Гирогоризонт с дискретной системой горизонтальной коррекции

 

Гирогоризонт относится к области гироскопической техники и предназначен для использования при измерении углов наклона подвижного объекта. Гирогоризонт содержит чувствительные элементы горизонта и гироузел. По ортогональным измерительным осям гироузла установлены датчики моментов и датчики угла. Гироузел и чувствительные элементы горизонта установлены на внутренней раме карданова подвеса. По осям внутренней и наружной рам установлены двигатели разгрузки и датчики выходной информации. Гирогоризонт включает в себя систему горизонтальной коррекции, состоящую из чувствительных элементов горизонта, усилителей и датчиков момента гироузла, систему силовой стабилизации, состоящую из датчиков угла гироузла, усилителей и двигателей разгрузки. С целью уменьшения динамической погрешности в гирогоризонт введены электронный коммутатор, генератор одиночных импульсов и программное устройство, причем выходы чувствительных элементов горизонта подключены к входам усилителя горизонтальной коррекции через электронный коммутатор, а вход электронного коммутатора через генератор одиночных импульсов подключен к выходу программного устройства. 3 ил.

Изобретение относится к области гироскопической техники, предназначено для стабилизации средств обнаружения цели и средств вооружения и для систем навигации подвижных объектов.

В настоящее время для измерения углов наклона подвижных объектов в системах стабилизации и навигации используются гироскопические датчики крена, гировертикали, гирогоризонты, построенные по схеме стабилизированных в плоскости горизонта платформ индикаторного типа. Гирогоризонты конструктивно выполнены или в виде отдельных приборов, или как составная часть комплексированных систем курсокреноуказания, в том числе самоориентирующихся.

Ближайшим аналогом предлагаемого изобретения является гирогоризонт системы курсокреноуказания СГККУ...004 или системы самоориентирующейся ССГККУ... 013 [1], который представлен на фиг. 1.

Гирогоризонт содержит гироузел 5, по ортогональным измерительным осям которого расположены датчики момента 7, 13 и датчики угла 6, 12. Гироузел 5 и чувствительные элементы горизонта 8, 14 установлены на внутренней раме 11 карданова подвеса. По осям внутренней 11 и наружной 10 рам карданова подвеса установлены двигатели разгрузки 16 и 4, датчики выходной информации 2 и 9 соответственно.

Выходы чувствительных элементов горизонта 8, 14 через усилители горизонтальной коррекции 3, 17 подключены к входам соответствующих датчиков момента 7, 13 гироузла 5, а выходы датчиков угла 6, 12 гироузла 5 через усилители мощности 1, 15 подключены к входам соответствующих двигателей разгрузки 4, 16. Информация об углах наклона объекта с датчиков выходной информации 2, 9 поступает на вход систем стабилизации и навигации.

Работа гирогоризонта происходит следующим образом. При отклонении платформы от плоскости горизонта относительно, например, оси внутренней рамы 11 карданова подвеса, сигнал с чувствительного элемента горизонта 14 через усилитель горизонтальной коррекции 17 поступает на вход датчика момента 13, развивающего момент, под действием которого главная ось гироскопа гироузла 5 прецессирует к положению местной вертикали. При этом сигнал с датчика угла 12 через усилитель мощности 15 поступает на управляющие обмотки двигателя разгрузки 16, развивающего момент, под действием которого отрабатывается прецессия гироскопа и внутренняя рама 11 карданова подвеса разворачивается в плоскость горизонта. Аналогично происходит отработка при отклонении платформы от плоскости горизонта относительно оси наружной рамы 10 карданова подвеса.

При движении объекта, на котором установлен гирогоризонт, на чувствительные элементы горизонта 8, 14 действуют ускорения, вызванные эволюциями движения объекта (разгон, торможение, развороты, качка). Эти ускорения вызывают отклонения (смещения) чувствительных элементов горизонта. При этом главная ось гироскопа гироузла 5 под действием горизонтальной коррекции отклонится от направления истинной вертикали к направлению кажущейся вертикали относительно продольной оси (оси подвеса наружной рамы) и поперечной оси (оси подвеса внутренней рамы) соответственно на углы β₁ и β₂, величины которых определяются соотношениями β₁ = arctg(a₂\g) ≈ a₂/g, β₂ = arctg(a₁\g) ≈ a₁/g, где a₁ - проекция линейного ускорения на продольную ось, a₂ - проекция линейного ускорения на поперечную ось, g - ускорение силы тяжести.

При этом динамическая погрешность β_д гирогоризонта, т.е. отклонение внутренней рамы 11 карданова подвеса от плоскости горизонта, определяется соотношением β_д = ω_кt, где ω_к- скорость прецессии гироскопа от горизонтальной коррекции, t - длительность линейного ускорения.

Недостатком указанного гирогоризонта является относительно высокая динамическая погрешность.

Скорость прецессии гироскопа от горизонтальной коррекции ω_к определяется параметрами чувствительного элемента горизонта, усилителя горизонтальной коррекции и датчика момента гироузла, выбирается из конкретных требований по точности, исходя из реальных условий эксплуатации объекта. Применяемые в вышеназванных системах (аналогах) в качестве чувствительных элементов горизонта датчики жидкостные маятниковые имеют смешанную (линейную с насыщением) характеристику зависимости тока I от угла наклона β с малой зоной линейности, от 10 до 20 угловых минут, поэтому отклонение гироскопа от положения вертикали происходит практически с максимальной скоростью (при насыщении). Снижение скорости коррекции с целью уменьшения динамической погрешности гирогоризонта ограничено статической погрешностью, определяемой соотношением β_д = ω_др/ω_к,
где ω_др- скорость ухода гироскопа, определяемая собственным уходом гироскопа и уходом истиной вертикали места в пространстве под действием горизонтальной составляющей скорости вращения Земли.

Применяемые в настоящее время в системах курсокреноуказания гироскопы, например динамически настраиваемые вибрационные гироскопы, имеют случайный дрейф от 0,01 до 0,05 градусов в час, поэтому определяющей при выборе скорости прецессии гироскопа от горизонтальной коррекции является величина ω_г горизонтальной составляющей скорости вращения Земли
ω_г = ω₃•cosΦ,
где ω₃ = 15 град/ч, угловая скорость вращения Земли,
Φ- значение географической широты местонахождения объекта.

На практике настройка прибора ведется, исходя из обеспечения оптимального соотношения динамической и статической погрешности гирогоризонта. При этом скорость прецессии гироскопа от горизонтальной коррекции составляет не менее 1 градуса в минуту.

Современные средства навигации, обнаружения цели и другие, установленные на подвижных объектах, предъявляют к гирогоризонту как первичному датчику информации все более возрастающие требования по точности, при этом для систем, работающих в движении, определяющей становится динамическая составляющая погрешности.

Изобретение направлено на повышение точности гирогоризонта за счет снижения динамической составляющей погрешности. Это достигается тем, что в гирогоризонт, содержащий карданов подвес, состоящий из рамы внутренней и рамы наружной с установленными по осям подвеса двигателями разгрузки и датчиками выходной информации, чувствительные элементы горизонта, установленные на раме внутренней карданова подвеса, усилители горизонтальной коррекции и усилители мощности, гироузел, установленный на раме внутренней карданова подвеса и имеющий измерительные оси, образованные ортогонально размещенными датчиками момента и датчиками угла, причем выходы чувствительных элементов горизонта через усилители горизонтальной коррекции подключены к входам соответствующих датчиков момента гироузла, а выходы датчиков угла гироузла через усилители мощности подключены к входам соответствующих двигателей разгрузки, введены электронный коммутатор, генератор одиночных импульсов и программное устройство, причем выходы чувствительных элементов горизонта подключены к входам усилителей горизонтальной коррекции через электронный коммутатор, а вход электронного коммутатора через генератор одиночных импульсов подключен к выходу программного устройства.

На фиг. 1 представлена функционально-кинематическая схема прототипа. На фиг. 2 представлена функционально-кинематическая схема предлагаемого гирогоризонта. На фиг. 3 представлена циклограмма работы системы горизонтальной коррекции предлагаемого гирогоризонта.

Гирогоризонт с дискретной системой горизонтальной коррекции содержит гироузел 5, по ортогональным измерительным осям которого расположены датчики момента 7, 13 и датчики угла 6, 12. Гироузел 5 и чувствительные элементы горизонта 8, 14 установлены на внутренней раме 11 карданова подвеса. По осям внутренней 11 и наружной 10 рам карданова подвеса установлены двигатели разгрузки 16 и 4, датчики выходной информации 2 и 9 соответственно.

Выходы чувствительных элементов горизонта 8, 14 подключены к усилителям горизонтальной коррекции 3, 17 через электронный коммутатор 18, вход которого последовательно через генератор одиночных импульсов 19 подключен к выходу программного устройства 20.

Выходы усилителей горизонтальной коррекции 3, 17 подключены к входам соответствующих датчиков момента 7, 13 гироузла 5, а выходы датчиков угла 6, 12 гироузла 5 через усилители мощности 1, 15 подключены к входам соответствующих двигателей разгрузки 4, 16. Информация об углах наклона объекта с датчиков выходной информации 2, 9 поступает на вход систем стабилизации и навигации.

Работа предлагаемого гирогоризонта с дискретной системой горизонтальной коррекции происходит следующим образом. При включении гирогоризонта программное устройство 20 в соответствии с циклограммой (фиг. 3) включает генератор одиночных импульсов 19, который подает на вход электронного коммутатора 18 управляющие импульсы. При этом электронный коммутатор 13 подключает выходы чувствительных элементов горизонта 8, 14 к входу соответствующих усилителей горизонтальной коррекции 3, 17. С выхода усилителей горизонтальной коррекции 3, 17 управляющие сигналы поступают на вход датчиков момента 7, 13 соответственно, развивающих моменты на время действия одиночных импульсов, под действием которых главная ось гироскопа гироузла 5 прецессирует к положению местной вертикали.

Работа системы стабилизации внутренней рамы в плоскости горизонта происходит следующим образом. Сигналы с датчика угла 6, 12 через усилители мощности 1, 15 поступают на управляющие обмотки двигателей разгрузки 4, 16 соответственно, развивающих моменты, под действием которых отрабатывается прецессия гироскопа и внутренняя рама 11 карданова подвеса разворачивается в плоскость горизонта.

Циклограмма, представленная на фиг. 3, предусматривает непрерывное включение горизонтальной коррекции на время T_гот разгона гироскопа и выход платформы в плоскость горизонта, т.е. на время готовности прибора, заданного тактико-техническими требованиями. Далее генератор 19 переключает электронный коммутатор 18 на режим дискретной коррекции с цикличностью T_цикл. Период T_цикл включает в себя время включения коррекции T_вкл и время отключения коррекции T_выкл:
T_цикл = T_вкл + T_выкл
Соотношение периодов T_вкл и T_выкл должно обеспечивать выборку ошибки гирогоризонта, накопившейся в режиме некорректирующегося гироскопа, и определяется условиями эксплуатации и требованиями к точностным характеристикам гирогоризонта.

Проведем сравнительную оценку динамической погрешности гирогоризонта прототипа и гирогоризонта с дискретной системой горизонтальной коррекции со следующими исходными данными:
ω_к = 1 град/мин - скорость прецессии гироскопа от горизонтальной коррекции;
T_цикл = 9 с - период цикла;
T_вкл = 3 с - период включения коррекции;
T_выкл = 6 с - период выключения коррекции;
t = 9 с - длительность линейного ускорения.

Динамическая погрешность гирогоризонта с горизонтальной коррекцией прототипа
β_д = ω_кt = 1•9 = 9 [угл.мин.].
Динамическая погрешность гирогоризонта с дискретной горизонтальной коррекцией за время действия коррекции T_вкл = 3 с
β_д1 = ω_кT_вкл= 1•3 = 3 [угл.мин.].
Максимальная (на экваторе) погрешность гирогоризонта с дискретной коррекцией под действием горизонтальной составляющей суточной скорости вращения Земли при свободном некорректируемом гироскопе за время выключения коррекции T_выкл = 6 с (собственным дрейфом гироскопа из-за малой величины от 0,01 до 0,005 градусов в час пренебрегаем)
β_д2 = ω₃•cosΦ•T_вкл= 0,25•1•6 = 1,5 [угл.мин.].
Так как β_д1 и β_д2- независимые величины, динамическая погрешность гирогоризонта с дискретной системой горизонтальной коррекции
β_д = √β²_д2+β²_д2 = 3,4 [угл.мин.].
При сравнении величины динамических погрешностей прототипа и предлагаемого гирогоризонта с дискретной системой горизонтальной коррекции очевидно, что гирогоризонт с дискретной системой горизонтальной коррекции позволит значительно уменьшить динамическую погрешность по сравнению с прототипом. Особенно эффективна дискретная коррекция при действии длиннопериодных качек объекта, разворотах и торможениях.

В качестве гироскопа гироузла гирогоризонта могут быть использованы динамически настраиваемые гироскопы, например, типа ГВК (гироскоп с внутренним карданом) или модуляционные гироскопы и другие. 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 гироскопа и его технических характеристик.

В качестве датчиков выходной информации могут быть использованы датчики любого типа, преобразующие механический угол поворота в электрический сигнал - аналоговый или цифровой. Это могут быть сами датчики аналогового типа, например синусно-косинусные вращающиеся трансформаторы, или датчики с преобразователями, если требуется, в цифровой код. Преобразователи могут быть любого типа - фазовые, амплитудные и т.д.

В качестве чувствительных элементов горизонта могут быть использованы датчики различного типа, например, жидкостные маятниковые переключатели, акселерометры и т.д.

В качестве электронного коммутатора могут быть использованы устройства различного типа - электромеханические (реле), электронные (на микросхемах и других радиоэлементах).

В качестве программного устройства и генератора одиночных импульсов могут быть использованы различные электронные устройства, способные сформировать управляющие коды для электронного коммутатора в соответствии с определенной циклограммой работы дискретной системы горизонтальной коррекции.

Предлагаемое изобретение может быть использовано при разработке датчиков углов наклона, курсокреноуказателей, самоориентирующихся систем для автономных систем навигации, стабилизации и позволяет значительно повысить точность измерения углов наклона объекта, точность стабилизации горизонтальной платформы для курсового гироузла курсокреноуказателей и самоориентирующихся систем и, как следствие, точность курсовых систем, систем стабилизации и навигации подвижных объектов.

Литература
1. Система самоориентирующаяся гироскопическая курсокреноуказания. Технические условия АЮИЖ.462515.013 ТУ. ВНИИ "Сигнал", г.Ковров, 1996 г.

2. Изделие 1Т215М. Техническое описание АЮИЖ. 462414.020 ТО. ВНИИ "Сигнал", г.Ковров, 1998 г.

Формула изобретения

Гирогоризонт, содержащий карданов подвес, состоящий из рамы внутренней и рамы наружной с установленными по осям подвеса двигателями разгрузки и датчиками выходной информации, чувствительные элементы горизонта, установленные на раме внутренней карданова подвеса, усилителя горизонтальной коррекции и усилители мощности, гироузел, установленный на раме внутренней карданова подвеса и имеющий измерительные оси, образованные ортогонально размещенными датчиками момента и датчиками угла, причем выходы чувствительных элементов горизонта через усилители горизонтальной коррекции подключены к входам соответствующих датчиков момента гироузла, а выходы датчиков угла гироузла через усилители мощности подключены к входам соответствующих двигателей разгрузки, отличающийся тем, что в гирогоризонт введены электронный коммутатор, генератор одиночных импульсов и программное устройство, причем выходы чувствительных элементов горизонта подключены к входам усилителей горизонтальной коррекции через электронный коммутатор, а вход электронного коммутатора через генератор одиночных импульсов подключен к выходу программного устройства.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3