Гироскопическая навигационная система для подвижных объектов
Изобретение относится к области навигации может быть использовано для морских , воздушных и наземных объектов, а также для гравиметрических и маркшейдерских работ. Техническим эффектом является уменьшение массо-габаритных характеристик устройства, его упрощение при сохранении точностных характеристик. Изобретение относится к области навигации и может быть использовано для морских , воздушных и наземных объектов, а также для гравиметрических и маркшейдерских работ. Известна гироскопическая навигационная система, содержащая гирогоризонткомпас и гироазимут. Недостатком этой системы является сложность. Наиболее близким техническим решением является гироскопичес( зя навигационная система для подвижных объектов. Технический эффект достигается за счет того , что гироплатформа 1 снабжена только одним трехстепенным гироскопом б, кроме того, на ней установлен датчик абсолютной угловой скорости 13. На основании информации с датчиков углов 9, 10 гироскопа, датчик 13, датчиков углов 16, 17 и блока приема информации скорости объекта 5 в блоке управления и выработки выходных параметров 2 и автономном 4 и неавтономном 3 блоках аналитической выработки курса система вырабатывает следующие параметры: курс и углы качек объекта, путевая скорость объекта, координаты места и неавтономно вырабатываемые курс объекта и широта места . Миниатюризация гироскопического модуля достигается тем, что исключаются из конструктивов узел карданного кольца с неограниченным углом поворота вместе с переходной контактной колонкой и датчиком угла, измерителем курса объекта. Курс объекта при этом вырабатывается аналитически , и гироплатформа связана с объектом двуосным карданным подвесом с неограниченным углом поворота. 1 ил. содержащая трехстепенной гироскоп с датчиками углов и датчиками моментов по осям рамок, или два двухстепенных гироскопа с датчиками углов и датчиками момента по осям рамок, установленные на гиростабилизированной платформе, первый и второй акселерометры горизонтальных каналов, установленные на гиростабилизированной платформе. Карданный подвес гиростабилизированной платформы снабжен следящими двигателями по осям подвеса. Гироскопическая навигационная система 73 С ю о о о СП N 4 О
Я0„ 2000544 С (5!}5 G 01 С 21/00
Комитет Российской Федерации по патентам и товарным зндкдм!
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ и - п,;,," -,, г л
К ПАТЕНТУ
О
О (21) 5013024/22 (22) 26.11.91 (46) 07.09.93. Бюл.N 33 — 36 (76) Беленький В.А. (56) Ишлинский А.Ю. Об автономном определении местоположения движущегося объекта посредством пространственного гироскопического компаса, гироскопа направления и интегрирующего устройства.
ПММ 1959, т.23, вып.1.
Кошляков В.Н. Задачи динамики твердого тела и прикладной теории гироскопов, M.: НауМа, 1985. с.236-248. (54) ГИРОСКОПИЧЕСКАЯ НАВИГАЦИОННАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ПОДВИЖНЫХ ОБЬЕКТОВ (57) Изобретение относится к области навигации может быть использовано для морских, воздушных и.наземных объектов, а также для гравиметрических и маркшейдерских работ. Техническим эффектом является уменьшение массо-габаритных характеристик устройства, его упрощение при сохранении точностных характеристик.
Изобретение относится к области навигации и может быть использовано для морских, воздушных и наземных объектов, а также для гравиметрических и маркшейдерских работ.
Известна гироскопическая навигационная система, содержащая гирогоризонткомпас и гироазимут. Недостатком этой системы является сложность.
Наиболее близким техническим решением является гироскопичес):ая навига (ионная система для подвижных объектов, Технический эффект достигается за счет того, что гироплатформа 1 снабжена только одним трехстепенным гироскопом 6, кроме того, на ней установлен датчик абсолютной угловой скорости 13. На основании информации с датчиков углов 9, 10 гироскопа, датчик 13, датчиков углов 16, 17 и блока приема информации скорости обьекта 5 в блоке управления и выработки выходных параметров 2 и автономном 4 и неавтономном 3 блоках аналитической выработки курса система вырабатывает следующие параметры: курс и углы качек объекта, путевая скорость объекта. координаты места и неавтономно вырабатываемые курс объекта и широта места. Миниатюризация гироскопического модуля достигается тем, что исключаются из конструктивов узел карданного кольца с неограниченным углом поворота вместе с переходной контактной колонкой и датчиком угла, измерителем курса объекта. Курс объекта при этом вырабатывается аналитически, и гироплатформа связана с объектом двуосным карданным подвесом с неограниченным углом поворота. 1 ил. содержащая трехстепенной гироскоп с датчиками углов и датчиками моментов по осям рамок, или два двухстепенных гироскопа с датчиками углов и датчиками момента по осям рамок, установленные на гиростабилизированной платформе, первый и второй акселерометры горизонтальных каналов. установленные на гиростабилиэированной платформе. Карданный подвес гиростабилизированной платформы снабжен следящими двигателями по осям подвеса.
Гироскопическая навигационная система
2000544 содержйт также блок приема информации о скорости объекта, а также блок управления и выработки выходных параметров, первый и второй входы которого соединены с первым и вторым акселерометрами соответственно, третий вход — с выходом блока приема информации о скорости объекта, четвертый и пятый входы — с выходами датчиков углов соответственно первого и второго следящих двигателей, установленных по осям карданова подвеса. Остальные входы блока управления, число которых соответствует числу датчиков углов гироскопов, соединены с выходами соответствующих датчиков углов гироскопов, выходы блока управления и выработки выходных параметров rio сигналам управления, число которых соответствует числу датчиков момента гироскопов, соединены с соответствующими датчиками момента, Карданный подвес, связывающий стабилизированную гироплатформу с объектом, выполнен в виде трехосного карданного подвеса. Азимутальное карданное кольцо, обеспечивающее свободу вращения гироплатформы вокруг вертикальной оси, имеет неограниченный угол поворота.
Для передачи электрических сигналов с неподвижной части прибора на гироплатформу и обратно на оси азимутального кольца монтируется специальная переходная контактная колонка, кольца которой и контакты выполняются из золота, платины и иридия. При этом само азимутальное кольцо в значительной степени определяет конструктивы гироскопического модуля — центрального прибора гироскопической навигационной системы.
Техническим эффектом является сокращение массо-габаритных характеристик устройства, его упрощение при сохранении точностных характеристик.
Технический эффект достигается тем, что в гироскопической навигационной системе для подвижных объектов, содержащей трехстепенной гироскоп с датчиками углов и датчиками моментов по осям рамок или два двухстепенных гироскопа с датчиками углов и датчиками моментов по осям рамок, установленный на гиростабилизированной платформе, первый и второй акселерометры горизонтальных каналов, установленные нв гиростабилизированной платформе, карданный подвес гиростабилизированной платформы снабжен следящими двигателями по осям подвеса, блок приема информации о скорости объекта. а также блок управления и выработки выходных параметров, первый и второй входы которого соединены с первым и вторым акселерометрами
55 соответственно, третий вход -- с выходом блока приема информации о скорости объекта, четвертый и пятый входы — с выходами датчиков углов соответственно первого и второго следящих двигателей, установленных по осям карданова подвеса, остальные входы блока управления, число которых соответствует числу датчиков углов гироскопов, соединены с выходами соответствующих датчиков углов гироскопов, выходы блока управления и выработки выходных параметров по сигналам управления, число которых соответствует числу датчиков момента гироскопа, соединены с соответствующими датчиками момента.
Карданный подвес гиростабилизированной платформы выполнен двухосным, дополнительно введены блок неавтономной аналитической выработки курса объекта, первый вход которого соединен с выходом приема информации о скорости объекта, а остальные входы — с соответствующими выходами блока управления и выработки выходных параметров по сигналам упраопения, На гиростабилизированной платформе установлен датчик абсолютной угловой скорости, ось чувствительности которого перпендикулярна плоскости гиростабилизированной платформы, а также введен блок автономной аналитической выработки курса объекта, первый вход которого соединен с датчиком абсолютной угловой скорости, второй вход — с блоком приема информации о скорости обьекта, третий и четвертый входы — с выходами блока неавтономной аналитической выработки курса по сигналам курса и широты соответственно, остальные входы соединены соответственно с выходами блока управления и выработки выходных параметров по сигналам управления, дополнительный вход блока управления соединен с выходом датчика абсолютной угловой скорости.
На чертеже представлена функциональная схема гироскопической навигационной системы для подвижных объектов, где 1— гиростабилизированная платформа, 2— блок управления и выработки выходных параметров, 3 — блок неавтономной аналитической выработки курса обьекта, 4 — блок автономной аналитической выработки курса объекта, 5 — блок приема информации о скорости объекта, 6 — трехстепенной гироскоп, 7 и 8 — датчики момента гироскопа. 9 и 10 — датчики углов гироскопа, 11 и 12— первый и второй акселерометры горизонтальных каналов, 13 — датчик абсолютной угловой скорости, 14 и 15 — следящие двигатели стабилизации, 16 и 17 — ля чики углов
200054 1 соответственно первого и второго следящих двигателей.
Гироскопическая навигационная система для подвижных объектов содержит гиростабилизированную платформу 1, блок управления и выработки выходных параметров 2. На гироплатформе 1 расположены трехстепенной гироскоп 6 с датчиками момента 7. 8 и датчиками углов 9, 10. два акселерометра 11 и 12. оси чувствительности которых ортогональны между собой и параллельны плоскости гироплатформы. датчик абсолютной угловой скорости 13, выход которого связан со входами блока управления и выработки выходных параметров 2 и блоком автономной аналитической выработки курса обьекта 4. Первый и второй выходы акселерометроо датчиков углов следящих двигателей 16, 17. датчиков углов
9, 10 трехстепенного гироскопа 6 и блока приема информации о скорости объекта 3 соединены с блоком управления и выработки выходных параметров 2, выходы которого соединены со следящими двигателями стабилизации 14, 15. с датчиками момента 7 и 8 трехстепенного гироскопа 6. Входы блока неавтономной аналитической выработки курса обьекта 3 соединены со сходами датчиков момента 7, 8, и выходом блока приема информации о скорости объекта 5. Остальные входы блока автономной аналитической выработки курса объекта 4 соединены со входами датчиков момента 7, 8 и выходом блока приема информации о скорости объекта 5, Гироскопическая навигационная система для подвижных объектов функционирует следующим образом: ось кинетического момента Hi в исходном положении ортогональна плоскости чертежа, так что оси подвеса гироскопа 6 и ось Н|, когда нет наклона обьекта относительно плоскости горизонта, составляют ортогональный трехгранник. Ось кинетического момента датчика абсолютной угловой скорости 13 параллельна плоскости гироплатформы 1.
Оси чувствительности акселерометров 11, 12 ортогональны между собой и параллельны плоскости гироплатформы 1, при этом ось одного из акселерометров параллельна внутренней оси карданова подвеса гироплатформы 1, наружная ось карданового подвеса которой параллельна продольной оси подвеса.
Гироплатформа 1 с помощью следящих двигателей 14 и 15 по сигналам рассогласования датчиков углов 9 и 10 гироскопа 6 все время удерживается в одной плоскости с кожухом гироскопа 6. Кожух гироскопа 6 вместе с гироплэгформой 1 приводится в
55 горизонт и удер>кивается в горизон1е с помощью моментов, накладываемых через датчики моментоо 7. 8 гироскопа 6 токами управления по сигналам, вырабатываемым о блоке управления и выработки выходных параметров 2. Эти токи управления соответствуют горизонтальным составляющим абсолютной угловой скорости трехгранника
Дарбу, повернутого на угол К вЂ” курс объекта относительно географического трехгранника Дарбу. В свою очередь. сигналы. по которым вырабатываются токи управления гироскопа 6, вырабатываются в блоке управления и выработки выходных параметров 2 в результате обработки величин горизонтальных составляющих кажущихся ускорений вершин трехгранника Дарбу, измеренными акселерометрами 11 и 12, с использованием величины вертикальной составляющей абсолютной угловой скорости трехгранника Дарбу, пропорциональной моменту, накладываемому датчиком момента датчика абсолютной угловой скорости 13, в качестве которого может быть использован гироскоп, работающих в режиме гиротахометра, при этом цепь датчик угла — усилитель — датчик момента представляет собой электрическую пружину или гироскоп, работающий на ином физическом принципе. Следует отметить, что гироплатформа 1 может быть построена только на двухстепенных гироскопах. Для оценки влияния инструментальных погрешностей обозначим исходную систему координат — трехгранник Дарбу, повернутый на угол К относительно географического трехгранника фф. С гироплатформой 1 свяжем систему координат — приборный трехгранник XYZ, которая образуется из системы координат Щ поворотом вокруг оси на угол /3и затем поворотом вокруг оси OY на угол у, Составляющие абсолютной угловой скорости трехгранника Qg обозначим соответственно р, q, г. Тогда сигналы управления гироскопом 6, вычисляемые в блоке 2 и подаваемые на входы датчиков момента 7. 8 будут иметь следующий вид:
a» — И Я< а — Яйу — — =@и-" — — — — -Й, При этом S — оператор Лапласа
Q =p+- Я
О, =ц +ЛЦ, Я =r +A@ где hg<,ЖЗ,AQ — погрешности определения составляющих абсолютной угловой скорости трехгранника(у( а» и ay — показания акселеромегров 11 и
12, причем
a, - q+ rp а4 : у = - p+ rq ° и 4
2000544 ч где аъ — частота Шуллера.
j3 и p — суть ошибки вертикали места.
Поскольку АЦ .= у+ rP + МЩ .Щ, =P — ry+ hhp где hhp и ЛЛц — дрейфы гироскопа 6, уравнения ошибок выработки горизонтальных составляющих абсолютной угловой скорости трехгранника фф и вертикали места будут
AG4+rcelnp +ogo =0
ЛЛ вЂ” cus lnp + сад = h@cocosp
ЖЪ -вз пф -а=Мцн - (1)
- hg= — кз! пуи + д = hhp E где д =/3созК+уа1пК ст = ycosK -PsinK Яч = hGIcosK — ЛЯ,slnK
Ж2 = Ж4созк+ Ла slnк в-угловая скорость Земли, p - широта места, Курс объекта, вырабатываемый броком автономной аналитической выработки курса объекта 4, и другие автономно вырабатываемые выходные параметры, получаемые на выходе блока управления 2 находятся по составляющим абсолютной угловой скорости Ок, Q у, И. приборного трехгранника
XYZ следующим образом:
Q Й созКпр Q VEn Q = CUSlnpnp + Rtgpnp Knp Чеп где Кпр приборн е значение курса объекта, р пр — прибсрное значение широты места, VEnp — приборное значение восточной составляющей скорости объекта относительно Земли, Я вЂ” радиус Земли. Уравнения ошибок автономного определения курса объекта и широты места тогда запишутся Ь Рпр + (a) + L)hKnpcosp = ЛЯ= — К,рсозр+ (со 1 A)hppp = - Ж4созр — hG4slnp (2) где hpnp — ошибка определения широты места, h Knp — ошибка определения курса объекта. Ошибка автономного определения скорости изменения долготы места будет: Ядр = ЬЯя cosp + hQ slnp + (hKnps lnp) Как видно из (2) переходной процесс автономного определения курса ьбьекта и широты меСта связан с суточным периодом. Для сокращения переходного режима автономного определения курса объекта и широты места. а также для самостоятельного использования потребителем, предлагаемое устройство вырабатывает курс К.w u широту места pro неавтономно в режиме "гирошироткомпаса" при помощи блока не5 автономной аналитической выработки курса 3. в котором реализуются следующие алгоритмы Q(+ 10 т9Кгшк = (+ + — о созфгшк R где V — скорость объекта от блока приема информации о скорости объекта 5, в качест15 ве которого может игпользоваться лаг или приемное устройство. на выходе которого имеется значение скорости. Ж + — cosK Ьу 20 " „и cosp Тогда hК.,— Яч + — slnK hV Ap, — „sin (3) R где h Кгшк. Ар гшк ошибки неавтономного 25 определения курса объекта и широты места соответственно. Из системы уравнений (1) следует, что установившееся значение ошибки вертикали места определяются Мр. а4 — аРз п р AQm cO i + ЛЛЦди sin и, — oPsln p Возьмем ЛЛрЕ = hhðE = 0,01 /ч инструментальная погреш.<ость определения вертикальной составляющей абсолютной угловой скорости трехгранника где hh г — дрейф датчика абсолютной угло40 вой скорости 13. ЛЖ2 — погрешность электрической пружины, определяемой главным образом ошибкой вторичного источника тока. Примем hhr = 0,01 /ч. 45 При относительной точности вториЧИого источника тока 10 5 и максимальной скорости объекта вокруг вертикальной оси— 3 /с hhQд = 0,1 /ч Тогда ошибка вертикали места будет, имея 50 в виду в о = 4,5 1/ч %= 1/ч p=97 1 порядка 5 угл.с Из системы управления (2) и (1) найдем 55 установившееся значение погрешности определения курса объекта ДК hhPE r 2000544 При неавтономном определении курса обьекта и широ1ы места ошибки выработки курса объекта и широты л1еста определяются системой уравнений (3) и не зависит от . AQ. 5 Автономное определение путевой скорости \/вр, а так>ке р пр и Я вр, где Vnp = Fnp+ у- 1 р, целесообразно, если значения ЛЯу, АОр и ЛР z vr1е1от один порядок. Это возможно тогда. когда относи- 10 тельная точность вторично о источ11ика тока электрической пружины гироскопа 10 будет -о иметь значение порядка 10 для высокоманевренных обьектов (циркуляция объекта порядка 3 /с) и наоборот — порядка 10 - 15 10 для маломаневренных обьактоо типа подводных батискафов, Выполнение устройстоа не требует степени свободы относительно вертикальной оси, а следовательно, не нужно азимутальное сле- 20 дящее кольцо. Ненужной становится также переходная контактная колонка, т.к. о доухоснол1 горизонтальном карданном подвесе электрические сигналы с неподвижной части ги- 25 ромодуля на гироплатфорл1у и обратно передаются о мягких жгутах через оси подоеса, имеющего of ðàíèченные углы поворота, из-за наклона или K;l÷кll обьекта относительно плоскости горизонта. Далее 30 курс объекта не отсчитывается в виде угла между заданной осью гироплатформы; ориентированной на север и продольной осью объекта, а аналитически вырабатывается по значениям токов, управляющих гироскопом 35 через посредством датчиков моментов, Это значит, что о предлагаемом устройстве отпадает необходимость в применении специального датчика угла внутри гироскопического модуля, измеряющего 40 курс обьекта. Двухосный карданный подвес в предлагаемом устройстве позволяет создавать миниатюрный гироскопический модуль. При этол1 важно отметить, чтО в предлагаемой гироскопической навигаци- 45 онной системе к1иниат1ориэация гиромодуля осуществляется таким образом, чтобы не ухудшить точность выработки курса объекта и вертикали места. Кроме этого, для малома невренных обьектоо не ухудшается также 50 точность выработки путевой скорости и координат места. Сокращение массо-габаритных характеристик системы делает оозмо>кным использование ее для буровых установок при разведке и добыче полезных 55 ископаемых. Доукомплектование предлагаемой гироскопической навигационной системы граоиметром позволяет испольэовать его при гравик1юр11ческих работах. Формула изобретения Г11роскопическая навигационная гистема для подвижных объектов, содержащая тр хстепен toff гироскоп с датчиками углов и дл1чикал1и моментов по осям p8f40K или д1а доухстоупенчатых гироскопа с датчиками углов и датчикамй л1омен: по осям рамок. установленный на гиростабилизированной платформе, первы11 и второй акселерометры горизонтальнь х каналов, установленные на rvðoñòàáèëèçèðoBàHHoé платформе, карданный подоес гиростабилизированной платформы снабжен следящими двигателями по осям подоеса, блок приема информации о скорости объекта, а также блок управления и выработки выходных параметрао, первый и второй входы которого соединены с первым и вторым акселерометрами сооТ етстоенно, третий вход — с выходом блока приема информации о скорости обьек1а, 1етоертый и пятый входы — с выходами датчиков углов соответственно первого и второго следящих двигателей, установленных по осям карданова подвеса, остальные входи блока управления, число которых соответствует числу датчиков углов гироскопов, соединены, с выходами соответствующих датчйков углов гироскопов, выходы блока управления и выработки выходнь1х параметров по сигналам управле1п1я, число которых соответствует числу датчиков момента гироскопов, соединены с соответствующими датчиками момента, о тл и ч а ю щ а я с я тем, что карданов подвес гиростабилизированой платформы выполнен двухосным и дополнительно введены блок неавтономной аналитической выработки курса объекта, первый вход которого соединен с выходом блока приема информации о скорости объекта, а остальные входы — с соответствующими выходами блока управления и выработки выходных параметров по сигналам управления, на гиростабилиэирооанной платформе установлен датчик абсолютной угловой скорости, ось чувствительности которого перпендикулярна плоскости гиростабилизированной платформы, а также воеден блок аналитической выработки курса обьекта, первый вход которого соединен с датчиком абсолютной угловой скорогти, второй вход — с блоком приема информации о скорости объекта. тре1ий и четвертый входы — с выходами бл <а 11еаотономной аналитической выработки курса по сигналам курга и широ,:l соответственно, остэг » ы 11 2000544 12 входы соединены соответственно с выходами блока управления и выработки выходных параметров по сигналам управления, дрполнительный вход блока управления соединен с выходом датчика абсолютной угловой скорости.
