ГИРОКОМПАС

Полезная модель относится к области гироскопической техники и может быть использована в системах навигации.
Аналогом является гирокомпас «Гироинтегратор и компас», (А.С. №82895 (СССР), 1974), состоящий из корпуса, являющегося опорой и камеры тяжелого гороскопа, имеющего тонкую гибкую тонкую связь с опорой.
Ближайшими прототипом предлагаемого устройства являются: «Гирокомпас» (А.С. №801632 (СССР), 1981 г.), содержащий основание, являющееся опорой прибора, гибкий, тонкий тросик подвеса, измерительный элемент (гирокомпаса), собственно гироскопа.
Недостатками известных гирокомпасов являются:
- относительно низкая точность, обусловленная погрешностями гироскопических устройств;
- отсутствие возможности использования автоматических устройств для выставки или наведения в заданном направлении каких-либо объектов и низкое быстродействие.
Задачей полезной модели является разработка устройства гирокомпаса, в котором устранены недостатки аналога и прототипа.
Техническим результатом является повышение точности и быстродействия в определении ориентирного направления «Север-Юг» и возможность автоматической выставки в заданном направлении каких-либо объектов, нуждающихся в этом.
Технический результат достигается тем, что гирокомпас, содержащий основание, являющееся опорой прибора, измерительный элемент, согласно настоящей полезной модели, оси внешних рамок гироскопических интеграторов размещены соосно и на одной линии, датчики команд через сумматор, усилитель электрически связаны с датчиком момента, установленном на оси внутренней рамки одного из гироинтеграторов, датчики углов гироинтеграторов электрически связаны с обмотками роторов преобразователей координат, а сигнальные обмотки обоих статоров преобразователей координат через второй сумматор и усилитель - с двигателем приведения системы индикации.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена кинематическая схема гирокомпаса с указанием электрических связей, а на фиг. 2, а, б, - принципиальная схема преобразователей координат. Обозначения на чертежах:
1 и 2 - гироинтеграторы;
3 и 4 - датчики команд;
5 - индикатор;
6, 7 - сумматоры;
8 - усилитель;
9, 10, 11 - датчики момента;
12, 13 - преобразователи координат;
14 - основной усилитель преобразователь;
15 - двигатель приведения;
16, 17 - датчики углов;
18, 19 - узкополостные фильтры;
20, 21 усилители преобразователя;
Для фиг. 2, а, б:
- 3-3' - статорные обмотки ПК скрепленные с ГИ;
- 2-2' - статорные обмотки, скрепленные относительно 3-3' на угол 90°;
- 1-1' - роторная обмотка, соединенная с индикатором;
S-N - направление «Север-Юг»;
H1 и Н2 - векторы кинетических моментов;
ωt - текущее значение угла при повороте ротора;
ϕ - угол первоначального положения роторов гироинтеграторов, относительно направления «Север-Юг».
Гирокомпас содержит: два гироскопических интегратора 1, 2, выполненных по классической схеме и размещенных осями внешних рамок гироскопов соосно и на одной линии; систему подстройки, состоящую из двух датчиков команд 3, 4 и датчиков моментов 9, 10, установленных по осям внешних рамок, таким образом, что их роторы непосредственно закреплены на внешних осях гироинтеграторов 1, 2, а статоры - на основании прибора в целом, сумматора 6, усилителя 8 и датчика момента 11, установленного на оси внутренней рамки одного из гироинтеграторов 1, 2; систему индикации, состоящую из двух преобразователей координат 12, 13, роторы которых установлены на осях внешних рамок гироинтеграторов 1, 2, а статоры - подвижно относительно основания, сумматора 7, основного усилителя преобразователя 14 и индикатора 5 с двигателем приведения 15; систему ориентации, включающую в себя датчики углов 16, 17, узкополосные фильтры 18, 19, усилители преобразователя 20 и 21 и преобразователи координат 12, 13.
Принцип действия гирокомпаса основан на использовании горизонтальной составляющей вращения Земли и состоит в следующем.
1
0
2
0
α
Оба гироинтегратора прецессируют в противоположных направлениях с одинаковыми относительно основания угловыми скоростями, что обеспечивается системой подстройки, т.е. с датчиков команд 3, 4 после сумматора 6 снимается сигнал, пропорциональный углам (α-α)-(α-α)=α, который через усилитель 8 подается на датчик момента 11, размещенный по оси внутренней рамки одного из гироинтеграторов (например, 2). В результате обеспечивается равенство угловых скоростей прецессии гироинтеграторов 1 и 2.
1
2
где ось α, α - углы поворота основания гироскопа.
Поскольку угловая скорость вращения основания (предполагается угловая скорость вращения Земли) во много раз меньше скоростей прецессии гироинтеграторов, то из уравнения (1) следует, что по осям внешних рамок обоих гироинтеграторов 1 и 2, кроме постоянных по значению внешних возмущающих моментов, будут действовать гармонические моменты, обусловленные вращением Земли, следовательно, в датчиках углов 16, 17 по осям внутренних рамок гироинтеграторов 1 и 2, кроме постоянных по значению сигналов будут иметь место гармонические сигналы с частотой , соответствующей угловой скорости прецессии. С помощью узкополосных фильтров усилителей 18, 19 системы ориентации из результирующих сигналов датчиков углов 16, 17 выделяются гармонические сигналы, пропорциональные:
1
c
где β - величина угла, соответствующая сигналу (фиг. 1); К - коэффициент пропорциональности; m - масса ротора;  - величина отклонения центра масс ротора; Н - кинетический момент;  - скорость перемещения гироскопа относительно оси внутренней рамки гироинтегратора;  - ускорение перемещения гироскопа относительно оси внутренней рамки гироинтегратора.
Таким образом, момент созданной силами инерции относительно оси внешней скорости рамки вызовет прецессию гироскопа относительно оси внутренней рамки с угловой скоростью прецессии
npη
и связи между ω и β может быть выражена как
npη
инη
где ω - угловая скорость процессии внутренней рамки; М - момент сил инерции процессии внутренней рамки.
Сигналы, пропорциональные углам β по уравнению (2), поступают на роторные обмотки, которые фиксированы по направлению относительно векторов кинетических моментов (H1 и Н2) соответственно гироинтеграторов 1, 2 (фиг. 2 а, б) и жестко (неподвижно) с ними связаны. На статорах преобразователей координат размещено по две взаимно перпендикулярные обмотки, то есть синусные 2-2' и косинусные 3-3' обмотки. Причем статоры обоих преобразователей координат 12, 13 через индикатор 5 жестко скреплены между собой и имеют возможность поворачиваться относительно основания вокруг осей внешних рамок гироинтеграторов 2, 1 с помощью двигателя приведения 15 индикатора 5.
Таким образом, по роторным обмоткам преобразователей координат протекают электрические токи, пропорциональны углу, определяемому по уравнению (2). Тогда в статорных обмотках 2-2', 3-3' будут индуктироваться сигналы:
Для преобразователя координат 1:
Для преобразователя координат 2:
1
2
кη
где к, к - коэффициенты передачи; ω - значение угловой скорости процессии внешней рамки.
1
2
1
0
2
0
1
2
Если обеспечить в уравнениях (3, 4) равенство статических коэффициентов передачи, т.е. |к|=|к|, то напряжения в одноименных статорных обмотках будут одинаковыми в том случае, когда статоры обоих преобразователей координат 12, 13 в рассматриваемом случае своими синусными обмотками 2-2' расположены в направлении земного меридиана. Иными словами, разностные сигналы углов поворота основания α-α и α-α являются информацией для работы системы индикации. Сигнал после сумматора 7 и усилителя преобразователя 14 поступает на двигатель приведения 15, который обеспечивает равенство углов α=α=α.
Уравнения движения гирокомпаса записываются в предположении, что моменты сил трения и инерции, действующие по осям подвеса обоих гироинтеграторов предельно малы:
1
β
1
где  и  - ускорения по осям η и Z; K - коэффициент передачи по оси Х; F(β) - функция управления.
2
Аналогично и для второго гироинтегратора. Система обозначения осей координат и углов отклонений для гироинтегратора 1, показанная на фиг. 1 аналогична и для гироинтегратора 2 только с учетом того, что вектор Н направлен в противоположную сторону.
Что касается угла β, то введение системы подстройки значения угла β сводится к нулю. В этом случае, если в выражении (7)  отлично от нуля, то в статическом плане решение системы уравнений (7) будет иметь вид:
Как уже отмечалось выше, угловые скорости прецессии гироинтеграторов выбираются значительно большими по сравнению с угловой скоростью движения основания (например, угловой скорости вращения Земли).
Иными словами, углы прецессии гироинтеграторов 1, 2 за один и тот же промежуток времени будут одинаковыми.
Проведенные экспериментальные исследования с помощью компьютерных программ показали практическую реализуемость предложенного устройства и высокую точность в определении направления «Север-Юг».