Судовой электронный кренодифферентометр Российский патент 2024 года по МПК B63B39/14 G01C21/10 

Изобретение относится к области навигационного приборостроения, в частности, к устройствам для определения углов крена и дифферента морских судов. Известны приборы, использующие для измерения угла крена и дифферента короткопериодные физические маятники или жидкостные уровни [патенты РФ №2100778; №2065572]. Их основная погрешность обусловлена влиянием дополнительных переносных (тангенциальных) ускорений, появляющихся при воздействии бортовой и килевой качки на приборы, установленные на мостике судна на значительном расстоянии от центра его качания. [Ривкин С.С. Теория гироскопических устройств // Л. "Судпромгиз", 1962, том 1, с. 249]. В зависимости от численных значений составляющих вектора отстояния места установки такого прибора от центра качания судна, а также интенсивности качки, эта погрешность может превышать истинные значения углов крена и дифферента в несколько раз. Для уменьшения этой погрешности используют электронные кренодифферентометры, в состав которых вводят помимо акселерометров еще и гироскопические датчики.

Для измерения углов крена и дифферента могут также использоваться инерциальные гировертикали, построенные на базе бесплатформенных инерциальных навигационных систем (БИНС) [Анучин О.Н., Емельянцев Г.И. Интегрированные системы ориентации и навигации для морских подвижных объектов // ГНЦ РФ-ЦНИИ «Электроприбор», 2003, с. 389]. Ошибки начальных условий, а также нескомпенсированные собственные погрешности трех датчиков угловой скорости (ДУС) и трех акселерометров вызывают в БИНС незатухающие колебания построителя вертикали с периодом Шулера, которые обычно демпфируются периодически по информации о линейной скорости объекта, вырабатываемой внешним источником, например судовым лагом. Однако в БИНС, построенной на основе грубых микромеханических датчиков, для обеспечения заданной погрешности построителя вертикали демпфирование с использованием внешней скорости должно проводиться непрерывно.

Полное отсутствие автономности, сложность построения бесплатформенной инерциальной гировертикали в целом определяют ее недостатки, к которым можно также отнести высокие требования к калибровке, большую стоимость и необходимость периодического обслуживания. В связи с чем БИНС не получили широкого распространения для их использования в качестве судового электронного кренодифферентометра.

За прототип судового электронного кренодифферентометра принято техническое решение, приведенное в [патент РФ №2486098]. Приведенное в прототипе устройство для определения угла наклона (крена и дифферента) по каждой из двух - продольной и поперечной осей объекта - содержит два акселерометра, два ДУС и два вычислительных модуля. При этом для выработки углов крена или дифферента по каждому каналу используется один акселерометр, один ДУС и один вычислитель. В прототипе акселерометр рассматривается в качестве датчика угла наклона с передаточной функцией , а ДУС - с передаточной функцией . Вычислительный модуль содержит звено с передаточной функцией , через которое пропускается сумма сигналов акселерометра и ДУС, что позволяет устранить динамическую составляющую сигнала акселерометра, возникающую вследствие действия возмущений, например при волнении моря. При выполнении условия , вырабатываемый угол крена или дифферента в прототипе будет содержать низкочастотную составляющую сигнала акселерометра и высокочастотную составляющую сигнала ДУС.

В настоящее время наиболее перспективными для применения в конструкции современных кренодифферентометров являются дешевые микромеханические гироскопы (далее - ММГ) и микромеханические акселерометры (далее - ММА), позволяющие уменьшить цену этих приборов и, соответственно, повысить их конкурентоспособность.

Особенностью ММГ являются большие значения погрешностей смещения нуля, которые к тому же могут изменяться при эксплуатации кренодифферентометра на длительном интервале времени. В силу этого, представленной в прототипе передаточной функции , являющейся фильтром высоких частот первого порядка для сигнала ДУС, может быть недостаточно для подавления низкочастотных составляющих погрешностей ММГ, что, безусловно, может привести к росту погрешностей определения углов крена и дифферента.

К недостаткам прототипа следует отнести, прежде всего, невозможность использования представленного устройства для измерения больших значений углов крена и дифферента в связи с тем, что:

- в выходных сигналах обоих ДУС и с взаимно ортогональными осями, расположенными в плоскости палубы, помимо полезного сигнала будут измеряться существенные значения составляющих угловой скорости рыскания судна и его циркуляции, которые могут быть скомпенсированы только при наличии дополнительного ДУС , ось чувствительности которого ориентирована по нормали к плоскости палубы;

- по выходному сигналу одного из двух взаимно ортогональных акселерометров, расположенных в плоскости палубы и (), вычисляются значения углов крена, погрешности измерения которых при приближении к углу имеют недопустимо большие значения . Углы крена, близкие , могут быть измерены только при использовании третьего акселерометра , нормального к плоскости палубы (.

В связи с тем, что в соответствии с требованиями п. 5.27.2 "Правил по оборудованию морских судов, часть V Российского Морского Регистра Судоходства" электронные кренометры должны обеспечивать измерение текущего угла крена в диапазоне ±90°, прототип не сможет обеспечить эти требования.

Решаемые технические проблемы:

1. Повышение точности измерения крена и дифферента в условиях действия переносных ускорений на больших углах качки судна с помощью электронного кренодифферентометра.

2. Выполнение требований п. 5.27.2 "Правил по оборудованию морских судов, часть V Российского Морского Регистра Судоходства" в части измерений углов крена в диапазоне ± 90°.

3. Совершенствование конструкции кренодифферентометра путем применения дешевых ММГ и ММА с целью уменьшения стоимости прибора, обеспечивающих при этом требуемую точность работы кренодифферентометра, в том числе, и на длительных интервалах времени.

Технический результат - повышения точности измерения крена и дифферента и расширение диапазона их измерения.

Кроме того обеспечивается снижение цены прибора путем применения в его конструкции дешевых микромеханических датчиков.

Предлагаемое устройство представляет собой инерциальный измерительный модуль, содержащий триаду ММГ (далее - блок ММГ), триаду ММА (далее - блок ММА) с взаимно ортогональными осями чувствительности и вычислительное устройство. В вычислительном устройстве формируются значения угловых скоростей изменения углов крена и дифферента и самих значений этих углов, и далее производится фильтрация динамических погрешностей выработки углов крена и дифферента от действия переносных ускорений.

На фиг. 1 показана блок-схема, включающая выработку трех измерительных сигналов блока ММГ и трех измерительных сигналов блока ММА и их обработку в вычислительном устройстве кренодифферентометра.

В вычислительном устройстве производятся следующие действия:

1. По показаниям блока ММГ формируются угловые скорости изменения углов крена и дифферента :

где:

- выходной сигнал с оси чувствительности ММГ, расположенной по оси судна X, образованной пересечением плоскости мидель-шпангоута и основной плоскости (положительное направление - на правый борт);

- выходной сигнал с оси чувствительности ММГ, расположенной по продольной оси судна Y, образованной пересечением диаметральной плоскости и основной плоскости;

- выходной сигнал с оси чувствительности ММГ, расположенной по оси судна Z, образованной пересечением диаметральной плоскости и плоскости мидель-шпангоута (положительное направление - вверх).

2. По показаниям блока ММА формируются углы крена и дифферента :

где:

- выходной сигнал с оси чувствительности ММА, расположенной по оси судна X, образованной пересечением плоскости мидель-шпангоута и основной плоскости (положительное направление - на правый борт);

- выходной сигнал с оси чувствительности ММА, расположенной по продольной оси судна Y, образованной пересечением диаметральной плоскости и основной плоскости;

- выходной сигнал с оси чувствительности ММА, расположенной по оси судна Z, образованной пересечением диаметральной плоскости и плоскости мидель - шпангоута (положительное направление - вверх);

g - ускорение силы тяжести.

3. Сигналы угловой скорости (1) и (2), формируемые по информации блока ММГ, пропускаются соответственно через фильтры высоких частот (далее - ФВЧ) и ,

где:

- коэффициент усиления ФВЧ ;

- коэффициент усиления ФВЧ ;

p= оператор дифференцирования;

- постоянная времени ФВЧ ;

- постоянная времени ФВЧ .

4. Далее сигналы угловой скорости с выхода ФВЧ и сигналы углов качки (3) и (4) пропускаются, соответственно, через безынерционные звенья c коэффициентами усиления и , и, полученные таким образом, выходные сигналы этих звеньев суммируются,

где:

- коэффициент усиления безынерционного звена в канале выработки угловой скорости по показаниям ММГ;

- коэффициент усиления безынерционного звена в канале выработки угловой скорости по показаниям ММГ;

- коэффициент усиления безынерционного звена в канале выработки угла дифферента по показаниям ММА;

- коэффициент усиления безынерционного звена в канале выработки угла крена по показаниям ММА.

5. Полученная сумма сигналов далее пропускается через соответствующие апериодические звенья и , представляющие собой фильтры низких частот (далее - ФНЧ), выходом которых являются углы крена и дифферента судна,

где:

Т₁ - постоянная времени ФНЧ ;

Т₂ - постоянная времени ФНЧ .

Условием работы представленной схемы (фиг. 1) является выполнение следующих соотношений: =, =, , , =1, =1, , , обеспечивающих достижение принципа инвариантности, благодаря которому применяемые в схеме ФВЧ и ФНЧ не оказывают влияния на выработку выходной информации схемы - углов крена и дифферента, представляющих в этом случае комбинацию низкочастотной и высокочастотной составляющих сигналов, формируемых соответственно по информации блоков ММА и ММГ. В результате в полученных значениях углов крена и дифферента, практически полностью устраняются, прежде всего, погрешности ММА, возникающие вследствие действия на качке переносных ускорений, а также погрешности, обусловленные нестабильностью смещений нулей ММГ.

Полученные результаты компьютерного моделирования подтверждают возможность работы электронного кренодифферентометра с погрешностями выработки углов крена и дифферента, ниже, не менее чем на 30% значений погрешностей, соответствующих требованиям п. 5.27.2 "Правил по оборудованию морских судов, части V Российского Морского Регистра Судоходства" при измерении углов крена в диапазоне ±90° и дифферента в диапазоне ±45° при воздействии переносных ускорений, действующих при установке кренодифферентометра на расстоянии не менее 10 метров от центра качания судна по оси, нормальной к палубе.

Таким образом, заявленный технический результат считается достигнутым.

Изобретение относится к навигационному приборостроению. В судовом электронном кренодифферентометре углы крена и дифферента формируются по показаниям триады микромеханических гироскопов (ММГ) и триады микромеханических акселерометров (ММА). Сформированные углы крена и дифферента преобразуются в выходные сигналы кренодифферентометра путем применения комбинации высокочастотных составляющих углов по данным ММГ и низкочастотных составляющих углов по данным ММА. Повышается точность измерения углов крена и дифферента. 1 ил.

Судовой электронный кренодифферентометр на основе гироскопов и акселерометров, имеющий вычислительное устройство для выработки углов крена и дифферента, отличающийся тем, что углы крена и дифферента формируются как по показаниям триады микромеханических гироскопов (ММГ), так и по показаниям триады микромеханических акселерометров (ММА), сформированные таким образом углы крена и дифферента затем преобразуются в выходные сигналы кренодифферентометра путем применения комбинации высокочастотных составляющих углов по данным ММГ и низкочастотных составляющих углов по данным ММА.