Гироскопический прибор с цифровым считыванием положения оси вращения чувствительного элемента

 

Изобретение предназначено для использования в навигационной технике и в системах гидростабилизации. Прибор позволяет более рационально реализовать систему определения ориентации свободного шарового гироскопа в бескардановой инерциальной системе (БИНС) в неограниченном диапазоне углов. На сферической поверхности шарового гироскопа по линии условного меридиана наносится оптически доступный рисунок, представляющий собой цифровую информационную дорожку, каждое кодовое слово которой кодирует широту условной параллели. На корпусе прибора по осям прямоугольной системы координат расположены три считывающие головки, которые при вращении гироскопа описывают кодовые слова. Считанные кодовые слова по линиям последовательного интерфейса передаются в сдвиговые регистры и далее с выхода регистров в параллельном коде вводятся в ЭВМ. При этом содержание кодовых слов представляет собой угол наклона оси гироскопа к осям приборной системы координат. 2 ил.

Изобретение относится к навигационной технике и к системам гиростабилизации.

В настоящее время наиболее перспективным направлением развития навигационных систем и систем гиростабилизации является создание бескардановых инерциальных систем (БИНС) на основе свободного шарового гироскопа. Одной из существенных задач, решаемых разработчиком при создании БИНС, является разработка рациональной системы определения положения оси вращения шарового гироскопа относительно приборной системы координат в неограниченном диапазоне углов.

В качестве наиболее близкого аналога может быть приведен гироскопический прибор с оптико-электронной системой считывания [1]. В состав прибора входят: гироскоп в форме шара и система считывания.

В состав системы считывания входят три пары оптико-электронных датчиков, ортогонально расположенных вокруг шарового гироскопа на корпусе прибора, три аналого-цифровых преобразователя (АЦП) и вычислительное устройство.

При этом на поверхности гироскопа нанесен растр в виде чередующихся с равным угловым размером для каждой широтной окружности линий, контрастных по отражению света.

Принцип работы данной системы основан на модуляции падающего на поверхность гироскопа светового потока с помощью нанесенного на нее растра. При вращении гироскопа с каждой пары датчиков снимаются электрические импульсные сигналы, сдвинутые по фазе относительно друг друга на величину, связанную с широтным углом шарового гироскопа определенной тригонометрической зависимостью. Далее импульсы поступают в аналого-цифровые преобразователи (АЦП), где сдвиг фаз между ними (временной интервал) преобразуется в параллельные цифровые коды. С выхода трех АЦП эти коды вводятся в вычислительное устройство, которое на их основе определяет угол наклона оси гироскопа к каждой из 3-х осей датчиков, что и является исходной информацией для дальнейшей обработки в ЭВМ БИНС.

Общими признаками изобретения и описанного аналога следует считать шаровый гироскоп и датчики, ортогонально расположенные вокруг гироскопа. В то же время, образ рисунка на поверхности гироскопа позволяет считывать только аналоговую информацию, представленную временным интервалом между импульсами и характеризующую положение оси, что требует аналоговых, аналого-цифровых и вычислительных средств предварительной обработки. Это является основным недостатком аналога, так как объем оборудования для реализации данного преобразования в настоящее время значительно превышает объем самого чувствительного элемента.

Кроме того, искажение импульсов при передаче и аналого-цифровые преобразователи вносят дополнительную погрешность при определении углов наклона оси гироскопа.

Основная задача, на решение которой направлено изобретение, - это сокращение объема оборудования гироскопического прибора и повышение его точности за счет устранения отдельных составляющих в структуре погрешностей, связанных с аналого-цифровым преобразованием и передачей аналогового сигнала. В результате реализации изобретения из состава гироскопического прибора могут быть исключены дорогостоящие специализированные АЦП.

Гироскопический прибор с цифровым считыванием имеет в своем составе шаровый гироскоп, три считывающие головки, три сдвиговых регистра, ЭВМ.

Существенными отличительными признаками изобретения от прототипа являются отсутствие в его составе аппаратуры для реализации аналого-цифрового преобразования и образ рисунка на поверхности шарового гироскопа.

Рисунок на поверхности шарового гироскопа представляет собой совокупность кодовых слов, пригодных по содержанию для ввода и обработки в ЭВМ без промежуточных преобразований.

На фиг. 1, 2 приведены схемы, иллюстрирующие состав и принцип работы предлагаемого прибора.

На фиг. 1 изображен шаровый гироскоп 1, три считывающие головки 2, расположенные по осям приборной системы координат X, Y, Z, три сдвиговых регистра 3, электронная вычислительная машина ЭВМ 9 и функциональные связи между этими устройствами: последовательный интерфейс 7, параллельный интерфейс 8.

На поверхности гироскопа показана одна информационная дорожка 4.

На фиг. 2 изображены три фрагмента информационной дорожки в увеличенном масштабе и считывающая головка, показано направление движения дорожки относительно головки, а также таблица 6 широтных углов условных параллелей, на которых расположены соответствующие кодовые слова 5.

Длина информационной дорожки соответствует центральному углу шарового гироскопа 128^o. Ширина кодовой дорожки соответствует длине кодового слова из 8 бит. Форма кодирования информации - код Грея.

Основой гироскопического прибора является шаровый гироскоп 1, на поверхности которого по линиям условных меридианов располагаются одна или несколько информационных дорожек 4. Каждая дорожка представляет собой последовательность кодовых слов 5, расположенных перпендикулярно направлению информационных дорожек. Значение каждого кодового слова соответствует широтному углу условной параллели, на которой расположено это кодовое слово, или функции этого угла. Ширина информационной дорожки определяется количеством разрядов в одном кодовом слове, что в свою очередь обусловлено необходимой точностью определения положения гироскопа. Длина информационной дорожки определяется необходимым диапазоном списываемых углов. При неограниченном диапазоне списываемых углов длина информационной дорожки соответствует дуге центрального угла 90^o.

Три считывающие головки 2 ортогонально расположены вокруг гироскопа, моделируют приборную систему координат XYZ и осуществляют преобразование кодовых слов, нанесенных на поверхности шарового гироскопа, в электрические сигналы.

Три сдвиговых регистра 3 предназначены для приема электрических сигналов из соответствующих считывающих головок через последовательный интерфейс 7.

ЭВМ 9 связана со сдвиговыми регистрами магистралью параллельного интерфейса 8 и предназначена для обработки кодовых слов.

При вращении гироскопа вокруг собственной оси его информационные дорожки пролетают около как минимум двух считывающих головок. При этом каждая головка считывает кодовое слово, соответствующее углу наклона оси к данной головке, и выдает на выход последовательный код этого слова.

Сдвиговые регистры принимают последовательные коды, преобразуют их в параллельные и выполняют функцию буферного хранения считанных слов.

ЭВМ вводит считанные слова и вычисляет на их основе необходимые навигационные параметры.

Возможность записи и считывания информации с поверхности гироскопа подтверждается современным уровнем развития оптических накопителей цифровой информации внешних запоминающих устройств ЭВМ.

Принципиальным отличием накопителя от предлагаемого изобретения является то, что в последнем решается обратная техническая задача. Если в накопителе необходимая информация считывается в результате ориентации головки в заданной точке поверхности, то в предлагаемом гироскопическом приборе по содержанию считанной информации определяется геометрическая точка на поверхности шарового гироскопа.

Наиболее подходящим методом записи и считывания информации с поверхности шарового гироскопа является технология, аналогичная реализации оптической памяти CD ROM (постоянное запоминающее устройство на компакт-диске), обладающей в настоящее время наиболее высокой плотностью размещения цифровой информации на поверхности. Физический принцип представления информации заключается в нанесении микроуглублений на глянцевой поверхности носителя.

Считывание информации основано на отражающей способности луча лазера. Отраженный луч модулируется с учетом микроуглублений, находящихся по траектории движения точки отражения по поверхности носителя. Высокая разрешающая способность обеспечивается за счет возможности точной фокусировки луча как при записи информации на носитель, так и при чтении.

В целях исключения сбоев считывания кодовых слов при попадании луча лазера на стык двух соседних кодовых слов кодирование последних выполняется с помощью кодов Грея.

Литература.

1. Патент США, N 3313161, кл. 7.4-5.6, 1967.

2. Патент США, N 3355953, кл. 7.4-5.6, 1967.

Формула изобретения

Гироскопический прибор, содержащий гироскоп в форме шара, три считывающие головки, расположенные вокруг гироскопа по осям приборной прямоугольной системы координат, и ЭВМ, отличающийся тем, что на сферической поверхности гироскопа по линии условного меридиана нанесен оптически доступный рисунок, представляющий собой цифровую информационную дорожку, каждое кодовое слово которой кодирует широту условной параллели, на которой оно расположено, кроме того, введены три сдвиговых регистра, при этом их входы и выходы подключены к считывающим головкам и к ЭВМ посредством последовательного и параллельного интерфейсов соответственно.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2