АВТОМАТИЧЕСКИЙ ГИРОКОМПАС (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2003 года по МПК G01C19/38 

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.

Среди наземных ГК умеренной точности известны наземные ГК, в которых используется аналитический способ определения азимута, выполненные по схеме датчика угловой скорости (ДУС) [1], измеряющего проекцию угловой скорости вращения Земли на ось чувствительности ДУС.

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

В качестве гироскопических чувствительных элементов в указанных ГК применяются динамически настраиваемые гироскопы (ДНГ).

Реализация определения азимута в наземных ГК, применение гироскопического ДУС для реализации аналитического способа определения угла азимута предусматривают исключение влияния на точность измерений отклонений осей чувствительного элемента ГК или измерительных осей ДУС от плоскости горизонта.

Для этого в известных наземных ГК [1] осуществляют предварительную выставку измерительных осей чувствительного элемента ГК в плоскость горизонта.

Обычно данная операция входит в процедуру предварительной подготовки ГК к работе и выполняется оператором.

Недостатками схемы с выставкой измерительных осей ГК оператором являются дополнительные затраты времени на подготовку гирокомпаса к работе, усложнение операторского обслуживания, снижение точности определения азимута за счет субъективных ошибок оператора.

В известных наземных ГК на базе ДУС [2, 3] для исключения указанных недостатков в процессе определения азимута осуществляют автоматическое измерение углов наклона измерительных осей ДУС на ДНГ относительно плоскости горизонта и последующий учет измеренных углов наклона при определении азимута.

В этом случае для измерения углов наклона необходимо использование высокоточных и линейных в широком диапазоне датчиков. В качестве таких датчиков обычно применяются акселерометры.

Недостатком использования акселерометров в составе наземных ГК является увеличение стоимости, усложнение электрической схемы прибора, снижение надежности 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, сокращение стоимости и повышение надежности ГК.

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, 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, выходы датчиков наклона соединены с устройством горизонтирования, которое содержит контроллер системы горизонтирования, микропереключатели, редукторы, исполнительные электродвигатели, причем входы контроллера системы горизонтирования являются входами устройства горизонтирования для датчиков наклона, дополнительные входы контроллера системы горизонтирования соединены с выходами микропереключателей, а выходы контроллера системы горизонтирования подключены к исполнительным электродвигателям, которые через редукторы связаны с гироблоком.

Во втором варианте это достигается тем, что в автоматическом гирокомпасе, содержащем гироблок, оптическое визирное устройство, треногу с устройством горизонтирования, автономный источник питания, причем гироблок включает измерительно-вычислительное устройство, датчик угла, 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, а датчик угла и датчик момента установлены по оси вращения гироузла, причем гироузел механически связан со статором (или ротором) датчика угла,
выходы датчиков наклона соединены с устройством горизонтирования, которое содержит контроллер системы горизонтирования, микропереключатели, редукторы, исполнительные электродвигатели, причем входы контроллера системы горизонтирования являются входами устройства горизонтирования для датчиков наклона, дополнительные входы контроллера системы горизонтирования соединены с выходами микропереключателей, а выходы контроллера системы горизонтирования подключены к исполнительным электродвигателям, которые через редукторы связаны с гироблоком.

В первом и во втором вариантах выходы датчиков наклонов могут быть соединены с измерительно-вычислительным устройством.

В предлагаемых автоматических ГК оси чувствительности датчиков наклонов могут быть отклонены от плоскости, содержащей измерительные оси гироскопического чувствительного элемента, на известные углы.

Углы отклонения осей чувствительности датчиков наклонов от плоскости, содержащей измерительные оси гироскопического чувствительного элемента, могут быть равны нулю. В этом случае оси чувствительности датчиков наклонов параллельны плоскости, содержащей измерительные оси гироскопического чувствительного элемента.

Ось вращения оптического визирного устройства может быть параллельна или лежать на одной линии с осью вращения гироузла.

В автоматическом гирокомпасе по второму варианту гироблок может содержать усилительное устройство, через которое вход датчика момента связан с измерительно-вычислительным устройством, и преобразователь угол-код, через который выход датчика угла связан с измерительно-вычислительным устройством.

Измерительно-вычислительное устройство может содержать цифроаналоговый преобразователь, интерфейс, микроЭВМ, соединенные между собой.

В качестве гироскопического чувствительного элемента может использоваться динамически настраиваемый гироскоп (ДНГ) с датчиками угла и датчиками момента, образующих две измерительные оси, а гироузел может содержать усилительное устройство, входы которого подключены к датчикам угла, выходы - к датчикам момента ДНГ и входам измерительно-вычислительного устройства.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых приведены схемы вариантов автоматического гирокомпаса (фиг.1, 2).

Предлагаемый автоматический гирокомпас (см. фиг.1, 2) 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 соединены с измерительно-вычислительным устройством 6. Информация от измерительных осей 10 гироскопического чувствительного элемента 9 поступает в измерительно-вычислительное устройство 6.

Для уменьшения ошибки определения азимута в 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 предлагаемых автоматических ГК ось вращения оптического визирного устройства 2 располагается параллельно либо совмещается с осью вращения гироузла 7.

В качестве гироскопического чувствительного элемента 9 в предлагаемом ГК может применяться динамически настраиваемый гироскоп с двумя ортогональными измерительными осями. В этом случае функции измерительных осей 10 выполняют соответствующие датчики угла 11 и датчики момента 12 ДНГ (см. фиг.1, 2), включенные в режим ДУС.

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.

Датчики наклонов 8 используются для автоматического горизонтирования гироблока 1 с помощью устройства горизонтирования 4, для чего сигналы с выходов датчиков наклонов 8 подаются на входы устройства горизонтирования 4.

Для согласования и преобразования сигналы с выходов датчиков наклонов 8 могут подаваться на входы устройства горизонтирования 4 через дополнительное усилительное устройство.

Сигналы с датчиков углов 8 также могут подаваться в измерительно-вычислительное устройство 6.

Устройство горизонтирования 4 содержит контроллер системы горизонтирования 14, микропереключатели 15-18, исполнительные двигатели 19, 20, редукторы 21, 22.

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.

После включения гирокомпаса сигналы о наклонах гироблока 1, а следовательно, и измерительных осей 10 гироскопического чувствительного элемента 9 относительно плоскости горизонта с выходов датчиков наклонов 8 поступают на входы контроллера системы горизонтирования 14, на выходах которого вырабатываются сигналы управления, поступающие на исполнительные двигатели 19, 20.

Под действием сигналов управления исполнительные двигатели 19, 20 приводят во вращение входные валы редукторов 21, 22.

Для обеспечения изменения положения измерительных осей 10 гироскопического чувствительного элемента 9 относительно плоскости горизонта гироблок 1 установлен на подвижных 23 и неподвижной 24 опорах, причем опоры 23, установленные по продольной Х и поперечной Y осям гироблока 1, являются штоками винтовых редукторов 21, 22. При вращении входных валов редукторов 21, 22 происходит изменение положения штоков 23 относительно корпусов редукторов 21, 22 - в результате происходит изменение положения гироблока 1, а вместе с ним измерительных осей 10 гироскопического чувствительного элемента 9 относительно плоскости горизонта. При этом вращение входных валов редукторов 21, 22 с помощью исполнительных двигателей 19, 20 происходит в сторону, обеспечивающую уменьшение сигналов с датчиков наклонов 8 до нуля.

По достижении сигналами с выходов датчиков наклонов 8 заданного уровня вращение приводных двигателей 19, 20 прекращается. Измерительные оси 10 гироскопического чувствительного элемента 9 оказываются с заданной точностью выставленными в плоскость горизонта.

Реализация предварительного горизонтирования гироблока 1 позволяет использовать в качестве датчиков наклонов 8, в отличие от акселерометров, применяемых в известных ПС [2, 3], более дешевые и надежные датчики, но имеющие ограниченный, по сравнению с акселерометрами, рабочий диапазон, например, маятниковые жидкостные переключатели. Особенностью маятниковых жидкостных переключателей является релейный тип выходной характеристики с узкой рабочей зоной, в которой обеспечивается линейность измерения углов наклона.

За счет автоматического горизонтирования гироблока 1 в предлагаемых ГК рабочая точка маятниковых жидкостных переключателей предварительно выводится в линейную область рабочей характеристики, и в дальнейшем, если используются варианты реализации ГК, в которых выходы датчиков наклонов 8 соединены с измерительно-вычислительным устройством 6, информация с выходов маятниковых жидкостных переключателей об остаточном угле наклона гироблока 1 используется для повышения точности определения азимута, так же как это осуществляется в известных наземных ГК с акселерометрами [2, 3].

После завершения автоматического горизонтирования гироблока 1 запускается гироскопический чувствительный элемент 9.

После разгона последнего на соответствующих выходах усилительного устройства 13 вырабатываются сигналы, пропорциональные проекциям горизонтальной составляющей угловой скорости вращения Земли на измерительные оси 10 ДНГ 9:
U_ri ^y=U•cosϕ•sinα;
U_ri ^х=U•cosϕ•sinα,
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 11 гироскопического чувствительного элемента 9 в азимуте.

Сигналы U_ri ^y, U_ri ^x с выходов измерительных осей 10 ДНГ 9 (выходов усилительного устройства 13) поступают на входы измерительно-вычислительного устройства 6.

В предлагаемом ГК по первому варианту (см. фиг.1) по известному однопозиционному алгоритму [3] в измерительно-вычислительном устройстве 6 рассчитывается опорный азимут
α=arctg(U_ri ^y/U_ri ^x) (1)
Относительно азимута (1) с помощью оптического визирного устройства 2 измеряется азимут заданного ориентирного направления.

Для повышения точности работы ГК могут использоваться более сложные алгоритмы расчета азимута [3], например
α=arctg((U_r0 ^y-U_r180 ^у)/(U_r0 ^х-U_r180 ^x)), (2)
α=arctg((U_r0 ^х-U_r180 ^x)/(2•U_r90 ^х-U_r0 ^x-U_r180 ^x)), (3)
где U_r0 ^x, U_r0 ^y, U_r90 ^x, U_r180 ^x, U_r180 ^y - 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) предполагают двух-, трехпозиционный и более режимы работы гироскопического чувствительного элемента 9 при определении азимута.

При реализации алгоритмов (2, 3) используется автоматический ГК по второму варианту (см. фиг. 2), который дополнительно содержит датчик угла 25, статор которого механически связан с гироузлом 7, и датчик момента 26.

В процессе определения азимута по информации об угловом положении ψ продольной оси гироузла 7 относительно положения гироблока 1, снимаемой с датчика угла 25, по сигналам от измерительно-вычислительного устройства 6 с помощью датчика момента 26 гироузел 7 разворачивается во второе и (при необходимости) третье (и более) положения ψ₁₈₀, ψ₉₀, отстоящие от исходного положения ψ₀, соответственно на 180^o, 90^o.

В указанных положениях дополнительно измеряются величины U_r180 ^x, U_r180 ^y, U_r90 ^x и в измерительно-вычислительном устройстве 6 по алгоритмам (2) или (3) рассчитывается угол азимута α продольной оси гироузла 7 в исходном положении ψ₀ измерительных осей 10 ДНГ 9.

В результате неточной установки треноги 3 на поверхности Земли начальные отклонения осей X, Y гироблока 1 относительно плоскости горизонта могут превысить рабочий диапазон системы горизонтирования.

Для обеспечения надежности и предотвращения выхода из строя системы горизонтирования при начальных отклонениях осей X, Y гироблока 1 относительно плоскости горизонта, превышающих рабочий диапазон системы горизонтирования, на дополнительные входы контроллера системы горизонтирования 14 поступают сигналы с выходов микропереключателей 15-18. Микропереключатели 15-18 установлены возле штоков 23 с обеспечением срабатывания их в крайних рабочих положениях штоков 23.

При срабатывании соответствующего микропереключателя на входы контроллера системы горизонтирования 14 поступает сигнал, по которому происходит обесточивание соответствующего исполнительного двигателя 19 или 20, обеспечивая защиту двигателей 19, 20, редукторов 21, 22 от перегрузки и поломки.

В результате того, что рабочая точка датчиков наклона 8 в предлагаемых ГК предварительно выводится в область, близкую к их нулевому сигналу, к их характеристикам не предъявляются повышенные требования по широкому рабочему диапазону с высокой линейностью выходной характеристики, что позволяет применить в качестве датчиков наклона 8 более дешевые устройства, например, маятниковые жидкостные переключатели. Дополнительным преимуществом маятниковых жидкостных переключателей перед акселерометрами является их повышенная надежность.

В предлагаемых ГК в качестве датчиков наклонов 8 (см. фиг.1, 2) могут применяться жидкостные датчики типа ДЖМ, в качестве датчика угла 25 - вращающийся трансформатор типа СКТД, ВТ, в качестве датчика момента 26 - безредукторный двигатель постоянного тока типа ДМ, в качестве преобразователя угол-код - электронное устройство, обеспечивающее преобразование сигналов с выхода датчика угла 25 в цифровой код, в качестве ДНГ - гироскопы типа ГВК, ГБ. Измерительно-вычислительное устройство 6, контроллер системы горизонтирования 14 могут быть реализованы на стандартных микросхемах и электронных схемах из их набора и выполнять функции применительно к измерительно-вычислительному устройству 6 - цифроаналогового и аналого-цифрового преобразователей, обеспечивая преобразование аналоговых сигналов с выходов датчика угла 25, усилительного устройства 13 в цифровую форму, обратное преобразование цифровых сигналов в аналоговые на вход датчика момента 26, управление режимами ГК, проведение расчетов (1-3), применительно к контроллеру системы горизонтирования 14 - функции сравнения сигналов с выходов датчиков наклонов 8 с заданными уровнями, идентификацию состояний переключателей 15-18, выработку сигналов управления в соответствии с циклограммой работы системы горизонтирования. В качестве исполнительных двигателей 19, 20 - двигатели постоянного тока типа ДПР. В качестве редукторов 21, 22 - механические устройства с винтовым механизмом. В качестве треноги может использоваться собственно тренога или любое другое устройство, обеспечивающее фиксацию гирокомпаса на земной поверхности или на объекте.

Таким образом, путем соединения датчиков наклона 8 с устройством горизонтирования 4, выполнения устройства горизонтирования 4, содержащего контроллер системы горизонтирования 14, микропереключатели 15-18, исполнительные двигатели 19, 20, редукторы 21, 22, соединенные с гироблоком 1, предлагаемые устройства позволяют уменьшить трудоемкость дополнительного операторского обслуживания, сократить время определения азимута заданного ориентирного направления, снизить стоимость и повысить надежность наземных ГК на базе ДУС на гироскопических чувствительных элементах с вертикальной ориентацией вектора кинетического момента.

В настоящее время в ГУП ВНИИ "Сигнал" разработан опытный образец автоматического ГК по второму варианту. Результаты испытаний разработанного образца положительны.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ
1. Воронков Н.Н., Кутырев В.В., Ашимов Н.М. Гироскопическое ориентирование. Изд. 2-е, 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.

Использование: при разработке и изготовлении гирокомпасов и курсоуказывающих устройств. Сущность: автоматический гирокомпас содержит гироблок, оптическое визирное устройство, установленное с возможностью вращения относительно гироблока, треногу, устройство горизонтирования с контроллером системы горизонтирования, микропереключателями, исполнительными двигателями и редукторами, связанными с гироблоком, измерительно-вычислительное устройство, гироузел, установленный с возможностью вращения относительно гироблока, датчики наклона, связанные с устройством горизонтирования, гироскопический чувствительный элемент, имеющий одну или несколько измерительных осей, перпендикулярных оси вращения гироузла и связанных с измерительно-вычислительным устройством, по варианту - датчик угла, датчик момента. Технический результат: уменьшение трудоемкости дополнительного операторского обслуживания, сокращение времени определения азимута заданного ориентирного направления, сокращение стоимости и повышение надежности. 2 с. и 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Автоматический гирокомпас, содержащий гироблок, оптическое визирное устройство, треногу с устройством горизонтирования, автономный источник питания, причем гироблок включает измерительно-вычислительное устройство, 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, отличающийся тем, что выходы датчиков наклона соединены с устройством горизонтирования, которое содержит контроллер системы горизонтирования, микропереключатели, редукторы, исполнительные электродвигатели, причем входы контроллера системы горизонтирования являются входами устройства горизонтирования для датчиков наклона, дополнительные входы контроллера системы горизонтирования соединены с выходами микропереключателей, а выходы контроллера системы горизонтирования подключены к исполнительным электродвигателям, которые через редукторы связаны с гироблоком. 2. Автоматический гирокомпас, содержащий гироблок, оптическое визирное устройство, треногу с устройством горизонтирования, автономный источник питания, причем гироблок включает измерительно-вычислительное устройство, датчик угла, 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, а датчик угла и датчик момента установлены по оси вращения гироузла, причем гироузел механически связан со статором (или ротором) датчика угла, отличающийся тем, что выходы датчиков наклона соединены с устройством горизонтирования, которое содержит контроллер системы горизонтирования, микропереключатели, редукторы, исполнительные электродвигатели, причем входы контроллера системы горизонтирования являются входами устройства горизонтирования для датчиков наклона, дополнительные входы контроллера системы горизонтирования соединены с выходами микропереключателей, а выходы контроллера системы горизонтирования подключены к исполнительным электродвигателям, которые через редукторы связаны с гироблоком. 3. Автоматический гирокомпас по п. 1 или 2, отличающийся тем, что выходы датчиков наклонов соединены с измерительно-вычислительным устройством.