Устройство для настройки выключателя коррекции, построенного на базе двух гироскопических датчиков угловых скоростей Российский патент 2025 года по МПК G01C19/28 G05D111/50 

Изобретение относится к измерительной технике гироскопического приборостроения и предназначено для настройки выключателя коррекции, построенного на базе двух гироскопических датчиков угловых скоростей.

В качестве прототипа устройства выбран выключатель коррекции, построенный на базе двух гироскопических датчиков угловых скоростей (патент № 2743656 Российская Федерация, МПК G01C 19/00. Выключатель цепей коррекции гироскопических приборов ориентации на вираже: опубл. 20.02.2021, бюл. №5 / Кривошеев С.В., Ефимов А.А.).

Основу построения выключателя цепей коррекции гироскопических приборов ориентации на вираже составляют два штатных гироскопических датчика угловых скоростей, входная ось одного из них ориентирована по нормальной оси самолета, а входная ось второго - по поперечной оси, при этом к выходам гироскопических датчиков угловых скоростей подключены две цепи преобразования сигналов, состоящие из последовательно соединенных фильтров низких частот, масштабных усилителей и преобразователей аналог-код, подключенных на первый и второй параллельные входные порта микроконтроллера, который определяет угловую скорость виража согласно формуле

,

где – дискретное время; – усредненные угловые скорости, формируемые на выходах аналогово-цифровых преобразователей,

а выход разовых команд микроконтроллера, подключен на управляющий вход аналогового коммутатора, сигнальные входы-выходы которого включены в соответствующие цепи коррекции гироскопических приборов ориентации, и при выполнении в микроконтроллере условия

,

на его выходе будет логическая единица, и сигнальные входы-выходы размыкаются, а при выполнении в микроконтроллере условия

,

на его выходе будет логический ноль, и сигнальные входы-выходы замыкаются,

где – постоянная составляющая угловой скорости виража, и , и – заданные пороговые значения угловой скорости и временных задержек на отключение и включение цепей коррекции.

Недостаток прототипа состоит в том, что не указаны элементы устройства, которые, используя сигналы двух штатных датчиков угловых скоростей, предназначенных по определению для формирования сигналов в законах управления автоматов-демпферов самолетов, позволяют преобразовать их выходные сигналы в надежный выключатель коррекции с проверкой и настройкой его основных параметров в заводских условиях для конкретного типа самолета с учетом имитации параметров его полета.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении надежности и точности формирования сигнала на отключение корректирующих цепей гироскопических датчиков углов ориентации выключателем коррекции, построенном на базе двух датчиков угловых скоростей, путем проверки и настройки в заводских условиях при имитации реальных параметров полета самолета, влияющих на работу выключателей коррекции.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для настройки выключателя коррекции, построенного на базе двух гироскопических датчиков угловых скоростей, состоящем из двух гироскопических датчиков угловых скоростей, входные оси которых взаимно перпендикулярны, а с выходными осями, которые являются осями подвеса рамок с гиромоторами, кинематически связаны датчики углов и датчики моментов, причем выходы датчиков углов через усилители подключены на один из входов датчиков моментов с включенными в его цепи масштабными резисторами, выходы которых, являющиеся выходами гироскопических датчиков угловых скоростей, подключены на входы двух цепей преобразования сигналов, включающих последовательно соединенные первый и второй фильтры низких частот, первый и второй масштабные усилители и первый и второй преобразователи аналог-код, выходы которых соответственно подключены на первый и второй параллельные входные порты микроконтроллера, новым является то, что два гироскопических датчика угловых скоростей установлены на следящей раме кронштейна, жестко закрепленного на вращающейся платформе установки проверки гироприборов, а с осями подвеса следящей рамы кинематически связаны датчик угла крена и двигатель отработки, на вход которого подключен выход усилителя следящей рамы, первый и второй входы которого соответственно соединены с выходом датчика угла крена и с задатчиком угла крена, при этом на вторые входы датчиков моментов подключены соответственно первый и второй имитаторы сигналов, а задатчик угловых скоростей вращения подключен на третий входной порт микроконтроллера, выходной порт которого соединен с входом многофункционального индикатора, причем на вторые входы первого и второго фильтров низкой частоты соответственно подключены первый и второй задатчики параметров, а на вторые входы масштабных усилителей соответственно подключены задатчики коэффициентов усиления.

Сущность изобретения поясняется фиг.1 и фиг.2, где:

фиг.1 – кинематическая схема устройства;

фиг.2 – структурная схема подключения гироскопических датчиков угловых скоростей к микроконтроллеру.

Здесь на фигурах приняты следующие обозначения:

1-2 – первый и второй датчики угловой скорости (ДУС); построенные по схеме с электрической пружиной, которая состоит из последовательно соединенных датчика угла (ДУ), усилителя (У), датчика моментов (ДМ);

3; 9 – рамки с полуосями соответственно первого и второго ДУС;

4;10 – гиромоторы соответственно первого и второго ДУС;

5;11 – датчики углов соответственно первого и второго ДУС;

6;12 – датчики моментов соответственно первого и второго ДУС;

7;13 – усилители электрической пружины соответственно первого и второго ДУС;

8;14 – первый и второй имитаторы сигналов;

15 – следящая рама;

16 – датчик угла крена;

17 – двигатель отработки;

18 – усилитель следящей системы;

19 – задатчик угла крена;

20 – кронштейн;

21 – установка проверки гироприборов;

21.1 – задатчик угловых скоростей вращения;

21.2 – выходной вал установки;

21.3 – вращающаяся платформа;

22 – основание;

23 – первый фильтр низких частот (ФНЧ-1);

24 – второй фильтр низких частот (ФНЧ-2);

25-26 – первый и второй масштабные усилители (МУ);

27-28 – первый и второй аналогово-цифровые преобразователи (АЦП);

29 – микроконтроллер (МК);

30 – многофункциональный индикатор;

31 – первый задатчик параметров;

32 – второй задатчик параметров;

33 – задатчик коэффициента усиления первого масштабного усилителя;

34 – задатчик коэффициента усиления второго масштабного усилителя;

–связанная с кронштейном система координат;

– продольная ось (полет от нас с левым виражом);

– нормальная ось;

Z – поперечная ось;

– местная вертикаль;

, – угловые скорости, измеряемые датчиками угловых скоростей;

угловая скорость виража;

угол крена;

напряжение задатчика угла крена;

напряжение датчика угла крена;

напряжения первого и второго имитаторов сигналов;

– масштабные резисторы, включенные в цепи электрических пружин;

– токи в цепях датчиков моментов ДУС 1 и 2 соответственно;

– напряжения, снимаемые с масштабных резисторов и которые являются выходными сигналами ДУС 1 и 2;

– кинетические моменты роторов гиромоторов ДУС;

регулировочные параметры первого и второго фильтров низкой частоты;

регулировочные параметры (коэффициенты усиления) первого и второго масштабных усилителей.

В соответствии с фиг.1 и фиг.2 устройство состоит из двух штатных ДУС, причем у ДУС 1 осью чувствительности является ось , а у ДУС 2 осью чувствительности является ось . ДУС 1 и ДУС 2 соответственно состоят из рамок 3 и 9, в которые установлены два гиромотора 4 и 10 с кинетическими моментами соответственно. С осями подвеса рамок 3 и 9 кинематически связаны датчики углов 5 и 11, а также датчики моментов 6 и 12. Для создания противодействующих моментов по осям подвеса рамок 3 и 9 сформированы электрические пружины, состоящие из последовательно включенных датчиков углов 5 и 11, усилителей 7 и 13, масштабных резисторов , датчиков моментов 6 и 12, у которых для этих целей задействованы первые входы, при этом на вторые входы подключены первый 8 и второй 14 имитаторы сигналов. ДУС 1 и ДУС 2 закреплены жестко на раме 15, которая своими полуосями установлена в кронштейне 20, жестко закрепленном на вращающейся платформе 21.3 установки проверки гироприборов 21. Угловая скорость вращения платформы 21.3 формируется задатчиком угловых скоростей вращения 21.1. Кинематика установки 21 с помощью выходного вала установки 21.2 связана с вращающейся платформой 21.3. Корпус установки 21 устанавливается на основание 22. С помощью жидкостного уровня и регулировочных ножек платформа 21.3 выставляется в горизонтальное положение.

Выходные напряжения , снимаемые с масштабных резисторов датчиков угловых скоростей 1 и 2, подаются на входы двух цепей преобразования сигналов, состоящие соответственно из последовательно соединенных фильтров низкой частоты 23 и 24, масштабных усилителей 25 и 26, аналогово-цифровых преобразователей 27 и 28, которые подключены на первый и второй входные порты микроконтроллера 29. Сигнал с задатчика угловых скоростей вращения 21.1 поступает на третий входной порт микроконтроллера 29. К выходному порту микроконтроллера 29 подключен многофункциональный индикатор 30, на котором можно визуализировать сигналы АЦП в виде графиков, времена задержки на отключение и включение систем коррекции гироскопических датчиков ориентации, угловую скорость виража, задаваемую на установке 21, и среднюю угловую скорость, формируемую по сигналам ДУС 1 и ДУС 2 и другие технические параметры в буквенно-цифровом виде. У фильтров низкой частоты 23 и 24 имеются системные входы (первые входы), на которые поступает сигнал с ДУС 1 и ДУС 2 соответственно, и регулировочные входы (вторые входы), на которые с первого задатчика параметров 31 и второго задатчика параметров 32 подаются сигналы , регулирующие параметры фильтров низкой частоты 23 и 24, которые могут быть фильтрами первого или второго порядка.

Пояснение работы устройства

В первую очередь надо отметить, что при проектировании гироскопической части выключателей коррекции (ВК-53 и ВК-90), которая представляет двухстепенной гироскоп с механической пружиной С, жесткость пружины и момент инерции подвижной системы J выбирают из условия, чтобы круговая частота недемпфированных колебаний

,

где жесткость механической пружины для ДУС прямого измерения, или эквивалентная жесткость датчика моментов ДУС косвенного измерения; момент инерции подвижной системы,

была в несколько раз меньше максимальной круговой частоты колебаний самолета по курсу (углу рыскания) . Такое соотношение частот выбрано для осреднения колебаний, т.к. назначение выключателя коррекции состоит в измерении средней составляющей угловой скорости виража. При построении выключателя коррекции на базе двух штатных датчиков угловых скоростей картина иная: круговую частот недемпфированных колебаний выбирают в несколько раз больше максимальной круговой частоты колебаний самолета по курсу (углу рыскания) . Такое соотношение частот в ДУС выбрано для измерения мгновенной угловой скорости с минимальными амплитудными и фазовыми искажениями, т.к. сигнал ДУС используется для автоматического управления самолетами. Поэтому, используя сигналы ДУС для построения выключателя коррекции, задачу осреднения колебаний возлагают на фильтры низкой частоты 23 и 24, выбор параметров которых осуществляется с помощью предлагаемого устройства.

Методика настройки устройства

1. Получение вычисленной угловой скорости виража , равной заданной скорости виража , при отсутствии колебаний самолета по курсу при произвольных углах крена (идеальный случай)

Данный пункт моделирует идеальный прямолинейный полет самолета с заданным креном и с заданной угловой скоростью виража без колебаний по рысканию. В этом случае микроконтроллер 29 формирует угловую скорость виража вычисленную , которая с заданной точностью должна равняться заданной угловой скоростью виража .

Для этого задатчиком угла крена 19 задаем напряжение , соответствующее заданному крену , которое поступает на второй вход усилителя 18, одновременно на его первый вход поступает напряжение . Двигатель отработки 17, на вход которого поступает усиленное в усилителе 18 напряжение рассогласования , разворачивает следящую раму 15 с датчиками угловых скоростей 1 и 2 на заданный угол крена .

На установке проверки гироприборов 21 с помощью задатчика угловых скоростей вращения 21.1 задают угловую скорость виража и включают установку 21, вращающаяся платформа 21.3 которой, а, следовательно, и кронштейн 20 с закрепленными на нем датчиками угловых скоростей 1 и 2 начинает вращаться с заданной угловой скоростью виража . При выполнении этого пункта следует выходные напряжения направлять на масштабные усилители 25 и 26 фиг.2, для этого достаточно фильтры отключить и шунтировать. На многофункциональный индикатор 30 будут выводиться: заданная угловая скорость виража и вычисленная угловая скорость виража на основе обработки напряжений

; (1)

. (2)

Далее напряжения (1) и (2), пройдя масштабные усилители 25 и 26, обрабатываются в микроконтроллере 29 в соответствии с формулой

, (3)

где коэффициенты передачи датчиков моментов 6 и 12; коэффициенты усиления масштабных усилителей 25 и 26.

Чтобы напряжение (3), формируемое в микроконтроллере 29, было пропорционально заданной угловой скорости , необходимо коэффициенты усиления масштабных усилителей выбрать в соответствии с условиями

; . (4)

Следовательно, напряжение (3) будет равно или пропорционально заданной угловой скорости виража

.

2. Настройка параметров фильтров низкой частоты при колебания по курсу при отсутствии крена и разворота

Данный пункт соответствует прямолинейному полету самолета с колебаниями по курсу

, (5)

амплитуда угла и круговая частота колебаний по курсу; амплитуда угловой скорости при колебаниях по курсу.

В данном случае выключатель коррекции будет формироваться по сигналу датчика угловой скорости 1. Состояние устройства:

1). Напряжение с задатчика 19 . Следовательно, следящая система развернет следящую раму 15 совместно с ДУС 1 и ДУС 2 в положение нулевого крена, т.е. . На колебания по крену (угловую скорость будет реагировать ДУС 1).

2). ДУС 1 и ДУС 2 подключаются на входы фильтров низких частот.

3). Влияние угловой скорости от колебаний по курсу имитируется подачей сигналов на вторые входы датчиков моментов 6 и 12 датчиков угловых скоростей 1 и 2, которые подключены к выходам имитаторов сигналов 8 и 14 соответственно, раздельно. Т.е сначала настраивается первый фильтр низкой частоты 23 канала измерения ДУС 1, а потом – второй фильтр низкой частоты 24 канала измерения ДУС 2.

Для правильной имитации воздействия реальных колебаний самолета по курсовому углу на датчик угловой скорости 1 необходимо на первом имитаторе сигналов (8) сформировать управляющее напряжение в соответствии с выражением (5)

, (6)

которое подается на второй вход датчика моментов (6).

При этом датчик моментов (6) создаст момент относительно оси подвеса подвижной системы ДУС 1, равный

,

под действием которого в соответствии со свойствами двухстепенного гироскопа подвижная система ДУС 1 будет отклоняться в соответствии с уравнением

, (7)

а выходной сигнал ДУС 1 будет равен

, (8)

где угол, угловая скорость, угловое ускорение, коэффициент демпфирования подвижной системы относительно оси подвеса; активное сопротивление датчика моментов для первого и второго входов (могут быть различными); коэффициент передачи датчика угла; эквивалентная жесткость для ДУС с электрической пружиной.

В соответствии с уравнением (7) в выходном сигнале (8) будут содержаться составляющие на частотах , из которых превалирующей будет составляющая на частоте (составляющая на частоте в ДУС затухает за десятые доли секунды). Чтобы составляющая сигнала на частоте не оказывала влияние на работу алгоритма микроконтроллера 29, необходимо правильно настроить параметры фильтра 23, чтобы указанная составляющая была подавлена до заданного уровня. Достигается данный эффект следующим образом: программно на многофункциональный индикатор выводится выходной сигнал ДУС 1, если амплитуда сигнала будет больше заданного значения (в перещете на угловую скорость), то с помощью первого задатчика параметров 31 изменяют регулировочный параметр первого фильтра низкой частоты 23 в такую сторону, чтобы амплитуда колебаний уложилась в допуск.

Аналогичным образом с помощью второго задатчика параметров 32 изменяют регулировочный параметр второго фильтра низкой частоты 24.

3. Проверка работы устройства при вращении платформы 21.3 с заданной угловой скоростью виража и одновременных колебаниях по курсу (5)

В этом испытании объединяется вращение платформы 21.3 с имитацией колебаний самолета по курсовому углу с помощью первого и второго имитаторов сигналов 8 и 14, которые формируют напряжения в виде (6), но с учетом заданного крена

(9)

В соответствии с программой работы микроконтроллера на многофункциональный индикатор 29 будет выводиться информация, например, в виде: «Коррекция отключена» или «Коррекция не отключена».

Здесь рассматривается два варианта, в которых при одновременном действии имитационных сигналов (9). При этом в первом варианте на индикатор 29 будет выдана информация «Коррекция не отключена», а во втором варианте «Коррекция отключена».

4. Алгоритм работы микроконтроллера

Алгоритм практически соответствует алгоритму прототипа, но с отличием, что кроме сигналов ДУС 1 и ДУС 2 в микроконтроллер на третий входной порт с задатчика угловых скоростей вращения 21.1 подается сигнал угловой скорости виража, что необходимо для сравнения заданной угловой скорости виража и вычисленной угловой скорости виража .

4.1. Считывание на каждом такте (шаге) сигналов аналогово-цифровых преобразователей 7 и 8, которые соответствуют угловым скоростям, измеренным ДУС 1 и ДУС 2.

4.2. Вычисление на каждом такте значение угловой скорости виража

.

4.3. Вычисление на заданном интервале времени среднего значения угловой скорости виража

где h – такт работы микроконтроллера; k – число тактов для интервала

4.4. Если , то запускается таймер и, если при этом выполняется условие

,

где – заданное пороговое значение угловой скорости на отключение цепей коррекции; – текущее время виража; – заданная временная задержка на отключение цепей коррекции, то микроконтроллер вырабатывает разовую команду в виде логической единицы, которая, поступая на управляющий вход многофункционального индикатора 30, формирует сообщение «Коррекция отключена», это говорит о том, что в реальной схеме, когда вместо индикатора 30 будет подключен аналоговый коммутатор, произойдет размыкание сигнальных входов с сигнальными выходами соответствующими ключами, а так как они включены в управляющие цепи гироскопических приборов (цепи поперечной коррекции гировертикалей, цепи горизонтальной коррекции гирополукомпасов), то коррекции этих приборов будут отключены.

Если в течение времени нарушится выполнения условия , то таймер обнуляется, и процесс анализа запускается сначала.

4.5. Для завершения виража необходимо вращение платформы 21.1 остановить. В этом случае процесс восстановления цепей коррекции будет программно организован так же, как и процесс отключения коррекции.

Если , то таймер обнуляется и запускается вновь и, если при этом выполняется условие

,

где – заданное пороговое значение угловой скорости на восстановление цепей коррекции; – текущее время, прошедшее после обнуления таймера; – заданная временная задержка на восстановление цепей коррекции,

то микроконтроллер вырабатывает на выходе разовых команд логический ноль, который, поступая на управляющий вход многофункционального индикатора 30, формирует сообщение «Коррекция не отключена», это говорит о том, что в реальной схеме, когда вместо индикатора 30 будет подключен аналоговый коммутатор, произойдет замыкание сигнальных входов с сигнальными выходами соответствующими ключами, а так как они включены в управляющие цепи гироскопических приборов (цепи поперечной коррекции гировертикалей, цепи горизонтальной коррекции гирополукомпасов), то коррекции приборов 11-13 будут восстановлены.

Если в течение времени нарушится выполнения условия , то таймер обнуляется, и процесс анализа запускается сначала.

Таким образом, для построения выключателя коррекции, на использовании сигналов двух штатных датчиков угловых скоростей, необходимо специальное устройство и методика настройки:

1. Настройка параметров выключателя коррекции при тестовых полетах самолета является дорогостоящей процедурой и используется после настройки в лабораторных условиях.

2. Если сымитировать условия реального полета в лабораторных условиях, то с одной стороны будет менее затратный вариант, а с другой стороны, можно проанализировать влияние большего количества факторов.

3. Фильтры низких частот представляют собой активные фильтры первого или второго порядков, регулируемыми параметрами которых являются постоянные времени, представляющие произведение сопротивления резисторов и емкостей конденсаторов. Регулировать постоянные времени фильтров рационально с помощью переменных резисторов.

Предлагаемое устройство может быть реализовано с применением малогабаритной поворотной установки МПУ-1, в которой угловые скорости вращающейся платформы 21.3 задаются с высокой точностью и в широком диапазоне. Фильтры низкой частоты, как масштабные усилители, рационально строить на операционных усилителях.

Изобретение относится к области навигации и предназначено для настройки выключателя коррекции. Сущность устройства заключается в том, что гироскопические датчики угловых скоростей (ДУС) установлены на следящей раме кронштейна, жестко закрепленного на вращающейся платформе установки проверки гироприборов, с осями подвеса следящей рамы кинематически связаны датчик угла крена и двигатель отработки, на вход которого подключен выход усилителя следящей рамы, первый и второй входы которого соответственно соединены с выходом датчика угла крена и с задатчиком угла крена, на вторые входы датчиков моментов подключены соответственно первый и второй имитаторы сигналов, а задатчик угловых скоростей вращения подключен на третий входной порт микроконтроллера, выходной порт которого соединен с входом многофункционального индикатора, причем на вторые входы первого и второго фильтров низкой частоты соответственно подключены первый и второй задатчики параметров, а на вторые входы масштабных усилителей подключены задатчики коэффициентов усиления. Техническим результатом является повышение надёжности и точности формирования сигнала. 2 ил.

Устройство для настройки выключателя коррекции, построенного на базе двух гироскопических датчиков угловых скоростей, состоящее из двух гироскопических датчиков угловых скоростей, входные оси которых взаимно перпендикулярны, а с выходными осями, которые являются осями подвеса рамок с гиромоторами, кинематически связаны датчики углов и датчики моментов, причем выходы датчиков углов через усилители подключены на один из входов датчиков моментов с включенными в его цепи масштабными резисторами, выходы которых, являющиеся выходами гироскопических датчиков угловых скоростей, подключены на входы двух цепей преобразования сигналов, включающих последовательно соединенные первый и второй фильтры низких частот, первый и второй масштабные усилители и первый и второй преобразователи аналог-код, выходы которых соответственно подключены на первый и второй параллельные входные порты микроконтроллера, отличающееся тем, что два гироскопических датчика угловых скоростей установлены на следящей раме кронштейна, жестко закрепленного на вращающейся платформе установки проверки гироприборов, а с осями подвеса следящей рамы кинематически связаны датчик угла крена и двигатель отработки, на вход которого подключен выход усилителя следящей рамы, первый и второй входы которого соответственно соединены с выходом датчика угла крена и с задатчиком угла крена, при этом на вторые входы датчиков моментов подключены соответственно первый и второй имитаторы сигналов, а задатчик угловых скоростей вращения подключен на третий входной порт микроконтроллера, выходной порт которого соединен с входом многофункционального индикатора, причем на вторые входы первого и второго фильтров низкой частоты соответственно подключены первый и второй задатчики параметров, а на вторые входы масштабных усилителей соответственно подключены задатчики коэффициентов усиления.