Гирокомпас

 

Изобретение относится к морскому приборостроению, а именно к гирокомпасам. Цель изобретения - упрощение конструкции и уменьшение потребляемой мощности и времени готовности прибора. Гирокомпас содержит динамически настраиваемый гироскоп 4 с датчиками моментов и углов, который расположен на платформе 2 в кардановом подвесе 3. Датчики угла гироскопа через усилители 13, 14 соединены с датчиками моментов 9, 10, установленными в цапфах подвеса платформы. На платформе размещен датчик наклона 11 платформы относительно ее горизонтальной оси вращения и термодатчик 16, которые через вычислитель 15 соединены с датчиками моментов гироскопа. В случае изменения температуры окружающей среды в вычислителе по информации термодатчика формируется сигнал, пропорциональный дрейфу гироскопа, зависящему от изменения температуры. 2 ил.

Изобретение относится к морскому приборостроению и может использоваться в системах навигации подвижных объектов для определения курса.

Известен однороторный корректируемый гирокомпас, который содержит трехстепенной гироскоп с датчиками угла, подвешенный с помощью упругих торсионов в следящей сфере, заполненной вязкой жидкостью (1). Следящая сфера находится в кардановом подвесе, стабилизируемом относительно вертикальной и поперечной горизонтальной осей с помощью двигателей стабилизации по сигналам датчиков углов гироскопа, а относительно продольной горизонтальной оси с помощью маятниковости следящей сферы. На последней установлен индикатор горизонта физический маятник, являющийся датчиком угла наклона следящей сферы относительно горизонта. Управление положением чувствительного элемента осуществляется закруткой вертикальных и горизонтальных торсионов поворотом следящей сферы, производимым двигателями стабилизации. Формирование сигналов управления и коррекции происходит в счетно-решающем приборе по сигналам индикатора горизонта и информации о скорости объекта, его широте и текущем курсе. Недостатком известного гирокомпаса является то, что использование поплавкового подвеса гироскопа, сложного в изготовлении и требующего системы термостабилизации, приводит к повышению стоимости прибора.

Указанный недостаток устраняется использованием в качестве чувствительного элемента динамически настраиваемого гироскопа, который благодаря своей конструкции прост в изготовлении, более надежен и имеет низкую стоимость.

Наиболее близким по технической сущности является гирокомпас Robertson SKR-80, построенный на индикаторном гиростабилизаторе, использующем динамически настраиваемый гироскоп (2). Чувствительный элемент данного прибора расположен на платформе с двухосным кардановым подвесом, стабилизируемым датчиками моментов, расположенными в цапфах кардановых рам, по сигналам датчиков углов динамически настраиваемого гироскопа (ДНГ). Управление положением ротора гироскопа осуществляется датчиками моментов ДНГ по сигналам двух акселерометров, расположенных взаимно-перпендикулярно на платформе и внешней информации о скорости, широте и текущем курсе объекта. Первый акселерометр аналог индикатора горизонта у гирокомпаса с жидкостно-торсионным подвесом чувствительного элемента расположен так, что его ось чувствительности параллельна главной оси гироскопа. Второй акселерометр является датчиком угла наклона платформы вокруг оси вращения ротора ДНГ.

Недостатком известного гирокомпаса является наличие системы термостабилизации гироскопа, которая приводит к увеличению потребляемой мощности.

Для устранения указанного недостатка прототипа в гирокомпас, содержащий корпус с установленным на платформе в кардановом подвесе динамически настраиваемым гироскопом с датчиками моментов и углов, датчики моментов, установленные в цапфах подвеса платформы, датчик наклона платформы относительно горизонтальной оси вращения и датчик угла, установленный на вертикальной оси карданова подвеса, причем датчики угла гироскопа через усилители соединены с датчиками моментов, установленными в цапфах подвеса платформы, а датчик наклона и датчик угла, установленный на вертикальной оси карданова подвеса через блок формирования управляющих сигналов с датчиками момента гироскопа введен блок термокомпенсации дрейфов гироскопа, зависящих от температуры окружающей среды. Данное устройство содержит термодатчик, расположенный на платформе, и формирователь сигнала, расположенный в блоке формирования управляющих и корректирующих сигналов (вычислителе), причем выход термодатчика соединен со входом формирователя сигнала, выход которого соединен с датчиками моментов гироскопа.

Тепловые процессы оказывают влияние практически на все известные механизмы формирования уводящих моментов (3). Во всех случаях эффективный отвод тепла от гироскопа с наружным кардановым подвесом представляет собой нелегкую инженерную задачу. Совсем по-другому обстоит дело в гироскопе с упругим вращающимся подвесом, где все тепловыделяющие элементы монтируются непосредственно на корпусной детали. В результате его собственный перегрев в рабочем режиме оказывается очень небольшим. Слабый перегрев и незначительные температурные градиенты сами по себе являются благоприятными с точки зрения точности гироскопа факторами. Во многих применениях, однако, рабочая температура прибора выбирается выше максимально возможной температуры окружающей среды, чтобы обеспечить однозначные условия работы без использования сложных активных охлаждающих устройств. В этом случае прогрев до рабочей температуры производится с помощью системы терморегулирования, включающей датчик температуры и нагревательные элементы, установленные на гироскопе. Сравнительно небольшая теплоемкость малогабаритного гироскопа с упругим вращающимся подвесом и хорошая теплопроводность деталей его конструкции позволяют с помощью нагревателей умеренной мощности (до 100 Вт) разогреть прибор от комнатной температуры до 60-70^oC за несколько минут.

В случаях когда по условиям эксплуатации затраты энергии на разогрев гироприбора и поддержание его рабочей температуры нежелательны, можно идти по пути измерения температуры гироскопа и ввода поправок на температурные зависимости его точностных параметров. Достаточно четкий характер и высокая стабильность таких зависимостей в ДНГ делают подобный подход популярным среди разработчиков приборов и систем.

Известно, что тепловые процессы описываются дифференциальными уравнениями первого порядка, решения которых представляют собой экспоненциальные выражения. Исследуем в качестве примера уход гироскопа, вызванный осевой разбалансировкой ротора (4). Допустим, что в начальный момент температура снаружи и внутри гироскопа равна t₁^oC. При этом плечо силы Р или величина осевой разбалансировки ротора равна а, а дрейф гироскопа . Пусть окружающая температура изменилась и стала t₂^oC (t₂>t₁). После того как весь гироскоп прогревается до температуры t₂^oC, плечо а изменится на величину Δa = (t₂-t₁),, где α коэффициент линейного расширения материала ротора. Переходный процесс изменения плеча от а до a+Δa происходит по закону Δa_т= Δa(1-e^-t/T),, где постоянная времени Т зависит от теплофизических характеристик прибора. Умножив Δa_т на Р и разделив на Н, получим закон теплового ухода ω_т= Δω_oc(1-e^-t/T) (I) где Выражение (I) описывает большинство наблюдаемых выходов на тепловой режим как самих ДНГ, так и систем на их основе. Стабильность теплового дрейфа (1) позволяет учитывать его в вычислителе гиросистемы с ДНГ с учетом текущей температуры, которая измеряется термодатчиком на корпусе ДНГ.

Итак, введение термокомплексации дрейфов гироскопа, зависящих от температуры окружающей среды, устраняет необходимость наличия системы термостабилизации гироблока. Последняя приводит к увеличению энергопотребления и габаритов прибора.

Обеспечение термокомпенсации дрейфов гироскопов по информации термодатчика широко известно (3, 4). Однако их введение в предлагаемом гирокомпасе находится в причинно-следственной связи с остальными элементами схемы и приводит к уменьшению потребляемой мощности гирокомпаса и уменьшению его габаритов. Это позволяет сделать вывод о достижении нового технического результата.

На фиг. 1 показана схема гироскомпаса, а на фиг.2 пример реализации формирователя сигнала.

Гирокомпас содержит корпус 1 с установленным на платформе 2 в кардановом подвесе 3 динамически настраиваемым гироскопом 4 с датчиками моментов 5, 6 и датчиками углов 7, 8. В цапфах подвеса платформы установлены датчики моментов 9, 10. На платформе размещен датчик наклона 11 относительно ее горизонтальной оси вращения. На вертикальной оси карданова подвеса установлен датчик угла 12. Датчики угла гироскопа через усилители 13, 14 соединены с датчиками моментов, установленными в цапфах подвеса платформы. Датчик наклона платформы и датчик угла, установленный на вертикальной оси карданова подвеса, через вычислитель 15 соединены с датчиками момента гироскопа. В вычислитель кроме того поступает информация о скорости объекта и широте места. Вычислитель формирует управляющие и корректирующие сигналы гирокомпаса и сигнал, компенсирующий температурный дрейф гироскопа по информации термодатчика 16.

Отметим, что на фиг. 1 как пример реализации идеи изображен двухосный карданов подвес. Однако на практике могут встречаться и другие подвесы, например трехосные.

Гирокомпас работает следующим образом.

Пусть в момент пуска гирокомпаса его главная ось отклонена на угол α от плоскости меридиана, а платформа 2 с гироскопом 4 выставлена в горизонтальной плоскости. При вращении Земли главная ось гироскопа начинает отклоняться от горизонтальной плоскости со скоростью v cosϕ sinϕ.. Угловое рассогласование между осью кинетического момента гироскопа и его корпусом или платформой измеряется датчиком угла 7, сигнал которого через усилитель 13 поступает на датчик момента 9. Последний разворачивает платформу 2 до тех пор, пока не исчезнет угловое рассогласование между осью гироскопа и его корпусом или платформой. Следовательно, платформа 2 отслеживает наклон гироскопа относительно горизонтальной оси вращения. Поэтому датчик наклона 11 платформы измеряет угол наклона платформы над плоскостью горизонта. Сигнал датчика наклона 11 поступает в вычислитель 15, где формируются сигналы управления и коррекции датчиков моментов гироскопа 5, 6. Последние создают процессионное движение гироскопа по азимуту, направленное к меридиану, а по высоте к плоскости горизонта. Широтная и скоростная коррекция формируется контуром управления по информации о скорости объекта v, его широте ϕ и курсе К. Так, азимутальная коррекция создает прецессию со скоростью где R радиус Земли, V угловая скорость вращения Земли. Горизонтальная коррекция создает прецессию со скоростью . Возникающее угловое рассогласование между осью гироскопа и его корпусом устраняется датчиками моментов 9, 10 по сигналам датчиков углов гироскопа 7, 8 и усилителей 13, 14.

Итак, вертикальная рама карданова подвеса отслеживает за движением оси гироскопа в азимуте и является указателем меридиана, датчик угла 12 является датчиком курса.

Электрическая схема пример реализации формирователя сигнала устройства термокомпенсации тепловых дрейфов гироскопа работает следующим образом. При нормальных условиях (t 20^oC) подбираются такие R₁ и R₂, чтобы U_вых=0. В то же время термодатчик R_t имеет характеристику где R_tн сопротивление по номиналу (например, для терморезистора СТ4-16, R_tн 18 кОм), В постоянная, Т, Т_о текущая температура по Кельвину и температура, при которой T_t(T) R_tн.

Включение термодатчика в обратную связь операционного усилителя дает следующую зависимость При изменении температуры окружающей среды изменяется значение сопротивления термодатчика (2). Благодаря зависимости (3) на выходе устройства будем иметь с достаточной степенью точности линейную зависимость напряжения от изменения температуры при незначительных (единицы градусов Цельсия) изменениях последней. Данное напряжение соответствует дрейфу гироскопа (1), вызванному изменением температуры окружающей среды.

Таким образом, применение системы термокомпенсации дрейфов ДНГ приводит, во-первых, к уменьшению энергопотребления гирокомпаса, во-вторых, к уменьшению времени готовности прибора и, в-третьих, к повышению надежности гирокомпаса, так как система термокомпенсации значительно проще системы термостабилизации.

Формула изобретения

Гирокомпас, содержащий корпус с установленным на платформе в кардановом подвесе динамически настраиваемым гироскопом, снабженным двумя датчиками угла и двумя датчиками момента, расположенные на платформе датчик наклона платформы относительно горизонтальной оси вращения и термодатчик, установленные по осям карданова подвеса платформы, третий и четвертый датчики момента, установленный на вертикальной оси карданова подвеса третий датчик угла, два усилителя и блок формирования управляющих и корректирующих сигналов, при этом выходы первого и второго датчиков угла гироскопа соединены через соответствующие усилители с третьим и четвертым датчиками момента, выход датчика наклона платформы соединен с первым входом блока формирования управляющих и корректирующих сигналов, третий, четвертый и пятый входы которого соединены соответственно с выходом третьего датчика угла, источником сигнала о широте места и источником сигнала о скорости объекта, а выходы подключены к первому и второму датчикам момента гироскопа, отличающийся тем, что в блок формирования управляющих и корректирующих сигналов введен формирователь сигнала термокомпенсации, через который выход термодатчика связан с выходами блока формирователя управляющих и корректирующих сигналов, второй вход которого является входом формирователя сигнала термокомпенсации.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2