СИСТЕМА САМООРИЕНТИРУЮЩАЯСЯ ГИРОКУРСОКРЕНОУКАЗАНИЯ Российский патент 2001 года по МПК G01C19/38 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано при разработке и изготовлении приборов для стабилизации, навигации и топопривязки объектов наземной техники.

Известна система для определения меридиана [1] с использованием гироскопа, испытывающего влияние вращения Земли, которая производит вычисление отклонения эталонного направления от плоскости меридиана из соотношения сигналов, измеряемых в следящих системах гироскопа. Недостатком указанной системы является низкая точность определения азимута, т.к. на точность определения азимута существенно влияют характеристики датчиков угла следящих систем, линейность которых в широком диапазоне углов обеспечить практически невозможно.

Известна система самоориентирующаяся гироскопическая курсокреноуказания [2], которая представляет собой курсовую гироскопическую систему на базе гироскопических чувствительных элементов, работающая в режиме выработки сигналов об изменении (приращении) углов курса (режим удержания заданного азимутального направления или гироазимута), крена и тангажа объекта во время его движения и стоянки и в режиме определения азимута (режим самоориентирования или гирокомпаса) во время стоянки объекта. Недостаток курсовой гироскопической системы [2] заключается в сравнительно большом времени определения начального азимута заданного направления, особенно при больших (до 180 градусов) углах рассогласования вектора кинетического момента гироскопического чувствительного элемента с направлением на Север.

Известна также система самоориентирующаяся гирокурсокреноуказания [3], которая позволяет сократить время определения начального азимута заданного направления за счет ускоренного предварительного приведения вектора кинетического момента гироскопа в плоскость меридиана (режим ускоренного приведения).

В качестве прототипа принята система самоориентирующаяся гирокурсокреноуказания [3].

Система состоит из блока азимутального, блока горизонтального (конструктивно образуют гироблок) и управляющего устройства.

Блок азимутальный представляет собой внутреннюю раму карданова подвеса, на которой установлены датчик угла курса, датчик стабилизирующего момента и гироскопический чувствительный элемент, в котором две оси чувствительности образованы двумя ортогонально размещенными датчиками угла и датчиками момента, при этом одна ось гироскопического чувствительного элемента совпадает с осью внутренней рамы карданова подвеса.

Блок горизонтальный представляет собой среднюю и наружную рамы карданова подвеса. На средней раме установлены датчик угла тангажа, датчик стабилизирующего момента, датчики наклона и гироскопический чувствительный элемент. На наружной раме расположены датчик угла крена и датчик стабилизирующего момента. У гироскопического чувствительного элемента оси чувствительности образованы двумя ортогонально размещенными датчиками угла и датчиками момента и совпадают с осями средней и наружной рам карданова подвеса соответственно.

За счет работы блока горизонтального средняя рама карданова подвеса стабилизируется в плоскости горизонта, а ось внутренней рамы удерживается по направлению вертикали места. За счет работы управляющего устройства и блока азимутального вектор кинетического момента чувствительного элемента блока азимутального удерживается в плоскости горизонта в фиксированном направлении относительно инерциальной системы координат (в режиме гироазимута) или в направлении меридиана (в режиме гирокомпаса). При этом с датчиков угла курса, крена, тангажа снимается информация об изменениях курсового угла (или об азимуте в режиме гирокомпаса), углов поперечного и продольного наклона объекта соответственно.

Недостаток системы [3] заключается в том, что для осуществления режима ускоренного приведения ей необходимы дополнительно либо информация извне, при этом теряется автономность, либо время на измерение и формирование заданного угла приведения, либо заданный угол приведения может иметь достаточно большой диапазон, что может уменьшить в конечном итоге точность определения азимута.

Изобретение направлено на сокращение времени и повышение точности определения начального азимута заданного направления за счет практически мгновенного аналитического определения азимута заданного направления (аналитическое гирокомпасирование) и комбинирования различных режимов работы системы - аналитическое гирокомпасирование - предварительное ускоренное приведение - точное гирокомпасирование.

Это достигается тем, что в управляющее устройство системы самоориентирующейся гироскопической курсокреноуказания, содержащей блок азимутальный, состоящий из внутренней рамы карданова подвеса с датчиком угла курса, датчиком стабилизирующего момента, усилителя стабилизации и гироскопического чувствительного элемента, имеющего две измерительные оси, образованные двумя ортогонально размещенными датчиками угла и датчиками момента, причем первая измерительная ось гироскопического чувствительного элемента совпадает с осью внутренней рамы карданова подвеса, а выход датчика угла, установленного на первой измерительной оси гироскопического чувствительного элемента, связан с входом усилителя стабилизации, выход которого связан с датчиком стабилизирующего момента, блок горизонтальный, состоящий из карданова подвеса с датчиками угла тангажа и крена, датчиками стабилизирующего момента, датчиками наклона, усилителей стабилизации, усилителей коррекции и гироскопического чувствительного элемента, имеющего две измерительные оси, образованные двумя ортогонально размещенными датчиками угла и датчиками момента, причем измерительные оси гироскопического чувствительного элемента блока горизонтального совпадают с осями карданова подвеса, выходы датчиков наклона через усилители коррекции связаны с входами датчиков момента гироскопического чувствительного элемента блока горизонтального, а выходы датчиков угла гироскопического чувствительного элемента блока горизонтального через усилители стабилизации блока горизонтального связаны с входами датчиков стабилизирующего момента блока горизонтального, управляющее устройство, состоящее из усилителя привода в меридиан, ограничителей, коммутирующего устройства, устройства форсированного разворота, преобразователя угол-код и цифрового устройства, причем выход датчика угла курса через преобразователь угол-код связан с входом цифрового устройства, выход которого через устройство форсированного разворота связан с первым входом коммутирующего устройства, выход датчика угла, расположенного на второй измерительной оси гироскопического чувствительного элемента блока азимутального через усилитель привода в меридиан связан с входом ограничителей и со вторым входом коммутирующего устройства, выход ограничителей связан со входом датчика моментов, расположенного на первой измерительной оси гироскопического чувствительного элемента блока азимутального, а выход коммутирующего устройства связан со входом датчика моментов, расположенного на второй измерительной оси гироскопического чувствительного элемента блока азимутального, введен аналого- цифровой преобразователь, входы которого через датчики момента гироскопического чувствительного элемента блока горизонтального связаны с выходами усилителей коррекции блока горизонтального, а выход аналого-цифрового преобразователя связан с входом цифрового устройства.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется с помощью чертежа, на котором представлена схема предлагаемой системы самоориентирующейся гирокурсокреноуказания.

Система самоориентирующаяся гирокурсокреноуказания состоит из блока азимутального, блока горизонтального и управляющего устройства.

Блок азимутальный представляет собой внутреннюю раму 1 карданова подвеса, на которой установлены датчик угла курса 2, датчик стабилизирующего момента 8 и гироскопический чувствительный элемент 3, в котором две измерительные оси (X₁-X₁, Z₁-Z₁) образованы двумя ортогонально размещенными датчиками угла 5, 7 и датчиками момента 6, 4. Одна ось гироскопического чувствительного элемента Z₁-Z₁ совпадает с осью внутренней рамы карданова подвеса. Блок азимутальный включает в себя также усилитель стабилизации 9.

Блок горизонтальный представляет собой среднюю 24 и наружную 26 рамы карданова подвеса. На средней раме 24 установлен датчик угла тангажа 28, датчик стабилизирующего момента 11, датчики наклона 12, 25 и гироскопический чувствительный элемента 14. На наружной раме 26 установлены датчик угла крена 10 и датчик стабилизирующего момента 27. У гироскопического чувствительного элемента 14 измерительные оси X₂-X₂ и Z₂-Z₂ образованы датчиками угла 21, 16, датчиками момента 15, 22 и совпадают с осями наружной 26 (назовем ее условно продольной осью) и средней 24 (назовем ее условно поперечной осью) рам карданова подвеса соответственно.

В управляющее устройство, состоящее из усилителя привода в меридиан 29, ограничителей 30, коммутирующего устройства 31, преобразователя угол-код 32, цифрового устройства 33, устройства форсированного разворота 34 введен аналого-цифровой преобразователь 35.

Система самоориентирующаяся гирокурсокреноуказания работает следующим образом.

За счет работы блока горизонтального производится горизонтирование средней рамы 24 карданова подвеса, т.е. оси X₂-X₂ и Z₂-Z₂ гироскопического чувствительного элемента 14 блока горизонтального удерживаются в плоскости горизонта, а ось Z₁-Z₁ блока азимутального удерживается в направлении местной вертикали. Горизонтирование и создание местной вертикали обеспечивается следящими системами - системой коррекции и системой стабилизации. Система коррекции реализована каналами: датчики наклона 12,25 - усилители коррекции 13,23- датчики момента 15, 22. Система стабилизации реализована каналами: датчики угла 16,21 - усилители стабилизации 18,19- датчики стабилизирующего момента 11, 27. При этом сигналы об углах наклона объекта снимаются с датчика угла крена 10 и датчика угла тангажа 28.

В режиме удержания заданного азимутального направления (режим гироазимута при стоянке и при движении объекта) для удержания вектора кинетического момента H₁ гироскопического чувствительного элемента 3 в плоскости горизонта используется горизонтальная коррекция - сигнал с датчика угла 5, пропорциональный углу отклонения вектора кинетического момента H₁ от плоскости горизонта, через усилитель 29 и ограничитель 30 поступает на датчик момента 4, который устраняет указанное отклонение. Азимутальная коррекция используется для устранения отклонения рамы 1 карданова подвеса относительно оси Z₁-Z₁ в инерциальном пространстве - сигнал с датчика угла 7, пропорциональный углу отклонения, через усилитель стабилизации 9 поступает на датчик стабилизирующего момента 8, который устраняет указанное отклонение. Таким образом осуществляется стабилизация рамы 1 карданова подвеса в инерциальном пространстве относительно вертикальной оси Z₁-Z₁, совпадающей с направлением вертикали места. Сигнал о курсе объекта снимается с датчика угла курса 2.

В режиме самоориентирования (при стоянке объекта) с целью уменьшения времени и повышения точности определения азимута вводится комбинированный режим определения азимута - аналитическое гирокомпасирование - предварительное ускоренное приведение - точное гирокомпасирование.

Аналитическое гирокомпасирование осуществляется в режиме гироазимута при стоянке объекта следующим образом.

Во время стоянки объекта вектор кинетического момента H₂ гироскопического чувствительного элемента блока горизонтального удерживается системой коррекции по направлению местной вертикали. Под воздействием горизонтальной составляющей угловой скорости суточного вращения Земли Ω_г= Ω_з·sinϕ (где Ω_з - угловая скорость вращения Земли, ϕ - широта места), лежащей в плоскости меридиана и плоскости горизонта, вектор кинетического момента H₂ отклоняется от направления вертикали и стремится совместиться с направлением вектора угловой скорости Ω_г. При этом датчики угла наклона 12, 25 фиксируют это отклонение. Выберем направление продольной оси (совпадает с осью наружной рамы карданова подвеса) за направление, азимут которого измеряется. Тогда с датчиков угла 12, 25 через усилители коррекции 13, 23 на датчики моментов 15, 21 поступают электрические сигналы Ux₂-x₂ и Uz₂-z₂, которые пропорциональны и (где А_АК - азимут продольной оси, угол между направлением угловой скорости Ω_г и проекцией направления продольной оси на плоскость горизонта).

С датчиков моментов 15, 22 в аналого-цифровой преобразователь 35 поступают сигналы, пропорциональные электрическим сигналам Ux₂-x₂ и Uz₂-z₂ (на чертеже показан вариант съема сигналов с использованием эталонных сопротивлений 17, 20). Аналого-цифровой преобразователь 35 преобразовывает аналоговые сигналы Ux₂-x₂ и Uz₂-z₂ в цифровые и передает в цифровое устройство 33 для вычисления значения
А_АК = arctg (Kx₂-x₂·Ux₂-x₂/Kz₂-z₂· Ux₂-x₂),
где Kx₂-x₂ и Kz₂-z₂ - постоянные коэффициенты системы коррекции.

Вычисление значения А_АК может осуществляться либо в самом цифровом устройстве 33, либо во внешнем бортовом вычислителе.

Предварительное ускоренное приведение осуществляется в режиме гироазимута следующим образом.

В цифровое устройство 33 с преобразователя угол-код 32 передается значение текущего угла α_тек (значение курсового угла в определенный момент времени). В цифровом устройстве 33 формируются коды управления устройством форсированного разворота 34 для ускоренного приведения вектора кинетического момента H₁ к заданному курсовому углу α_зад= A_AK+Δα, где Δα - постоянная угловая поправка, зависящая от конструктивного расположения датчика угла курса в системе и системы на объекте. Электрический сигнал соответствующей величины и знака с устройства форсированного разворота 34 через коммутирующее устройство 31 передается на датчик момента 6 гироскопического чувствительного элемента 3 блока азимутального. Под действием этого момента вектор кинетического момента H₁ отклоняется в плоскости горизонта от своего первоначального направления. Электрический сигнал, пропорциональный углу отклонения, с датчика угла 7 через усилитель стабилизации 9 подается на датчик стабилизирующего момента 8, обеспечивая ускоренный разворот внутренней рамы 1 карданова подвеса и соответствующее изменение угла α_тек. При приближении угла α_тек к заданному значению α_зад ускоренный разворот прекращается. Включается режим гирокомпаса для точного определения азимута уже при малом угле отклонения вектора кинетического момента гироскопического чувствительного элемента 3 от направления меридиана.

Точное гирокомпасирование осуществляется в режиме гирокомпаса следующим образом.

В цепь горизонтальной коррекции датчик угла 5 - усилитель 29 - ограничители 30 - датчик момента 4 подключается дополнительный ограничитель (дополнительный ограничитель входит в ограничители 30, на рисунке отдельно не показан), при этом крутизна горизонтальной коррекции уменьшается и вектор кинетического момента H₁ чувствительного элемента 3 отклоняется от плоскости горизонта под действием горизонтальной составляющей угловой скорости вращения Земли на угол β (угол рассогласования), пропорциональный синусу угла α между плоскостью меридиана и плоскостью, содержащей вектор кинетического момента H₁ и вектор угловой скорости вращения Земли. Сигнал с датчика угла 5, пропорциональный углу β, через усилитель привода в меридиан 29 и коммутирующее устройство 31 поступает на датчик момента 6 гироскопического чувствительного элемента 3. Под действием указанного момента вектор кинетического момента H₁ стремится совместиться с плоскостью меридиана, и после окончания переходного процесса устанавливается в направлении на Север. При этом с датчика угла курса 2 снимается сигнал об истинном азимуте объекта.

В качестве гироскопических чувствительных элементов как блока азимутального, так и блока горизонтального, могут быть использованы динамически настраиваемые гироскопы, например типа ГВК (гироскоп с внутренним карданом), или модуляционные гироскопы, и другие. При этом допускается использование в одной системе гироскопических чувствительных элементов различного типа, например в блоке азимутальном модуляционного гироскопа, а в блоке горизонтальном динамически настраиваемого гироскопа, или наоборот. При этом на одной измерительной оси чувствительного элемента может быть более одного датчика момента, например в ГВК, - основной и компенсационный датчик момента. При этом выбор конкретного датчика для осуществления связей между элементами системы зависит от конкретного чувствительного элемента и его технических характеристик.

В качестве датчиков угла курса, крена, тангажа могут быть использованы датчики любого типа, преобразующие механический угол поворота в электрический сигнал.

Преобразователи угол-код могут быть любого типа - фазовые, амплитудные и т.д., преобразующие аналоговый электрический сигнал с датчиков угла в цифровой код.

В качестве датчиков угла наклона могут быть использованы датчики различного типа, например жидкостные маятниковые переключатели, акселерометры и т.д.

Коммутирующие устройства могут быть различного типа - электромеханические (реле), электронные (на микросхемах и других радиоэлементах).

В качестве ограничителей могут использоваться элементы электронного устройства или их набор (простейший пример - резисторы или их набор), позволяющие при изменении режима работы системы изменить (при переходе к режиму самоориентирования уменьшить) крутизну горизонтальной коррекции.

В качестве цифрового устройства могут быть использованы различные электронные устройства, способные самостоятельно вычислить значение А_АК и сформировать управляющие коды для устройства форсированного разворота преобразователя (с использованием микропроцессоров или без них) или электронные устройства, способные осуществлять обмен с внешним бортовым вычислителем для передачи информации об α_тек, Ux₂-x₂, Uz₂-z₂ и приема информации для формирования кодов управления режимами работы системы.

В качестве устройства форсированного разворота могут быть использованы различные электронные устройства, преобразующие входные цифровые коды в аналоговые сигналы (цифроаналоговые преобразователи) для управления переключателем форсированного разворота и датчиком момента гироскопического чувствительного элемента.

В качестве аналого-цифрового устройства могут быть использованы различные электронные устройства, преобразующие аналоговые сигналы в цифровые.

Предлагаемое изобретение может быть использовано при разработке автономных систем навигации, стабилизации и топопривязки и позволяет уменьшить время определения азимута при работе системы в режиме гирокомпаса.

В настоящее время разработаны опытные образцы системы самоориентирующейся гирокурсокреноуказания, которые проходят предварительные испытания, в том числе и на подвижных объектах. Результаты испытаний положительны.

Литература
1. "Прибор для определения меридиана". Патент ФРГ N 2545026 от 14.04.77 г., МКИ G 01 C 21/00.

2. "Система самоориентирующаяся гироскопическая курсокреноуказания". Патент на изобретение РФ N 2124184, приоритет от 15.12.96 г.

3. "Система самоориентирующаяся гирокурсокреноуказания". Свидетельство на полезную модель РФ N 9521, приоритет от 06.04.98 г.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано при разработке и изготовлении приборов и систем для стабилизации, навигации и топопривязки объектов наземной техники. Система состоит из азимутального и горизонтального блоков, содержащих карданов подвес, гироскопические чувствительные элементы, датчики угла, датчики момента, датчики наклона, усилители. Преобразователи угол-код и аналого-цифровой, ограничители, коммутирующие устройства, устройства цифровое и форсированного разворота составляют управляющее устройство. Входы аналого-цифрового преобразователя подключены к датчикам момента гироскопического чувствительного элемента горизонтального блока, а выход подключен к цифровому устройству. Система позволяет сократить время определения азимута заданного направления при работе в режиме гирокомпаса за счет комбинированного режима работы: аналитическое гирокомпасирование - ускоренное приведение оси гироскопа в плоскость меридиана - точное гирокомпасирование. 1 ил.

Система самоориентирующаяся гироскопическая курсокреноуказания, содержащая блок азимутальный, состоящий из внутренней рамы карданова подвеса с датчиком угла курса, датчиком стабилизирующего момента, усилителя стабилизации и гироскопического чувствительного элемента, имеющего две измерительные оси, образованные двумя ортогонально размещенными датчиками угла и датчиками момента, причем первая измерительная ось гироскопического чувствительного элемента совпадает с осью внутренней рамы карданова подвеса, а выход датчика угла, установленного на первой измерительной оси гироскопического чувствительного элемента, связан с входом усилителя стабилизации, выход которого связан с датчиком стабилизирующего момента, блок горизонтальный, состоящий из карданова подвеса с датчиками угла тангажа и крена, датчиками стабилизирующего момента, датчиками наклона, усилителей стабилизации, усилителей коррекции и гироскопического чувствительного элемента, имеющего две измерительные оси, образованные двумя ортогонально размещенными датчиками угла и датчиками момента, причем измерительные оси гироскопического чувствительного элемента блока горизонтального совпадают с осями карданова подвеса, выходы датчиков наклона через усилители коррекции связаны с входами датчиков момента гироскопического чувствительного элемента блока горизонтального, а выходы датчиков угла гироскопического чувствительного элемента блока горизонтального через усилители стабилизации блока горизонтального связаны с входами датчиков стабилизирующего момента блока горизонтального, управляющее устройство, состоящее из усилителя привода в меридиан, ограничителей, коммутирующего устройства, устройства форсированного разворота, преобразователя угол-код и цифрового устройства, причем выход датчика угла курса через преобразователь угол-код связан с входом цифрового устройства, выход которого через устройство форсированного разворота связан с первым входом коммутирующего устройства, выход датчика угла, расположенного на второй измерительной оси гироскопического чувствительного элемента блока азимутального через усилитель привода в меридиан связан с входом ограничителей и со вторым входом коммутирующего устройства, выход ограничителей связан со входом датчика моментов, расположенного на первой измерительной оси гироскопического чувствительного элемента блока азимутального, а выход коммутирующего устройства связан со входом датчика моментов, расположенного на второй измерительной оси гироскопического чувствительного элемента блока азимутального, отличающаяся тем, что в управляющее устройство введен аналого-цифровой преобразователь, входы которого через датчики моментов гироскопического чувствительного элемента блока горизонтального связаны с выходами усилителей коррекции блока горизонтального, а выход аналого-цифрового преобразователя связан с входом цифрового устройства.