ГИРОКОМПАС Российский патент 1997 года по МПК G01C19/38 

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

Известен гидрокомпас "Вега" (1), который содержит основной прибор НГ-1А с трехстепенным поплавковым гироскопом и индикатором горизонта, следящими системами стабилизации, схемами управления и терморегулирования, прибор питания ВГ-2А с реле, контакторами, выключателями, сигнальными лампами и штурманский пульт ВГ-3А, в котором производится выработка сигналов коррекции при ручном вводе скорости и широты, дистанционное переключение режимов работы "Гирокомпас" (ГК) "Гироазимуту" (ГА). ВГ-3А содержит вычислительное устройство, выполненное на вращающихся трансформаторах, рукоятки ввода и широты и скорости объекта, переключатель режимов в ГК и ГА, а также световую индикацию с надписями "Гирокомпас", "Гироазимут", "Подготовка", Перегрев".

Недостатками известного гирокомпаса являются:
наличие устаревшей элементной базы;
ручное переключение режима работы ГК-ГА;
наличие энергоемкой системы термостабилизации гироблока.

Наиболее близким по технической сущности является гирокомпас SKR-80 (2), построенный на двухосном индикаторном гиростабилизаторе с динамически настраиваемым гироскопом и двух акселерометрах, являющихся индикаторами горизонта и вертикали. Динамически настроенный гироскоп (ДНГ) благодаря своей конструкции прост в изготовлении, более надежен и имеет более низкую стоимость в сравнении с трехстепенным поплавковым гироскопом. В составе двухосного индикаторного гиростабилизатора ДНГ функционирует как трехстепенной, свободный гироскоп, а использование второго акселерометра вызвано применением двухосной, а не трехосной схемы гироплатформы и, как следствие, необходимость учета в показаниях компаса ошибок из-за наклона палубы вокруг оси кинетического момента гироскопа.

Гирокомпас SKP-80 содержит центральный прибор со встроенным прибором управления и коррекции, который в свою очередь содержит таймер, элемент И и триггер, причем выход индикатора горизонта соединен с первым входом прибора управления и коррекции, выход которого через элемент И соединен с управляющим входом триггера, второй вход прибора управления и коррекции соединен с первым выходом таймера, второй выход последнего соединен со вторым элементом И, третий выход таймера соединен со вторым входом триггера, а выход триггер соответствует режиму "Гирокомпас".

Таймер определяет временную диаграмму работы гирокомпаса: формирование командных сигналов "Подготовка" третий выход таймера, "Горизонтирование" - первый выход таймера, "Гироблок" определяет частоту питающего напряжения гироблока и его запуск, а также формирует временной интервал задержки в режиме автоматического приведения "АП", что соответствует второму выходу таймера. После выполнения команд "Гироблок", "Подготовка" гирокомпас начинает работу в режиме "АП", который характеризуется более коротким периодом собственных колебаний компаса по сравнению с ходовым режимом "ГК".

Итак, таймер своим вторым выходом осуществляет задержку режима "АП", так как элемент И блокирует работу триггера на временном интервале, реализованном таймером. По истечении задержки, что для SKR-80 составляет 54 мин, элемент И разблокирует схему и триггер переводит гирокомпас из режима "АП" в ходовой режим "ГК".

Недостатками известного гирокомпаса являются:
1. Отсутствие устройства, которое бы сигнализировало о приходе компаса в меридианы с указанной наперед точностью, что в конечном итоге затягивает процесс прихода.

2. Зависимость периода собственных колебаний компаса от широты места, что приводит к различному времени прихода компаса в меридианы на различных широтах.

3. Отсутствие устройства, которое бы автоматически переводило горокомпас в режим хранения меридиана, т.е. режим "Гироазимут" "ГА" при совершении объектом маневра или при ускоренном движении.

Техническим результатом от использования изобретения является увеличение точности прихода в меридиан, отсутствие зависимости периода собственных колебаний компаса от широты места, обеспечение автоматического перевода горокомпаса в режим хранения меридиана.

Это достигается тем, что в гирокомпас, содержащий последовательно соединенные центральный прибор с трехстепенным гироскопом и индикатором горизонта и прибор управления и коррекции, таймер, подключенный первым выходом ко второму входу прибора управления и коррекции, последовательно соединенные первый элемент И и первый триггер, выход которого является выходом гирокомпаса, при этом второй и третий выходы таймера подключены, соответственно, к первому входу первого элемента И и второму входу первого триггера, введены последовательно соединенные ключ, масштабирующий усилитель, компаратор, инвертор и второй элемент И, а также логический блок, при этом первый и второй выходы прибора управления и коррекции подключены к соответствующим входам ключа, управляющий вход которого соединен с первым выходом первого триггера, выход второго элемента И подключен ко второму входу первого элемента И к первому входу логического блока, подключенного вторым, третьим, четвертым и пятым входами, соответственно, ко второму выходу первого триггера, первому выходу первого триггера, четвертому выходу таймера и выходу компаратора, пятый выход таймера соединен со вторым входом второго элемента И, а первый и второй выходы логического блока являются, соответственно, вторым и третьим выходами гирокомпаса. Логический блок выполнен в виде последовательно соединенных элемента ИЛИ, счетчика, третьего элемента И и второго триггера, при этом первый и второй входы элемента ИЛИ, второй вход второго триггера, второй вход счетчика и второй вход третьего элемента И, соединены, соответственно, с первым, вторым, третьим, четвертым и пятым входами логического блока, а первый и второй выходы второго триггера подключены, соответственно, к первому и второму выходам логического блока.

Покажем, что переход от управления гирокомпасом по сигналу β к управлению по b/cosΦ позволяет устранить зависимость периода собственных колебаний гирокомпаса от широты места.

Уравнения движения гироскопа запишем в виде:

где H кинетический момент гироскопа, ω_ξ, ω_η, ω_z проекции угловой скорости основания на оси географической системы координат 0ξηz, ориентированной так, что ось 0ξ направлена на восток, а 0η на север.

Моменты управления и коррекции M_z и M_x выберем таким, что уравнения движения примут вид:

Определяя из первого уравнения значение α, которое затем подставим во второе уравнение, получим уравнения затухающих колебаний гирокомпаса:

Учитывая, что w_η=v•cosα (V угловая скорость вращения Земли), получим выражение для периода собственных колебаний компаса:

Следовательно, переход к управлению гирокомпаса по сигналу приводит к тому, что период собственных колебаний гирокомпаса не зависит от широты места, а время прихода в меридиан одинаково на всех широтах.

Алгоритм работы системы изображен на фиг. 1.

После пуска гирокомпаса таймер выдает команды "Гироблок", "Горизонтирование", "Подготовка". Затем таймер осуществляет задержку работы системы на время, равное двум периодам режима АП (Тк 10 15 мин). Задержка работы системы обеспечивает запуск компаса в случае, когда при переходе компаса из режима "Горизонтирование" в режим "АП" ось кинематического момента оказалась направленной на юг. Благодаря даже малым нескомпенсированным дрейфам гироскопа последний уйдет из положения неустойчивого равновесия, каким является направление на юг. Для этого достаточно времени задержки, равной двум-трем периодам режима "АП".

Испытания компаса показали, что время прихода в меридиан с точностью 1^o с начального отклонения в 90^o укладывается в 30 мин и положения в 180^o 45 мин.

Известно, что в установившемся движении величина сигнала индикатора горизонта b пропорциональная величине ошибке курсоуказания. Когда погрешность курсоуказаная a превышает заданный уровень (1^o по стандартам ИМО_э, уровень сигнала b также превышает уровень e₁=150 мВ.. Поэтому приход в меридиан с заданной точностью определяется по сигналу , который должен хотя бы в течение одного Tk не выходит из интервала e₁. В этом случае первый триггер переводит гирокомпас из режима "АП" в режим "ГК", при этом загорается сигнализация "Готовность", а ключ переводит управление компасом с сигналом на сигнал b. Последний при ходовом длиннопериодном режиме является достаточно малой величиной и его значительное отклонение может свидетельствовать только о значительном ускорении, с которым движется объект. Поэтому при превышении b уровня e₂ в течение 25 30 с гирокомпас переключается с помощью второго триггера в режим "ГА". При уменьшении сигнала β триггер возвращает гирокомпас в режим "ГК". Отметим, что временную задержку 2Тк и счет Тк осуществляет таймер второй и третий выходы, а счет 25 30 с осуществляет счетчик логического блока.

Задержка 25 30 с исключает ложное переключение ГК ГА при качке, периоды которой меньше времени задержки. При очень низкой частоте качки ускорения не достигают выставляемого уровня e₂.

Таким образом, введение дополнительных элементов в гирокомпас, а также управление им в режиме "АП" по сигналу позволяет устранить указанные недостатки прототипа.

На фиг. 2 показана структурная схема гирокомпаса, на фиг. 3 временная диаграмма режимов его работы.

Гирокомпас содержит центральный прибор 1 с трехстепенным гироскопом и индикатором горизонта, прибор управления и коррекции 2, таймер 3, ключ 4, масштабирующий усилитель 5, компаратор 6, инвертор 7, последовательно соединенные элементы И 8 и 9, триггер 10, логический блок 11 со счетчиком 12, элементом ИЛИ 13, элементом И 14 и триггером 15.

Гирокомпас работает следующим образом.

После пуска гирокомпаса и выполнения команд "Гироблок", "Подготовка", "Горизонтирование" в центральном приборе 1 начинается приведение гироскопа в плоскость меридиана в режиме "АП".

Информация индикатора горизонта b поступает в прибор управления и коррекции 2, на выходе которого формируется два сигнала и b. Управление гироскопом по сигналу позволяет исключить зависимость времени прихода в меридиан от широты места. Формирование сигналов на выполнение режимов "Гироблок", "Подготовка", "Горизонтирование" "АП" производится таймером 3. Два выходных сигнала прибора управления и коррекции и b поступают на входы управляемого ключа 4, который в режиме "АП" пропускает сигнал на вход масштабирующего усилителя 5, выход которого соединен с двуполярным компаратором 6, вырабатывающим выходной сигнал при превышении входным напряжением любого из заданных порогов ± ε₁. Выход компаратора соединен с инвертором 7 и элементами И 8, 9. Выход последнего поступает на управляющий вход триггера 10. Элемент 8 блокирует работу схемы сравнения временным интервалом таймера 2Тк 21 или 20 с для выхода гирокомпаса из возможного положения неустойчивого равновесия, которым является южное направление. После разблокировки схемы по истечении 21 или 20 с включается схема контроля вхождения сигнала в трубку допуска, задаваемую компаратором 6 в течение периода 10 м 40 с, который вырабатывается таймером. В случае выполнения условия в течение данного периода вентиль 9 разблокирует работу триггера 10, который переключает ключ 4 с выхода β/cosΦ прибора управления и коррекции 2 на выход b, гирокомпас переходит из режима "АП" в ходовой режим "ГК" и включается сигнализация "Готовность".

В режиме "ГК" масштабирующий усилитель изменяет величину порога компаратора, с которым сравнивается сигнал индикатора горизонта до величины ± ε₂. Схема сравнения анализирует величину сигнала, и в работу включается логический блок 11. При выходе сигнала β за порог ± ε₂ включается задержка Т₃ 32 с, реализованная счетчиком 12, который сбрасывает счет элементом ИЛИ 13, если величина сигнала β с выхода элемента 8 не превышает порогового значения или при наличии сигнала прямого выхода триггера 10.

Выход счетчика 12 блокируется элементом И 14. Разблокировка последнего происходит в случае превышения сигналом b порога e₂ спустя Т₃ 32 с. В этом случае срабатывает триггер 15, который переводит гирокомпас из режима "ГК" в режим "ГА".

При вхождении сигнала β в установленный порог ± ε₂ счетчик 12 обнуляется и происходит обратное переключение "ГА" "ГК".

Таким образом, расширение функции таймера и введение ключа, усилителя, компаратора, инвертора, элементов И, ИЛИ, триггера и логического блока позволило достичь следующих результатов:
1. Приход гирокомпаса в меридиан с заданной точностью становится известным по сигнализации "Готовность", что позволяет сократить время готовности гирокомпаса.

2. Гирокомпас автоматически переходит из режима "ГК" в "ГА" при действии ускорения. Допускается некоторая инвариантность компаса к ускорениям.

3. Управление гироскопом по сигналу β/cosΦ в режиме "АП" делает постоянными время прихода в меридиан на различных широтах.

Использование: в морском приборостроении, в навигационных системах подвижных объектов. Сущность изобретения: устройство содержит центральный прибор 1, прибор управления и коррекции 2, таймер 3, ключ 4, масштабирующий усилитель 5, компаратор 6, инвертор 7, первый 8 и второй 9 элементы И, триггер 10, логический блок 11 со счетчиком 12, элементом ИЛИ 13, третьим элементом И 14 и триггером 15. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Гирокомпас, содержащий последовательно соединенные центральный прибор с трехстепенным гироскопом и индикатором горизонта и прибор управления и коррекции, таймер, подключенный первым выходом к второму входу прибора управления и коррекции, последовательно соединенные первый элемент И и первый триггер, выход которого является выходом гирокомпаса, при этом второй и третий выходы таймера подключены соответственно к первому входу первого элемента И и второму входу первого триггера, отличающийся тем, что в него введены последовательно соединенные ключ, масштабирующий усилитель, компаратор, инвертор и второй элемент И, а также логический блок, при этом первый и второй выходы прибора управления и коррекции подключены к соответствующим входам ключа, управляющий вход которого соединен с первым выходом первого триггера, выход второго элемента И подключен к второму входу первого элемента И и первому входу логического блока, подключенного вторым, третьим, четвертым и пятым входами соответственно к второму выходу первого триггера, первому выходу первого триггера, четвертому выходу таймера и выходу компаратора, пятый выход таймера соединен с вторым входом второго элемента И, а первый и второй выходы логического блока являются соответственно вторым и третьим выходами гирокомпаса. 2. Гирокомпас по п. 1, отличающийся тем, что логический блок выполнен в виде последовательно соединенных элемента ИЛИ, счетчика, третьего элемента И и второго триггера, при этом первый и второй входы элемента ИЛИ, второй вход второго триггера, второй вход счетчика и второй вход третьего элемента И соединены соответственно с первым, вторым, третьим, четвертым и пятым входами логического блока, а первый и второй выходы второго триггера подключены соответственно к первому и второму выходам логического блока.