배 이하로 작아지는 추세이다. 이러한 설계 경향은 고편류오차를 발생시키며, 또한 이전에는 작다고 무시되어졌던 김벌의 관성모멘트, 플렉셔 강성과 로터 관성모멘트의 비대챙성, 비정렬각들의 고차항들의 영향을 증대시킨다. 이 결과, 동조자이로의 편류오차를 줄이기 위해 위에서 언급한 영향들을 재검토하여 적절한 대책을 세우는 것이 필요하다.
본 논문에서는 일정 회전 및 단일 조화 회전 각속도 입력에 대한 단일 김벌 또는 서로 수직으로 설치된 두개의 김벌을 갖는 스트랩다운 동조자이로의 편류 오차를 해석적으로 유도하였다. 최근의 설계 추세를 고려하기 위해 김벌의 관성모멘트, 플렉셔 강성과 로토 관성모멘트의 비대칭성, 비정렬각들의 고차항들의 영향을 새로이 포함하였으며, 편류오차들을 원인항들에 따라 분류하여 그 특성들을 검토하였다.
일정 회전 각속도 입력에 대한 관성 모멘트 비일치에 의한 편류오차의 해석 결과는 최근의 설계 추세를 고려할 때 김벌의 유효 극관성 모멘트의 영향이 중요해짐을 보여주며, 따라서 로터의 유효 고나성 모멘트와 함께 김벌의 유효 극관성 모멘트도 편류오차의 보정에 고려되어져야 함을 보여준다. 비정렬각들에 의한 주편류오차는 관성 모멘트들과 무관하게 보정되어질 수 있으며, 관성 모멘트들과 비정렬각들의 함수인 부편류오차는 오차 원인항들을 이용하여 보정하거나, 비정렬각들의 허용 공차 설계에 의해 조정되어질 수 있다. 그리고 원인항에 주기적인 시간 변화항을 포함하여 보정이 어려운 동적 비대칭 강성과 관련된 각속도 민감 편류오차는 적절한 설계조건을 사용하여 최소화할 수 있음을 보였다.
단일 조화 회전 각속도 입력에 대한 주파수 민감 편류오차의 주요한 원인들은 교차 연성, 관성 모멘트 비일치, 모터 동특성이다. 이러한 오차들은 오차 원인항들을 이용하여 보정이 가능하며, 주로 로터의 유효 관성 모멘트들에 의해 좌우된다. 단일 조화 회전 각속도 입력에 의한 관성 모멘트 비일치 편류오차 중 주파수에 민감하지 않은 오차는 일정 회전 각속도 입력에 의한 관성 모멘트 비일치 편류오차와 동일한 원인항에 의해 발생하며, 따라서 동시에 보정되어진다. 그리고 모터 동특성에 의한 편류오차 중 주파수에 민감하지 않은 오차는 관성 모멘트와 관련 없이 보정될 수 있다.
해석 결과는 많은 편류오차들이 로터와 김벌의 관성 모멘트들의 함수임을 보여주며, 이러한 결과는 체계변수들의 물리적인 값들이, 특히 관성변수들, 적절한 설계와 정밀한 보정에 중요한 역할을 한다는 것을 보여준다. 이에 따라 동조자이로의 효과적인 체계변수 규명을 위해 고정 좌표계의 운동 방정식을 이용한 비대칭 로터의 복소 모드 시험 방안이 새로이 개발되어졌으며, 이 방법을 이용하여 방향 주파수 응답 함수를 효율적으로 추정하도록 하는 단순한 단일 가진 기법이 제안되었다. 이 단일 가진 기법은 시험을 매우 용이하게 하는 아주 실용적인 기법이다. 이 제안된 기법을 동조자이로에 수치적으로 적용하였으며, 그 결과를 이용한 변수 규명 절차를 제시하였다.
결론적으로, 본 논문에서 행해진 이론적인 오차 해석의 결과와 새로이 제안된 방향 주파수 응답 합수의 추정 방법이 동조자이로의 설계 및 오차 보정에 유용하게 사용되어질 수 있음을 보였다.
