Гирогоризонткомпас для подвижного объекта

 

Использование: в области технической физики для построения горизонтальной геофизической системы координат на морских и сyxопутных объектах, а также на летательных аппаратах. Сущность изобретения: с целью повышения точности устройства при упрощении конструкции, в корректируемом гирогоризонткомпасе с одним трехстепенным гироскопом, размещенным в двухосном кардановом подвесе, наружную его ось ориентируют по нормали к палубе (шасси) объекта, а ось чувствительности акселерометра, управляющего прецессионным движением гироскопа, ориентируют вдоль оси кинетического момента гироскопа. Тем самым физически реализуется направление, ориентированное относительно географического меридиана и палубы объекта, а наклон палубы в перпендикулярной плоскости к этому направлению определяется аналитическим путем по показаниям другого акселерометра и гиротахометра, размещенного на внутренней площадке карданового подвеса. Такое выполнение устройства способствует повышению точности определения и хранения курса объекта. Различные предложенные ориентации гироскопа относительно плоскости горизонта и направления оси вращения Земли позволяют получать разновидности устройства со специфическими свойствами, полезными для разных потребителей. 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области технической физики и может быть использовано для построения горизонтальной географической системы координат на сухопутных и морских подвижных объектах, а также на летательных аппаратах. Наличие на подвижном объекте информации об ориентации осей упомянутой системы координат позволяет определять углы бортовой и килевой качек, курс объекта, а также решать ряд других задач.

Известна гироскопическая система (см.Патент РФ N 2000544, G 01 С 21/00, 1991, автор Беленький В.А. Бюллетень изобретений РФ N 33), принятая в качестве прототипа и способная выполнять функции гирогоризонткомпаса. В этой системе на двухосной платформе расположен гироскоп с вертикальной ориентацией вектора кинетического момента, два акселерометра и гиротахометр, измеряющий угловую скорость поворота платформы вокруг вертикального направления. Платформа с гироскопом и акселерометрами образует инерциальную гировертикаль, вырабатывающую качки объекта и совместно с гиротахометром курс объекта. Основное функциональное отличие этой системы от ранее известных устройств заключается в том, что в ней отсутствует платформа, физически ориентированная вдоль географического меридиана, а курс объекта вычисляется аналитическим способом.

При поворотах объекта по курсу в этой системе появляются дополнительные погрешности, связанные с неидентичностью свойств гироскопа по ортогональным координатам и ошибками устройств управления. К недостаткам этой системы можно также отнести ее неспособность работать с достаточной точностью в режиме гироазимута, т. к. свойства системы в этом режиме, в основном, определяются качеством гиротахометра. Как правило, гиротахометр представляет собой достаточно простой прибор умеренного качества. Последнее обстоятельство является причиной снижения качества работы системы по выработке курса объекта.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является создание конструктивно простого и точного гирогоризонткомпаса для подвижных объектов, способного работать, кроме того, в качестве хранителя азимутального направления.

Поставленная задача решается тем, что в предложенном устройстве трехстепенный гироскоп размещен в двухосном кардановом подвесе с высотно-азимутальной ориентацией осей и выполняет функции гирокомпаса или гироазимута, а также одноосной гировертикали, измеряющей угол наклона объекта в плоскости, в которой лежит вектор кинетического момента гироскопа, причем, угол наклона объекта в плоскости, перпендикулярной указанной, определяется аналитическим путем по показаниям акселерометра и гиротахометра, размещенных на элементах карданового подвеса. Таким образом, в предложенной системе физически реализуется направление, известным образом ориентированное относительно географического меридиана и палубы объекта в вертикальной плоскости, в которой лежит указанное направление, а наклоны палубы в перпендикулярной плоскости определяются аналитическим путем. При необходимости по значениям указанных параметров вычисляется по известным формулам сферической тригонометрии углы бортовой и килевой качек объекта или какие-либо другие углы, необходимые потребителям.

Такое выполнение устройства способствует повышению точности определения и хранения курса объекта. Качка объекта в одной плоскости вырабатывается достаточно точно, а в другой плоскости, в которой ее определение осуществляется аналитическим путем, эта точность зависит от свойств акселерометра и гиротахометра. Для ряда использований гирогоризонткомпаса гиротахометр может отсутствовать.

Различная ориентация гироскопа относительно плоскости горизонта и направления оси вращения Земли позволяет получать различные устройства со специфическими свойствами, полезными для разных потребителей. Целесообразны устройства со следующими ориентациями вектора кинетического момента гироскопа: вдоль географического меридиана, которая является традиционной для гирогоризонткомпаса; в горизонтальной плоскости и при отсутствии управления скоростью прецессии гироскопа вокруг вертикальной оси, вследствие чего устройство приобретает свойства гироазимутгоризонта; параллельно оси вращения Земли, что способствует уменьшению инструментальных и методических погрешностей, т.к. при этом нет необходимости управлять прецессионым движением гироскопа и может быть существенно уменьшена скоростная ошибка канала курсоуказания при использовании устройства на быстроходных маневрирующих объектах; под произвольным углом по отношению к направлению оси вращения Земли и при отсутствии какого-либо управления скоростью прецессии гироскопа, что приводит к кажущемуся коническому движению вектора кинетического момента гироскопа вокруг указанного направления, что при наличии информации о времени и координатах объекта позволяет достаточно точно хранить азимутальное направление и решать ряд других задач.

Разнообразие свойств заявленных устройств позволяет их использовать на объекте как в единичном исполнении, так и в составе нескольких устройств, дополняющих и дублирующих друг друга. Такие устройства могут использоваться не только для определения направлений осей горизонтной географической системы координат,но и для выработки координат объекта.

Выбор для использования того или иного из заявленных устройств необходимо производить с учетом возможной географической широты объекта и углов его наклона с тем, чтобы не допустить совпадения вектора кинетического момента гироскопа с нормалью к палубе объекта. В случае возможности такого совпадения устройство должно быть помещено в дополнительное кардановое кольцо, по аналогии с дополнительным кольцом крена, применяемым в гиростабилизаторах самолетов.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором приведена схема гирогоризонткомпаса.

На внутренней платформе гиростабилизатора, способной поворачиваться вокруг оси X относительно кольца 1, установлен гироскоп 2 с датчиками угла 3 и датчиками момента 4, гиротахометр 5 и акселерометр 6. Ось симметрии гироскопа 2 и направление оси чувствительности акселерометра 6 ориентированы параллельно направлению Z, которое перпендикулярно оси X. Ось X лежит в плоскости палубы объекта. Гиротахометр 5 измеряет абсолютную угловую скорость поворота платформы вокруг оси Z.

На оси X установлен моментный двигатель 7, управляемый через усилитель 8 сигналами датчиками угла 3, возникающими при угловом рассогласовании оси симметрии гироскопа 2 относительно оси вращения его ротора.

На кольце 1 установлен акселерометр 9 с направлением оси чувствительности, параллельным оси X. Сущность изобретения не изменяется и при установке акселерометра 9 на внутренней платформе. Этот акселерометр реагирует на наклоны оси X относительно плоскости горизонта. Акселерометр 9 и гиротахометр 5 участвуют в определении угла ρ наклона объекта вокруг оси Z.

Кольцо 1 может поворачиваться относительно палубы (основания) объекта вокруг оси Y, ориентированной по нормали к палубе. На этой оси установлен моментный двигатель 10, управляемый через усилитель 11 сигналами датчика угла 3. Таким образом, моментные двигатели 7 и 10 осуществляют непрерывное автоматическое совмещение оси с направлением оси вращения ротора гироскопа.

На осях гиростабилизатора установлены вращающиеся трансформаторы - преобразователи 12 и 13, измерявшие углы поворота кольца 1 относительно палубы и внутренней платформы. Значения этих углов вместе с сигналами акселерометра 9 и гиротахометра 5 поступают на блок 14 выработки углов качек и курса объекта. В этом блоке по сигналам акселерометра 9 и гиротахометра 5 аналитическим способом вырабатывается значение угла r наклона объекта вокруг оси Z.

Оценка угла r может быть получена путем сравнения интеграла от угловой скорости , получаемой от гиротахометра 5, со средним значением ускорения a_x, получаемой от акcелерометра 9. Ускорение a_x зависит от угла r следующим образом: где: g ускорение свободного падения: переменная составлявшая ускорения, зависящая от качки и маневрирования объекта, на котором установлен гирогоризонткомпас.

Таким образом, в блоке 14 решаются следующие зависимости: ; здесь W передаточная функция фильтра, используемого для сглаживания величины.

Для упрощенной модификации заявленного устройства в его coстав может не входить гиротахометр 6. В этом случае значение угла ρ получают из выражения .

Значение угла ρ, а также углов K_п и f, измеряемых преобразователями 12 и 13 преобразуются в блоке 14 в углы, необходимые потребителю, например, в курс К и углы бортовой и килевой качек.

Таким образом, в блоке 14 решается задача преобразования информации из высотно-азимутальной системы координат, в систему координат, удобную потребителю. Выходная информация I5 поступает потребителю.

Чаще всего для решения задач навигации необходима информация о курсе К объекта в плоскости горизонта. Для этого в блоке 14 используются следующие аналитические зависимости, полученные из формулы сферической тригонометрии:

tge = -tgϕcosρ.
где К', ΔK, ρ_к и e промежуточные величины.

Если преобразователи 12 и 13 являются синусно-косинусными, то при всей видимой громоздкости приведенных аналитических выражений их решение сводится к операциям умножения и суммирования, что может быть выполнено достаточно простой ЭВМ, входящей в блок 14.

Исходные величины, поступающие в блок 14, однозначно определяют положение сиcтемы координат XYZ в пространстве при φ<90 и r<90,и поэтому однозначно определяется К, а также углы качек объекта.

Для управления гироскопом в состав устройства введен блок 16 управления прецессионым движением, на вход которого от акселерометра 6 поступает информация о наклоне оси Z относительно плоскости горизонта, а также по входу 17 внешняя информация о скорости и координатах объекта. На основании этой информации вырабатываются сигналы управления гироскопом в вертикальной и горизонтальных плоскостях. Но поскольку датчики момента 4 гироскопа 2 поворачиваются вместе с его корпусом относительно плоскости горизонта, то в блок 16 поступает значение угла r наклона оси X из блока 14, которое используется для приведения сигналов управления к координатам датчика момента. Для этого каждый из сигналов умножается на косинус упомянутого угла и к нему добавляется сигнал ортогональной координаты, умноженный на синус этого угла с соответствующим знаком. Сформированные таким образом сигналы управления из блока 16 поступают на датчики момента 4 гироскопа 2.

Управление прецессионым движением гироскопа устройства для традиционной ориентации его оси осуществляется по алгоритмам, сходным алгоритмами управления известных однороторных гирокомпосов с внешней коррекцией. При других ориентациях соответствующим образом изменяются законы управления, в том числе в некоторых случаях последовательно с сигналом акселерометра 6 вводится сигнал, компенсирующий соответствующую для данного типа гирогоризонта компаса составляющую ускорения силы тяжести. Так, например, при ориентации оси Z параллельно оси вращения Земли, величина компенсирующего сигнала пропорциональна произведению ускорения силы тяжести на синус географической широты места объекта.

С целью конструктивного упрощения гирогоризонткомпаса целесообразно использовать в нем вместо гироскопа 2 и акселерометров 6 и 9 один гироскоп-акселерометр с магнитным подвесом ротора.

Такое исполнение гирогоризонткомпаса обеспечивает уменьшение его размеров, а также стоимости и целесообразно для построения среднего класса точности.

Для визуального отображения курса объекта, измеренного в горизонтальной плоскости, в состав гирогоризонткомаса включается катушка, связанная с блоком 14. Наличие катушки-индикатора удобно для осуществления ручного управления курсом объекта.

Формула изобретения

1. Гирогоризонткомпас для подвижного объекта, содержащий гироплатформу в двухосном кардановом подвесе с датчиками углов поворота и моментными двигателями по осям подвеса, трехстепенной гироскоп с датчиками углов и датчиками момента, направление вектора кинетического момента которого перпендикулярно внутренней оси подвеса, усилители систем стабилизации, входы которых соединены с соответствующими датчиками углов гироскопа, а выходы с моментными двигателями, два акселерометра, оси чувствительности которых взаимно ортогональны, при этом ось чувствительности первого акселерометра параллельна внутренней оси подвеса гироплатформы, блок управления прецессионным движением гироскопа, входы которого соединены с выходами акселерометров, а выходы с соответствующими датчиками момента гироскопа, блок выработки курса и углов качек объекта, с входами которого соединены выходы датчиков углов поворота и первого акселерометра, отличающийся тем, что наружная ось подвеса гироплатформы, связанная с объектом, ориентирована по нормали к основанию объекта, а ось чувствительности второго акселерометра параллельна вектору кинетического момента гироскопа.

2. Гирогоризонткомпас по п.1, отличающийся тем, что вектор кинетического момента гироскопа ориентирован параллельно оси вращения Земли.

3. Гирогоризонткомпас по п.1, отличающийся тем, что вектор кинетического момента гироскопа отклонен на известный угол от направления, параллельного оси вращения Земли.

4. Гирогоризонткомпас по п.3, отличающийся тем, что вектор кинетического момента гироскопа лежит в плоскости горизонта.

5. Гирогоризонткомпас по п. 4, отличающийся тем, что вектор кинетического момента гироскопа ориентирован в плоскости географического меридиана.

6. Гирогоризонткомпас по пп.1 5 отличающийся тем, что в его состав входит картушка для визуального отображения курса, иэмеренного в плоскости горизонта, связанная с блоком выработки курса и качек.

7. Гирогоризонткомпас по пп.1 6, отличающийся тем, что в качестве его гироскопа и акселерометров используется гироскоп-акселерометр с магнитным подвесом ротора.

8. Гирогоризонткомпас по пп.1 7, отличающийся тем, что на гироплатформе установлен гиротахомер, ось чувствительности которого параллельна вектору кинетического момента гироскопа, а выход соединен с входом блока выработки курса и качек, выход которого соединен с входом блока управления прецессионным движением гироскопа.

РИСУНКИ

Рисунок 1