Санкт-Петербург

Литература 
1. Рупасов А.В. Исследование метода локального температурного воздействия и его 
применение для компенсации дрейфа волоконно-оптического гироскопа: дис. ... канд. 
техн. наук: 05.11.07. – СПб.: НИУ ИТМО, 2014. – 135 с. 
2. Аксарин С.М. Исследование поляризационных методов и технологий согласования 
волоконно-оптических и интегрально-оптических волноводов: автореф. дис. на соиск. 
уч. степени канд. физико-матем. наук. – СПб.: НИУ ИТМО, 2014. – 19 с. 

---

Альманах научных работ молодых ученых 
XLVII научной и учебно-методической конференции Университета ИТМО. Том 1 
173 
Чалков Виктор Викторович 
Год рождения: 1996 
Университет ИТМО, факультет систем управления и робототехники, 
кафедра информационно-навигационных систем, 
студент группы № Р3430 
Направление подготовки: 24.03.02 – Системы управления движением 
и навигация 
e-mail: [e-mail] 
УДК 537.6 
РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНО-МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ КВАНТОВОГО 
ДАТЧИКА ВРАЩЕНИЯ ДЛЯ ОТРАБОТКИ АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ 
МАГНИТНОЙ СИСТЕМОЙ 
Чалков В.В. 
Научный руководитель – Шевченко А.Н. 
Работа посвящена разработке программно-математической модели квантового датчика вращения. 
Ключевые слова: квантовый датчик вращения; обработка алгоритмов; программно-математическая 
модель. 
Одна из важнейших проблем, возникающая при реализации квантового датчика 
вращения, это нестабильность магнитного поля по оси Z (чувствительности), что приводит к 
нестабильности смешения нуля, а по осям X и Y приводит к нестабильности положения оси 
чувствительности [1, 2]. 
Для решения этой проблемы используется система генерации и стабилизации 
магнитных полей, которая предназначена для управления исполнительными устройствами и 
обеспечения следующих задач: 
– генерация и стабилизация продольного магнитного поля, задающего ось чувствительности 
квантового датчика вращения; 
– генерация опорного частотного сигнала; 
– генерация продольного переменного магнитного поля на частоте щелочного металла; 
– генерация поперечных переменных магнитных полей на частотах изотопов ксенона; 
– компенсация постоянных поперечных магнитных полей. 
Система генерации и стабилизации магнитных полей включает в себя следующие 
подсистемы: 
– подсистема генерации и стабилизации продольного магнитного поля служит для 
выработки и удержания с заданной точностью постоянного тока обмоток соленоида, 
формирующего магнитное поле, которое задает ось чувствительности квантового датчика 
вращения; 
– подсистема генерации продольного переменного магнитного поля на частоте щелочного 
металла служит для выработки переменного тока обмоток соленоида, формирующего 
переменное магнитное поле; 
– подсистема генерации поперечных переменных магнитных полей на частотах изотопов 
ксенона служит для выработки переменного тока системы; 
– подсистема компенсации постоянных двух поперечных магнитных полей служит для 
выработки двух постоянных токов для обмоток систем катушек, формирующих 
поперечные магнитные поля X и Y, и состоит из двух усилителей. Данные магнитные поля 
формируются при помощи тех же обмоток, что и формируют поперечные переменные 
магнитные поля на частотах изотопов ксенона, следовательно, должна быть 
предусмотрена система суммирования токов [3]. 

---

Альманах научных работ молодых ученых 
XLVII научной и учебно-методической конференции Университета ИТМО. Том 1 
174 
Перед проведением моделирования было разработано математическое описание 
сигналов на выходах фотодиодов в зависимости от процессов, протекающих в газовой 
ячейке. На основании данной модели была разработана в системе Simulink. Структура 
модели квантового датчика вращения представлена на рис. 1. 
Рис. 1. Структура программно-математической модели управления магнитной системой 
квантового датчика вращения 
В модель входят следующие блоки: 
– блок первичного усиления магнитной системы квантового датчика вращения; 
– блок управлением лазерами; 
– блок стабилизации по осям X, Y, Z магнитной системы квантового датчика вращения; 
– блок выработки сигнала управления магнитной системы квантового датчика вращения. 
На рис. 2 показана структура модели квантового датчика вращения, а именно участок 
преобразования сигнала с фотоприемника до сигнала, получаемого системой стабилизации 
магнитных полей. 
Рис. 2. Структура модели управления магнитной системой квантового датчика вращения 

---

Альманах научных работ молодых ученых 
XLVII научной и учебно-методической конференции Университета ИТМО. Том 1 
175 
С помощь программно-математической модели были выбраны коэффициенты дробно-
рациональных фильтров, используемых в алгоритмах детектирования сигналов ядерно-
магнитного резонанса изотопов ксенона 129 и 131. 
Полосовые фильтры ФПЧ S129X и ФПЧ S129Y выбраны в виде фильтров Баттерворта 
5-го порядка со следующей передаточной функцией: 
𝐹(𝑠) =
𝑇
1
5
𝑠
5
+3,24𝑇
1
4
𝑠
4
+5,24𝑇
1
3
𝑠
3
+5,24𝑇
1
2
𝑠
2
+3,24𝑇
1
𝑠+1
𝑇
2
5
𝑠
5
+3,24𝑇
2
4
𝑠
4
+5,24𝑇
2
3
𝑠
3
+5,24𝑇
2
2
𝑠
2
+3,24𝑇
2
𝑠+1
, где 
𝑇
1
=
1
116⋅2π
, а 
𝑇
2
=
1
120⋅2π
. 
Полосовые фильтры ФПЧ S131X и ФПЧ S131Y выбраны в виде фильтров Баттерворта 
5-го порядка со следующей передаточной функцией: 
𝐹(𝑠) =
𝑇
1
5
𝑠
5
+3,24𝑇
1
4
𝑠
4
+5,24𝑇
1
3
𝑠
3
+5,24𝑇
1
2
𝑠
2
+3,24𝑇
1
𝑠+1
𝑇
2
5
𝑠
5
+3,24𝑇
2
4
𝑠
4
+5,24𝑇
2
3
𝑠
3
+5,24𝑇
2
2
𝑠
2
+3,24𝑇
2
𝑠+1
, где 
𝑇
1
=
1
33⋅2π
, а 
𝑇
2
=
1
37⋅2π
. 
Фильтры низких частот ФНЧ SBX и ФНЧ SBY выбраны в виде фильтров Баттерворта 
5-го порядка со следующей передаточной функцией: 
𝐹(𝑠) =
1
𝑇
1
5
𝑠
5
+3,24𝑇
1
4
𝑠
4
+5,24𝑇
1
3
𝑠
3
+5,24𝑇
1
2
𝑠
2
+3,24𝑇
1
𝑠+1
, где 
𝑇
1
=
1
2π
. 
Пропорционально-интегрально-дифференцирующие (ПИД) регуляторы для линий 
регулирования по сигналам SBX и SBY выбраны апериодических звеньев первого порядка: 
𝐹(𝑠) =
−0,01
0,1𝑠+1
. 
Фильтр низких частот ФНЧ dS153 выбран в виде фильтра Баттерворта 5-го порядка со 
следующей передаточной функцией: 
𝐹(𝑠) =
1
𝑇
1
5
𝑠
5
+3,24𝑇
1
4
𝑠
4
+5,24𝑇
1
3
𝑠
3
+5,24𝑇
1
2
𝑠
2
+3,24𝑇
1
𝑠+1
, где 
𝑇
1
=
1
2π
. 
ПИД-регулятор для линий регулирования по сигналам dS153 выбран в виде 
апериодических звеньев первого порядка 
𝐹(𝑠) =
−0,000000009
(4𝑠+1)(20𝑠+1)𝑠
. 
Фильтры низких частот ФНЧ dS131X и ФНЧ dS131Y выбраны в виде фильтров 
Баттерворта 
5-го 
порядка 
со 
следующей 
передаточной 
функцией 
𝐹(𝑠) =
1
𝑇
1
5
𝑠
5
+3,24𝑇
1
4
𝑠
4
+5,24𝑇
1
3
𝑠
3
+5,24𝑇
1
2
𝑠
2
+3,24𝑇
1
𝑠+1
, где 
𝑇
1
=
1
2π
. 
Результатом данной работы являлась разработанная программно-математическая 
модель квантового датчика вращения, позволяющая отработать алгоритмы управления 
магнитной системой, и были выбраны коэффициенты дробно-рациональных фильтров, 
используемых в алгоритмах детектирования сигналов ядерно-магнитного резонанса изотопов 
ксенона 129 и 131. Результаты работы могут быть использованы для дальнейших 
исследований магнитной системы квантового датчика вращения с учетом внешних 
возмущающих факторов.