САМООРИЕНТИРУЮЩИЙСЯ В АЗИМУТЕ ТРЕХОСНЫЙ ГИРОСТАБИЛИЗАТОР Российский патент 1998 года по МПК G01C19/44 

Изобретение относится к области измерительной техники, конкретно к той ее части, которая занимается вопросами азимутального ориентирования подвижных объектов, имеющих в системах управления гиростабилизаторы.

Из литературы известно [1], что самоориентирование в азимуте трехосного гиростабилизатора или его гирокомпасирование как процесс, может быть реализован при помощи элементов самого гиростабилизатора - акселерометров, гироскопов или командных датчиков угла различными способами и техническими средствами.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению следует считать самоориентирующийся в азимуте трехосный гиростабилизатор [2], содержащий три гироскопа и два акселерометра, оси чувствительности которых горизонтальны, установлены на стабилизируемой платформе и вместе с усилителями стабилизации, коррекции и стабилизирующими двигателями образуют системы стабилизации и коррекции, относительно двух горизонтальных осей, а для ориентирования в азимуте выход акселерометра через третий усилитель коррекции подключен к датчику момента вертикального гироскопа, датчика угла которого через усилитель стабилизации связан со стабилизирующим двигателем вертикальной оси платформы.

Недостатком известного устройства следует считать сравнительно низкое быстродействие, поэтому приведение платформы к направлению меридиана занимает достаточно много времени. Это происходит потому, что сигнал, подаваемый от акселерометра на датчик момента вертикального гироскопа, пропорционален углу отклонения платформы от плоскости горизонта. При движении платформы к направлению меридиана величина этого угла уменьшается, уменьшается и сигнал на датчике момента вертикального гироскопа. Усиление сигнала в усилителе приводит к колебательной границе устойчивости и нарушению апериодического компасного движения.

Этот недостаток может быть устранен, а быстродействие увеличено, если повысить чувствительность акселерометра, что позволит в сигнале от акселерометра выделить составляющие, пропорциональные указанному углу, угловой скорости и угловому ускорению компасного движения платформы.

Целью настоящего изобретения является сокращение временных затрат при определении направления меридиана трехосным гиростабилизатором.

Эта цель достигается тем, что дополнительно введены блок повышения чувствительности акселерометра и измерительный блок, причем, первый из них содержит: компаратор, электронный ключ и источник тока, электрически связанные друг с другом; вход компаратора подключен к выходу акселерометра, а источник тока через ключ подключается к датчику момента акселерометра; в состав измерительного блока входят: второй электронный ключ, генератор импульсов, три реверсивных счетчика, цифроаналоговый преобразователь и суммирующий усилитель, при этом, второй электронный ключ подключен управляющим входом к выходу компаратора и соединяет выход генератора импульсов и вход первого реверсивного счетчика, выход которого и выходы двух других счетчиков, включенных последовательно первому через цифроаналоговый преобразователь, подключаются на входы суммирующего усилителя, выход которого подключен к датчику момента вертикального гироскопа.

Сущность предлагаемого самоориентирующегося в азимуте трехосного гиростабилизатора может быть показана при помощи принципиальной схемы, которая представлена на фиг. 1, где показаны: два горизонтальных гироскопа Г₂, Г₃, один вертикальный гироскоп Г₁ и два горизонтальных акселерометра А₂, А₃, установленные на платформе 1, заключенной при помощи рамок 2 и 3 в карданов подвес с тремя степенями свободы, а вместе с усилителями стабилизации УСС₂, УСС₃, УСС₁, усилителями коррекции К₂, К₃, К₁ и стабилизирующими двигателями СД₂, СД₃, СД₁ образуют системы стабилизации и коррекции, относительно двух горизонтальных и одной вертикальной осей платформы. На фиг. 1 показаны угловые рассогласования α₁, α₂, α₃, соответствующие произвольному положению платформы, и система координат OX_nY_nZ_n, связанная с платформой, не совпадает с системой координат ONLξ, оси которой ориентированы по сторонам света, ось ON направлена на север, ось OL направлена по вертикали места, а ось Oξ направлена на восток. Тогда плоскость NOξ является плоскостью горизонта, а NOL - плоскостью меридиана. Эта СК имеет проекции угловой скорости ω₃ суточного вращения Земли: ω_N = ω₃cosφ - горизонтальную и ω_L = ω₃sinφ - вертикальную.

Взаимное положение СК определяется углами и угловыми скоростями поворота платформы, которые имеют место при произвольном состоянии платформы. Указанные углы могут иметь различные значения, поэтому перед гирокомпасированием гиростабилизатора необходимо провести платформу в исходное положение, которое характеризуется тем, что оси чувствительности горизонтальных гироскопов Г₂ и Г₃ вместе с платформой горизонтируются при помощи следящих систем. Для этого используют сигналы от акселерометров А₂, А₃ через усилители коррекции К₂, К₃, датчики моментов ДМ₂ и ДМ₃. Далее сигналы датчиков угла ДУ₂, ДУ₃ гироскопов Г₂, Г₃ через усилители УСС₂, УСС₃ поступают на стабилизирующие двигателями СД, СД, которые поворачивают платформу вместе с гироскопами и акселерометрами к установившимся значениям углов α₂ = α_2y, α₃ = α_3y.
Вертикальный гироскоп при этом вертикализируется, а его ось чувствительности удерживается в вертикальном положении при помощи следящей системы в составе: датчика угла усилителя коррекции К₁ и далее, как показано на фиг. 1, по цепочке ДМ₁, ДУ₁, УСС₁ и СД₁.

При включении ключа Кл в верхнее положение платформа переходит в режим гирокомпаса. При этом, акселерометр А₂ при помощи блока повышения чувствительности в составе: компаратора 4, электронного ключа 5 и источника тока 6, переводится в режим автоколебаний, за счет того, что вход компаратора 4 подключен к выходу акселерометра, а источник тока 6 через ключ 5 подключается к датчику момента акселерометра. Наличие в цепи акселерометра нелинейного звена, каковым является компаратор, приводит к автоколебательному режиму движения чувствительного элемента акселерометра [3].

Известные акселерометры, работающие в автоколебательном режиме, осуществляют широтно-импульсную модуляцию измеряемого параметра и обладают повышенной чувствительностью [4], что позволяет использовать из для измерения параметров компасного движения гиростабилизатора при помощи дополнительного измерительного блока,
который содержит: второй электронный ключ 7, генератор импульсов 8, три реверсивных счетчика 9, 10, 11, цифроаналоговый преобразователь 12 и суммирующий усилитель 13. Через ключ 7, управляющий вход которого связан с выходом компаратора 4, выход генератора 8 подключается на разностный вход первого реверсивного счетчика 9, выход которого, как и выходы второго 10 и третьего 11 реверсивных
счетчиков, включенных последовательно первому, подключаются через цифроаналоговый преобразователь 13 на входы суммирующего усилителя 13, выход которого включен на датчик момента ДМ₁ вертикального гироскопа Г₁.

Принцип измерения параметров компасного движения платформы поясняется графиками, изображенными на фиг. 2, при помощи которых удалось совместить пространственно-временное движение чувствительного элемента акселерометра γ(t), I_γ(t) и платформы α₃(t), причем, последнее привязано к автоколебательному движению ЧЭ и измерительному каналу, формирующему счетные импульсы.

При компасном движении платформы, t=t₁, угол α₃ будет уменьшаться от значения α_3y и за период T₀ автоколебаний он уменьшится до значения α₃₁. Тогда, по аналогии с известным соотношением [3], имеем

где
число импульсов на выходе первого реверсивного счетчика 9, пропорциональное углу α_3y-α₃₁, на который отклонилась платформа за период автоколебаний T₀; числа импульсов за первый и второй полупериоды первого периода автоколебаний, ml и
К_дм - маятниковый момент и коэффициент датчика момента акселерометра; f_т и К_f - частота счетных импульсов от генератора 8 и коэффициент передачи; I_ср - среднее значение тока в датчике момента за период T₀; g - ускорение силы тяжести,
- коэффициент передачи акселерометра, устанавливающий связь между числом импульсов и углом отклонения платформы (проекцией ускорения силы тяжести на ось чувствительности акселерометра).

За каждый следующий период автоколебаний на выходе первого счетчика 9 аналогично будет получено: Δn₁₂, Δn₁₃, Δn₁₄ и т.д., пропорциональных отклонению платформы на углы: α₃₁-α₃₂, α₃₂-α₃₃, α₃₃-α₃₄, т.е. за четыре периода T₀ измерений платформа отклонится на угол α_3y-α₃₄, который будет измерен последовательно и в каждом периоде:

Во втором счетчике 10 происходит сложение результатов счетчика 9 последовательно по парам, что будет соответствовать изменению угла α₃ за время 2T₀, т. е. информация на выходе счетчика 10 будет пропорциональна угловой скорости но на измеренных участках:

Изменение угловой скорости в единицу времени будет соответствовать величине углового ускорения. Если вычитать результаты второго счетчика 10 в третьем счетчике 11, то на выходе его получим информацию об угловом ускорении, т.к. выражения (3) отличаются по времени формирования на величину периода T₀. Тогда на выходе третьего счетчика будем иметь:

Полученные электрические сигналы в виде импульсов на выходах счетчиков 9, 10, 11, величины которых отражают компасное движение платформы, т.к. измерение их начинается при включении компасного режима, а сами величины соответствуют, приращению угла α₃, угловой скорости и угловому ускорению платформы, что следует из выражений (2), (3) и (4), не могут быть использованы для формирования момента коррекции. Поэтому необходимы цифроаналоговый преобразователь 12 и суммирующий усилитель 13, например магнитный усилитель, которые позволят сформировать на датчике момента вертикального гироскопа момент коррекции в виде

где
К₁₁, К₁₂, К₁₃ - соответствующие коэффициенты момента коррекции.

Математическое моделирование уравнений компасного режима, аналогичных уравнениям на стр. 598 [2], но с учетом равенства (5), показало, что введение измеренных первой и второй производных угла α₃ в закон коррекции вертикального гироскопа способствует повышению быстродействия режима гирокомпасирования ТГС.

При моделировании удалось выбрать оптимальное соотношение коэффициентов момента коррекции, которое позволило осуществить приведение платформы в направление меридиана от начального отклонения, равного α_1y = 90^o, с погрешностью Δα₁ = 10 угл. мин за время t_пр = 20 сек. Известные устройства /2/ на выполнение аналогичной операции требуют не менее 980 с времени, что также было получено на модели известного устройства при прочих равных условиях, в том числе при ограничениях по току датчика момента.

Источники информации
1. Назаров Б.И. и др. Командно-измерительные приборы. -МО СССР, 1987, с. 588.

2. Там же, с.592-605.

3. Скалон А. И. Обобщенный анализ характеристик прецизионных датчиков механических величин, работающих в режиме автоколебаний. Измеренная техника, N 3, 1990, с. 7-8.

4. Скалон А. И. и др. Оптимизация структуры датчиков для динамических измерений. - Метрология. N 2, 1987, с. 20-26.

Гиростабилизатор предназначен для азимутального ориентирования подвижных объектов. Три гироскопа и два акселерометра, оси чувствительности которых горизонтальны, установлены на стабилизируемой платформе и вместе с усилителями стабилизации, коррекции и стабилизирующими двигателями образуют системы стабилизации и коррекции относительно двух горизонтальных осей. Для ориентирования в азимуте дополнительно введены блок повышения чувствительности акселерометра и измерительный блок. Первый блок содержит компаратор, электронный ключ и источник тока, электрически связанные друг с другом. Вход компаратора подключен к выходу акселерометра, а источник тока через ключ подключается к датчику момента акселерометра. В состав измерительного блока входят второй электроный ключ, генератор импульсов, три реверсивных счетчика, цифроаналоговый преобразователь и суммирующий усилитель. Второй электронный ключ подключен управляющим входом к выходу компаратора и соединяет выход генератора импульсов и вход первого реверсивного счетчика, выход которого и двух других счетчиков, включенных последовательно первому, через цифроаналоговый преобразователь подключаются на входы суммирующего усилителя, выход которого подключен к датчику момента вертикального гироскопа. Сокращаются временные затраты при определении направления меридиана. 2 ил.

Самоориентирующийся в азимуте трехосный гиростабилизатор, содержащий три гироскопа и два акселерометра, оси чувствительности которых горизонтальны, установленные на стабилизируемой платформе и вместе с усилителями стабилизации, коррекции и стабилизирующими двигателями образующие системы стабилизации и коррекции относительно двух горизонтальных осей, а для ориентирования в азимуте выход акселерометра через третий усилитель коррекции подключен к датчику момента вертикального гироскопа, датчик угла которого через усилитель стабилизации связан со стабилизирующим двигателем вертикальной оси платформы, отличающийся тем, что дополнительно введены блок повышения чувствительности акселерометра и измерительный блок, причем первый из них содержит компаратор, электронный ключ и источник тока, электрически связанные друг с другом, вход компаратора подключен к выходу акселерометра, а источник тока через ключ подключается к датчику момента акселерометра, в состав измерительного блока входят второй электронный ключ, генератор импульсов, три реверсивных счетчика, цифроаналоговый преобразователь и суммирующий усилитель, при этом второй электронный ключ подключен управляющим входом к выходу компаратора и соединяет выход генератора импульсов и вход первого реверсивного счетчика, выход которого и двух других счетчиков, включенных последовательно первому, через цифроаналоговый преобразователь подключается на входы суммирующего усилителя, выход которого подключен к датчику момента вертикального гироскопа.