Способ определения азимута платформы трёхосного гиростабилизатора по измерению угла поворота одного из гироскопов Российский патент 2025 года по МПК G01C21/18 

Изобретение относится к области гироскопических систем и может быть использовано для азимутальной ориентации (определения азимута) платформы трехосного гиростабилизатора (ТГС) в высокоточных навигационных системах.

Известен способ определения азимута платформы ТГС по отклонению угла поворота гироскопа от расчетного значения. Данный способ основан на принципе вращения корпуса гироблока шаговым двигателем в сторону меридиана по расчетной программе, соответствующей месту испытаний, а азимут платформы определяется путем обработки информации о сигналах, снимаемых с датчика угла гироблока. В данном способе отпадает необходимость в применении широко диапазонного датчика угла поворота гироскопа и в следящей системе [1]. Применение данного способа ограничивается использованием шагового двигателя, имеющего ряд значимых недостатков, основными из которых являются:

низкая эффективность - мотор потребляет много энергии независимо от нагрузки;

крутящий момент резко снижается при увеличении частоты вращения (крутящий момент обратно пропорционален скорости);

низкая точность - 1:200 при полном шаге 1:2000 при микрошаге;

склонность к резонансу - для устранения резонансных процессов требуется микрошаг.

отсутствие обратной связи для контроля шагов;

не может резко стартовать на высокой скорости - требуется плавный разгон;

высокий нагрев двигателя в процессе работы;

шаговый мотор не может моментально продолжить работу после перегрузки на валу;

наличие шумов на средних и высоких скоростях и т.д.

Наиболее близким по технической сущности является способ определения азимута трехосного гиростабилизатора по углу поворота гироскопа [2]. Данный способ основан на принципе вращения корпуса гироблока реверсивным пьезоэлектрический двигателем, а азимут платформы ТГС определяется при помощи обработки информации о сигналах, снимаемых с датчика угла гироскопа. Однако применение данного способа ограничивается использованием реверсивного пьезоэлектрического двигателя, имеющего ряд значимых недостатков, основными из которых являются:

высокая стоимость, связанная с необходимостью дополнительного оборудования для изменения направления вращения;

меньшая эффективность: присутствие дополнительных механизмов для изменения направления вращения, что может негативно сказаться на эффективности работы;

сравнительно небольшая возможность выдерживать нагрузки;

сравнительно небольшой пусковой момент;

сравнительно небольшой диапазон мощностей;

недолговечная работа в условиях многократных включений и выключений двигателя и т.д.

Задачей изобретения является создание технического решения, позволяющего уменьшить присутствие дополнительных механизмов без ухудшения качества работы устройства. Данная задача решается тем, что корпус одного из гироскопов системы стабилизации, используемого в режиме двухстепенного гирокомпаса при измерениях, вращают в сторону меридиана по расчетной программе асинхронным двигателем, использование которого позволит устранить ряд приведенных выше недостатков прототипа [2]. Азимутальная ориентация платформы ТГС осуществляется при помощи обработки информации о сигналах, снимаемых с датчика угла гироскопа, при этом платформу ТГС приводят по азимуту к меридиану и держат в этом положении, в свою очередь один из гироскопов отключают от системы стабилизации платформы ТГС и используют в режиме двухстепенного гирокомпаса, горизонтирование и стабилизацию платформы ТГС относительно соответствующей оси стабилизации осуществляют акселерометром путем отключения его от датчика моментов гироскопа и подключения через усилитель к двигателю стабилизации.

Для пояснения сущности предложения рассмотрим динамическую модель движения гироскопа, соответствующую модели, приведенной в прототипе:

где J - момент инерции гироскопа;

β - угол поворота гироскопа относительно платформы;

ƒ - коэффициент демпфирования;

H - кинетический момент гироскопа;

- горизонтальная и вертикальная составляющие угловой скорости

вращения Земли;

A₀ - азимут платформы;

- статические ошибки системы горизонтирования платформы;

ω - скорость собственного ухода гироскопа.

При отсутствии возмущающих движение гироскопа факторов, то есть при углы поворота гироскопа относительно платформы под действием гироскопического момента будут определяться уравнением

Зная параметры гироблока (J,ƒ,H) и горизонтальную составляющую Ω_r угловой скорости вращения Земли, можно заранее рассчитать углы поворота гироскопа для всего времени измерений.

В реальных условиях функционирования ТГС при действии возмущений движение гироскопа будет незначительно отклоняться от расчетного движения на углы

Зависимость углов Δβ от возмущающих факторов можно установить из уравнения, которое получается после замены в уравнении учета малости углов и учета соотношения (2):

Знание этих углов дает возможность разработки алгоритмов определения точностных параметров ТГС, в том числе и азимута Α₀ - Для того, чтобы использовать эту возможность, в данном изобретении предлагается реализовать углы Δβ, поворачивая корпус одного из гироскопов по азимуту с помощью асинхронного двигателя [4,5] на расчетные углы . Тогда с датчика угла одного из гироскопов будут сниматься сигналы, соответствующие углу Δβ, которые могут непосредственно использоваться в алгоритме азимутальной ориентации платформы ТГС, например с помощью одного из оптимальных фильтров, реализуемого в соответствующем вычислительном устройстве.

В предлагаемом изобретении отпадает необходимость в применении реверсивного пьезоэлектрического двигателя, что позволяет устранить ряд приведенных выше недостатков прототипа. Конструкция гироскопа практически не требует доработки. Асинхронный двигатель реализует изменяющиеся углы поворота гироскопа к меридиану, что в конечном счете способствует максимальному повышению точности и снижению времени азимутальной ориентации платформы ТГС.

Таким образом, поставленная цель достигается тем, что один из гироскопов системы стабилизации, установленный на горизонтируемой платформе ТГС, выставленной по азимуту, используется как двухстепенный гирокомпас, корпус гироскопа вращается асинхронным двигателем в сторону меридиана по расчетной программе, а азимутальная ориентация платформы ТГС осуществляется путем обработки информации о сигналах, снимаемых с датчика угла гироблока, например, с помощью одного из оптимальных фильтров, реализуемого в соответствующем вычислительном устройстве.

Сравнительный анализ существенных признаков рассмотренных способов азимутальной ориентации и предлагаемого изобретения показывает, что предлагаемое изобретение отличается тем, что не используется широкодиапазонный датчик угла в гироскопе и реверсивный пьезоэлектрический двигатель. Повороты корпуса гироскопа в сторону меридиана на заранее определенные расчетные углы осуществляет асинхронный двигатель. Предлагаемое изобретение не требует доработок существующих двухстепенных гироскопов и платформы ТГС, позволяет непосредственно использовать информацию о сигналах, снимаемых с датчика угла гироскопа, для осуществления азимутальной ориентации платформы ТГС.

Источник информации

1. Ru 2649063, 2018 г.

2. Ru 2171542, 2001 г.

Изобретение относится к области гироскопических систем и может быть использовано для азимутальной ориентации платформы трехосного гиростабилизатора в высокоточных навигационных системах. Способ определения азимута платформы трехосного гиростабилизатора по измерению угла поворота одного из гироскопов заключается в том, что платформу трехосного гиростабилизатора приводят по азимуту к меридиану, один из гироскопов отключают от системы стабилизации платформы и используют в режиме двухстепенного гирокомпаса. Горизонтирование и стабилизацию платформы относительно соответствующей оси стабилизации осуществляют акселерометром путем отключения его от датчика момента гироскопа и подключения через усилитель к двигателю стабилизации. При этом корпус гироскопа, используемого в режиме двухстепенного гирокомпаса, при измерениях поворачивают асинхронным двигателем, а азимутальную ориентацию платформы трехосного гиростабилизатора осуществляют при помощи обработки информации о сигналах, снимаемых с датчика угла гироскопа. Технический результат - повышение точности и сокращение времени азимутальной ориентации платформы трехосного гиростабилизатора.

Способ определения азимута платформы трехосного гиростабилизатора по измерению угла поворота одного из гироскопов, заключающийся в том, что платформу трехосного гиростабилизатора приводят по азимуту к меридиану, один из гироскопов отключают от системы стабилизации платформы и используют в режиме двухстепенного гирокомпаса, горизонтирование и стабилизацию платформы относительно соответствующей оси стабилизации осуществляют акселерометром путем отключения его от датчика момента гироскопа и подключения через усилитель к двигателю стабилизации, отличающийся тем, что корпус гироскопа, используемого в режиме двухстепенного гирокомпаса, при измерениях поворачивают асинхронным двигателем, а азимутальную ориентацию платформы трехосного гиростабилизатора осуществляют при помощи обработки информации о сигналах, снимаемых с датчика угла гироскопа.