Автоматический гирокомпас

 

Использование: при разработке и изготовлении гирокомпасов и курсоуказывающих устройств. Сущность: автоматический гирокомпас содержит гироблок, оптическое визирное устройство, установленное с возможностью вращения относительно гироблока, треногу с устройством горизонтирования, измерительно-вычислительное устройство, гироузел, установленный с возможностью вращения относительно гироблока, датчики наклона, гироскопический чувствительный элемент, имеющий одну или несколько измерительных осей, перпендикулярных оси вращения гироузла и связанных с измерительно-вычислительным устройством, датчики угла, датчик момента. Технический результат: уменьшение трудоемкости дополнительного операторского обслуживания, сокращение времени определения азимута заданного ориентирного направления в полевых условиях. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники, преимущественно гироскопической и может быть использовано при разработке и изготовлении гирокомпасов и курсоуказывающих устройств.

Известны наземные гирокомпасы (ГК) разных типов [1], применяемые для автономного определения азимутов направлений на неподвижном основании, недостатком которых является повышенная масса и габариты, повышенное время определения азимута.

Среди наземных ГК умеренной точности известны наземные ГК, выполненные по схеме датчика угловой скорости (ДУС) [1], измеряющего проекцию угловой скорости вращения Земли на ось чувствительности прибора, свободные от недостатков, указанных выше, но обладающие недостаточной точностью.

Известны наземные ГК, выполненные по схеме ДУС [2, 3], в которых для повышения точности и сокращения времени определения угла курса используются ДУС, выполненные на гироскопических чувствительных элементах с вертикальной ориентацией вектора кинетического момента.

В качестве гироскопических чувствительных элементов в указанных наземных ГК применяются динамически настраиваемые гироскопы (ДНГ), для наиболее полного использования возможностей которых в указанной ориентации их измерительных осей применяются специальные методики определения угла курса [3].

Недостатком схем известных наземных ГК с вертикальной ориентацией вектора кинетического момента гироскопического чувствительного элемента является повышенная трудоемкость операторского обслуживания, повышенное время определения азимутов в полевых условиях, связанные с отсутствием возможности автоматического ввода и обработки угла заданного ориентирного направления в измерительно-вычислительные устройства ГК.

В качестве прототипа изобретения принят наземный ГК, построенный по схеме ДУС и описанный в статье [3].

Изобретение направлено на уменьшение трудоемкости дополнительного операторского обслуживания, сокращение времени определения азимута заданного ориентирного направления.

Это достигается тем, что в известном наземном ГК, содержащем гироблок, оптическое визирное устройство, треногу с устройством горизонтирования, автономный источник питания, причем гироблок включает измерительно-вычислительное устройство, датчик угла, преобразователь угол-код, причем выход датчика угла связан с преобразователем угол-код, выход которого связан с измерительно-вычислительным устройством, датчик момента, вход которого связан с измерительно-вычислительным устройством, гироузел, датчики наклона, а гироузел установлен с возможностью вращения относительно гироблока и содержит гироскопический чувствительный элемент, имеющий одну или несколько измерительных осей, связанных с измерительно-вычислительным устройством, причем измерительные оси гироскопического чувствительного элемента перпендикулярны оси вращения гироузла, датчик момента установлен по оси вращения гироузла, гироузел механически связан со статором (или ротором) датчика угла, гироблок содержит второй датчик угла, установленный по оси вращения гироузла, гироузел механически связан со статором (или ротором) второго датчика угла, выход которого связан с преобразователем угол-код, соответственно роторы (или статоры) обоих датчиков угла механически связаны с гироблоком.

В частной реализации выходы датчиков наклонов могут быть соединены с измерительно-вычислительным устройством.

В частной реализации измерительно-вычислительное устройство может содержать цифроаналоговый преобразователь, интерфейс, микроЭВМ.

В частной реализации в качестве гироскопического чувствительного элемента может использоваться динамически настраиваемый гироскоп (ДНГ) с датчиками угла и датчиками момента, образующими две измерительные оси, а гироузел может содержать усилительное устройство, входы которого подключены к датчикам угла, выходы - к датчикам момента ДНГ.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых соответственно приведены схема автоматического гирокомпаса (фиг.1) и схема частной реализации измерительно-вычислительного устройства (фиг.2).

Предлагаемый автоматический гирокомпас (см. фиг.1) содержит гироблок 1, оптическое визирное устройство 2, треногу 3 с устройством горизонтирования 4, автономный источник питания 5. Гироблок 1 включает измерительно-вычислительное устройство 6, гироузел 7, датчики наклона 8, гироскопический чувствительный элемент 9 с измерительными осями 10.

Гироузел 7 установлен с возможностью вращения относительно гироблока 1. Измерительные оси 10 гироскопического чувствительного элемента 9 перпендикулярны оси вращения гироузла 7 и подключены к измерительно-вычислительному устройству 6.

При подготовке гирокомпаса к работе к гироблоку 1 подключается автономный источник питания 5, с помощью которого осуществляется питание гирокомпаса, сам гироблок 1 фиксируется с помощью треноги 3 на поверхности Земли.

Датчики наклонов 8 используются для горизонтирования гироблока 1 с помощью устройства горизонтирования 4. В частной реализации сигналы с датчиков наклонов 8 могут также использоваться для выработки поправки к определяемому углу азимута, так как это осуществляется в схемах известных наземных ГК [2, 3].

В последнем случае информация с выходов датчиков наклонов 8 может поступать на входы измерительно-вычислительного устройства 6, в котором по измеренным сигналам с датчиков наклонов 8 может рассчитываться поправка к определяемому углу азимута.

Для уменьшения ошибки определения азимута ГК обеспечивается параллельность осей чувствительности датчиков наклонов 8 плоскости, содержащей измерительные оси 10 гироскопического чувствительного элемента 9.

Для удобства эксплуатации и обеспечения точности ввода заданного ориентирного направления в предлагаемом автоматическом ГК ось вращения оптического визирного устройства 2 располагается параллельно либо совмещается с осью вращения гироузла 7.

В частной реализации в качестве гироскопического чувствительного элемента 9 в предлагаемом ГК может применяться динамически настраиваемый гироскоп, имеющий две ортогональные измерительные оси 10, образованные каждая соответствующим датчиком угла 11 и датчиком момента 12 (см. фиг.1).

В частной реализации для обеспечения работы ДНГ в режиме ДУС по двум измерительным осям 10 гироузел 7 дополнительно может содержать усилительное устройство 13, на входы которого поступают сигналы с выходов датчиков углов 11 ДНГ 9, и после усиления с соответствующих выходов - на датчики момента 12 ДНГ 9, замыкая цепи обратной связи гироскопического чувствительного элемента.

При работе ГК после горизонтирования гироблока 1 с помощью устройства горизонтирования 4 на соответствующих выходах усилительного устройства 13 вырабатываются сигналы, пропорциональные проекциям горизонтальной составляющей угловой скорости вращения Земли на измерительные оси 10 ДНГ 9: U^y_гi = U•cosϕ•sinα; U^x_гi = U•cosϕ•cosα, где U - угловая скорость вращения Земли; ϕ - широта; α - угол, определяющий угловое положение измерительных осей 10 гироскопического чувствительного элемента 9 относительно направления на Север, i - индекс положения измерительных осей 10 гироскопического чувствительного элемента 9 в азимуте.

Сигналы U^у _гi, U^х _гi с выходов измерительных осей 10 ДНГ 9 поступают на входы измерительно-вычислительного устройства 6.

Сигналы с измерительных осей 10 гироскопического чувствительного элемента 9 непосредственно содержат информацию об определяемом азимутальном направлении a, a именно, о проекциях горизонтальной составляющей угловой скорости вращения Земли на измерительные оси 10 в указанных положениях.

Искомый азимут может быть рассчитан по известному однопозиционному алгоритму: α=arctg(U^у _гi/U^х _гi) (1) или с использованием более сложных алгоритмов [3], например,: α=arctg((U^у _г0-U^у _г180)/(U^х _г0-U^х _г180)); (2) α=arctg((U^х _г0-U^х _г180)/(2•U^х _г90-U^х _г0-U^х _г180)), (3) где U^х _г0, U^у _г0, U^х _г90, U^х _г180, U^y _г180 - сигналы с измерительных осей 10 ДНГ 9 в исходном положении гироузла 7 и положениях, развернутых относительно исходного соответственно на 90^o и 180^o.

Алгоритмы (2, 3) обеспечивают более точное определение азимута и предполагают двух-, трех- или многопозиционный режимы работы гироскопического чувствительного элемента 9.

При реализации алгоритмов (2, 3) в известном [3] и предлагаемом ГК для управления угловым положением гироузла 7 используется информация датчика угла 14, установленного по оси гироузла. С выхода преобразователя угол-код 15 информация с датчика угла 14 поступает в измерительно-вычислительное устройство 6, с выхода которого сигнал разворота поступает на датчик момента 16.

После горизонтирования гироблока 1, оптическое визирное устройство 2 разворачивают в направлении на ориентир.

Для сокращения времени определения азимута в предлагаемом ГК реализуется возможность совмещения во времени операций по выверке заданного ориентирного направления (наведения оптического визирного устройства 2 на ориентир) и непосредственно измерения азимута заданного ориентирного направления (связанного с реализацией алгоритмов (2, 3) путем разворотов гироузла 7 и вместе с ним гироскопического чувствительного элемента 9 на заданные углы α_i в азимуте).

Для этого автоматический ГК дополнительно содержит второй датчик угла 17, ротор (или статор) которого механически связан с оптическим визирным устройством 2. Ротор (или статор) первого датчика угла 14 механически связан с гироузлом 7, а статоры (или роторы) обоих датчиков угла 14 и 17 - с корпусом гироблока 1.

Угол β разворота оптического визирного устройства 2 относительно гироблока 1 фиксируется датчиком угла 17, а углы разворота Θ продольной оси гироузла 7 относительно гироблока 1 - датчиком угла 14 и после преобразования преобразователем угол-код 15 в цифровую форму поступают в измерительно-вычислительное устройство 6.

Начальный угол Θ₀ рассогласования продольной оси гироузла 7 в его исходном положении относительно гироблока 1 фиксируется в измерительно-вычислительном устройстве 6, и затем измерительно-вычислительным устройством 6 измеряются значения U^х _г0, U^у _г0 в исходном положении измерительных осей 10 ДНГ 9.

По информации об угловом положении Θ продольной оси гироузла 7 относительно положения гироблока 1, снимаемой с датчика угла 14, по сигналам от измерительно-вычислительного устройства 6 с помощью датчика момента 16 гироузел 7 разворачивается во второе и (при необходимости) третье (и более) положения Θ₁₈₀, Θ₉₀ отстоящие от положения Θ₀, соответственно на 180^o, 90^o.

В указанных положениях дополнительно измеряются величины U^х _г180, U^у _г180, U^х _г90, и в измерительно-вычислительном устройстве 6 по алгоритмам (2) или (3) рассчитывается точный угол азимута α₀ продольной оси гироузла 7 в исходном положении Θ₀ измерительных осей 10 ДНГ 9.

После завершения совместно выполняемых процессов наведения оптического визирного устройства 2 и измерения азимута продольной оси гироузла 7 в измерительно-вычислительном устройстве 6 рассчитывается угол ψ₀ рассогласования продольной оси гироузла 7 в его исходном положении Θ₀ относительно направления оптического визирного устройства 2: ψ₀ = Θ₀+β. (4) По величинам α₀, ψ₀ окончательно рассчитывается азимут заданного оптическим визирным устройством 2 ориентирного направления:
α = α₀+ψ₀. (5)
В частной реализации измерительно-вычислительное устройство 6 предлагаемого ГК может содержать (см. фиг.2) цифроаналоговый преобразователь 18, интерфейс 19, микроЭВМ 20 и работает следующим образом.

Аналоговые сигналы U^у _гi, U^х _гi с выходов измерительных осей 10 гироскопического чувствительного элемента 9 поступают в цифроаналоговый преобразователь 18, в котором преобразуются в цифровую форму и через интерфейс 19 по запросу поступают в микроЭВМ 20.

Цифровые сигналы β, Θ_i с выхода преобразователя угол-код 15 непосредственно через интерфейс 19 по запросу поступают в микроЭВМ 20.

Из микроЭВМ 20 через интерфейс 19 и цифроаналоговый преобразователь 18 на вход датчика момента 16 подается сигнал управления разворотом гироузла 7 в азимуте.

Интерфейс 19 обеспечивает обмен данными между цифроаналоговым преобразователем 18, преобразователем угол-код 15 и другими устройствами ГК и микроЭВМ 20, которая соответственно обеспечивает координацию работы цифроаналогового преобразователя 18, преобразователя угол-код 15, датчика момента 16 и других устройств ГК при реализации алгоритмов (2, 3), проведение расчетов (4, 5).

В частной реализации ГК с выработкой поправки к углу азимута по сигналам с датчиков наклонов 8, указанные сигналы могут подаваться на дополнительные входы цифроаналогового преобразователя 18.

В предлагаемом ГК в качестве датчиков наклонов 8 могут применяться жидкостные датчики типа ДЖМ, акселерометры типа ДА, в качестве датчиков углов 14, 17 - вращающиеся трансформаторы типа СКТД, ВТ, в качестве датчика момента 16 - безредукторный двигатель постоянного тока типа ДМ, в качестве преобразователя угол-код 15 - электронное устройство, обеспечивающее преобразование сигналов с выходов датчиков углов в цифровой код, в качестве ДНГ - гироскопы типа ГВК, ГБ. Остальные электронные устройства могут быть реализованы на стандартных микросхемах и электронных схемах из их набора, например, интерфейс 19 - на регистрах и буферных элементах, причем цифроаналоговый преобразователь 18 выполняет функции цифроаналогового и аналого-цифрового преобразователей, обеспечивая преобразование аналоговых сигналов в цифровую форму и обратное преобразование цифровых сигналов в аналоговые.

В качестве треноги может использоваться собственно тренога или любое другое устройство, обеспечивающее фиксацию гирокомпаса на земной поверхности или на объекте, а в качестве устройства горизонтирования устройство механического или электромеханического типа, обеспечивающее регулирование положения гироблока 1 относительно плоскости горизонта.

Таким образом, предлагаемое устройство за счет соединения вращающегося оптического визирного устройства 2 со статором (или ротором) датчика угла, введения второго датчика угла позволяют повысить оперативность и удобство определения заданных азимутов в полевых условиях при одновременном снижении массогабаритных показателей наземного ГК, автоматизировать процессы ввода и обработки измеряемых ориентирных направлений в измерительно-вычислительные устройства ГК.

Источники информации
1. Воронков Н.Н., Кугырев В.В., Ашимов Н.М. Гироскопическое ориентирование. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1980.

2. Попов Г.В., Наумов А.А., Сорокин А.И. Исследование возможности построения наземного гирокомпаса на ДНГ по схеме ДУС // IV Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам. Сб. докл. - 1997, с.200-208.

3. Шестов С.А., Мокрышев С.В. Развитие наземных гирокомпасов, построенных на основе гиротахометров // Гироскопия и навигация, 2000, 1, с.95-112.

Формула изобретения

1. Автоматический гирокомпас, содержащий гироблок, оптическое визирное устройство, треногу с устройством горизонтирования, автономный источник питания, причем гироблок включает измерительно-вычислительное устройство, датчик угла, преобразователь угол - код, причем выход датчика угла связан с преобразователем угол - код, выход которого связан с измерительно-вычислительным устройством, датчик момента, вход которого связан с измерительно-вычислительным устройством, гироузел, датчики наклона, а гироузел установлен с возможностью вращения относительно гироблока и содержит гироскопический чувствительный элемент, имеющий одну или несколько измерительных осей, связанных с измерительно-вычислительным устройством, причем измерительные оси гироскопического чувствительного элемента перпендикулярны оси вращения гироузла, датчик момента установлен по оси вращения гироузла, гироузел механически связан со статором (или ротором) датчика угла, отличающийся тем, что гироблок содержит второй датчик угла, установленный по оси вращения гироузла, оптическое визирное устройство механически связано со статором (или ротором) второго датчика угла, выход которого связан с преобразователем угол - код, соответственно роторы (или статоры) обоих датчиков угла механически связаны с гироблоком.

2. Автоматический гирокомпас по п. 1, отличающийся тем, что выходы датчиков наклонов соединены с измерительно-вычислительным устройством.

3. Автоматический гирокомпас по п. 1 или 2, отличающийся тем, что измерительно-вычислительное устройство содержит цифроаналоговый преобразователь, интерфейс, микроЭВМ.

4. Автоматический гирокомпас по п. 1, 2 или 3, отличающийся тем, что в качестве гироскопического чувствительного элемента используется динамически настраиваемый гироскоп (ДНГ) с датчиками угла и датчиками момента, образующих две измерительные оси, гироузел содержит усилительное устройство, входы которого подключены к датчикам угла, выходы - к датчикам момента ДНГ.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2