Выключатель цепей коррекции гироскопических приборов ориентации на вираже
CORRECTION CIRCUIT BREAKER OF GYROSCOPIC ORIENTATION APPARATUSES IN A TURN

Изобретение относится к измерительной технике гироскопического приборостроения и предназначено для повышения точности работы гироскопических приборов: гировертикалей, гирополукомпасов, курсовертикалей при выполнении самолётом виража.
Известен выключатель коррекции ВК-53РБ (Выключатель коррекции ВК-53РБ. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. М.: Оборонгиз,1952), предназначенный для выключения систем маятниковой коррекции гироскопических приборов на вираже летательного аппарата и включающий в себя: двухстепенной гироскоп с входной осью, направленной по нормальной оси самолета, и электромеханическое устройство задержки времени, собранного на базе ламельного датчика, двигателя типа ДИД-0,5, редуктора, потенциометра обратной связи и контактного диска, включенного в цепь электромагнитного реле. При срабатывании реле его контакты размыкает цепи коррекции гироскопических приборов.
Недостатками аналога являются: 1) большой разброс времени выключения и включения коррекции гироскопических приборов за счёт разброса параметров входящих блоков и зависимости их от температуры; 2) имеются механические контакты, потенциометр, которые снижают надежность работы выключателя коррекции.
Известен выключатель коррекции ВК-90М (Выключатель коррекции ВК-90М. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. М.: Машиностроение,1975г), принятый за прототип, состоящий из поплавкового гироскопа с двумя степенями свободы, гашение колебаний подвижной системы которого осуществляется при помощи гидравлического демпфера, а противодействующим элементом является магнитная пружина. При угловой скорости виража больше минимально допустимой релейный датчик угла выдает сигнал на включение электронной цепи задержки времени с исполнительными элементами в виде электромагнитных реле, контакты которых включены в цепи коррекции гироскопических приборов и размыкают их после заданного времени задержки.
Недостатки ВК-90М: 1) низкая точность задержки времени выключения или включения коррекции гироскопических приборов за счёт разброса параметров электрических элементов реле времени при изменении температуры; 2) уменьшение надежности за счёт износа контактов электромеханических реле; 3) выходной датчик угла контактного типа, который подключен к реле времени, также снижает надежность работы выключателя коррекции. Указанные недостатки снижают эффективность выключателя коррекции.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении эффективности выключения (включения) коррекции гироскопических приборов ориентации при выполнении самолётом виража.
новым является то,
Технический результат достигается тем, что в выключателе цепей коррекции гироскопических приборов ориентации на вираже, содержащем гироскопический датчик угловой скорости, входная ось которого ориентирована по нормальной оси самолета, состоящий из поплавкового узла с гиромотором, на оси подвеса которого установлена магнитная пружина и выходной датчик угла контактного типа, выход которого соединен с электронным реле времени, выход которого подключен к «N» управляемым входам электромагнитных коммутаторов, сигнальные входы-выходы которых включены в цепи коррекции гироскопических приборов ориентации,  что выходной датчик угла выполнен бесконтактным, подключенным на вход логического элемента «ИЛИ», а реле времени реализовано программно в микроконтроллере, вход которого подключен к выходу логического элемента «ИЛИ», а выход разовых команд - 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, размыкающая сигнальные входы-выходы аналогового коммутатора, а при выполнении в микроконтроллере условия
,
на его выходе будет логический ноль, замыкающий сигнальные входы-выходы аналогового коммутатора,
где  - логическая переменная на выходе элемента «ИЛИ»,  - текущее время виража, отсчитываемое с момента анализа переменной ,  и  - заданные временные задержки на отключение и включение цепей коррекции.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1, на которой приведена структурная схема устройства.
Здесь на фигуре приняты следующие обозначения:
1 - поплавковый датчик угловой скорости (ДУС), построенные по схеме с магнитной пружиной;
2 - поплавковый узел ДУС;
3 - гиромотор;
4 - поддерживающая жидкость;
5 - магнит магнитной пружины;
6 - магнитопровод магнитной пружины;
7 - ротор-заслонка датчика угла;
8.1и 8.2 - оптопары (светодиод и фотодиод);
9 - логический элемент «ИЛИ»;
10 - микроконтроллер (МК);
11 - аналоговый коммутатор (АК);
N
12-15 - гироскопические приборы (например, гировертикали, гирополукомпас, курсовертикаль, для примера указано четыре прибора, т.е. =4);
- нормальная ось;
- местная вертикаль;
- ось подвеса поплавкового узла;
- угловая скорость виража;
- питание оптопар;
- выходные сигналы оптопар;
- логическая переменная на выходе логического элемента «ИЛИ»;
- напряжения питания цепей коррекции гироприборов;
- кинетический момент ротора гиромотора ДУС;
- гироскопический момент;
- момент магнитной пружины.
В соответствии с фиг. 1 гироскопическая часть выключателя коррекции содержит: датчик угловых скоростей 1, основными элементами которого являются поплавковый узел 2, который взвешен в специальной жидкости и в рамке которого установлен гиромотор 3 с кинетическим моментом . Жидкость разгружает опоры подвеса, что уменьшает момент сил сухого трения и повышает чувствительность к угловой скорости, а также служит демпфером. С поплавковым узлом связан магнитопровод 6, а с корпусом - магнит 5, которые образуют магнитную пружину, служащую для приведения поплавкового узла в исходное положение при отсутствии входной угловой скорости. Угол поворота поплавкового узла измеряется релейным бесконтактным датчиком угла, состоящим из ротора-заслонки 7, жестко закрепленном на поплавковом узле, и двух оптопар 8.1 и 8.2, жестко закрепленных на корпусе и разведенных на заданные углы относительно оси симметрии. Для компенсации изменения объема жидкости в зависимости от температуры служит сильфон, который условно не показан, так как не относится к существу изобретения.
Измерительная часть состоит из бесконтактного датчика угла 7, 8.1 и 8.2, логического элемента «ИЛИ» 9 и микроконтроллера 10. На виде по стрелке А ротор-заслонка 7 изображена в нейтральном, не отклоненном положении. Однако при левом вираже она будет отклоняться тоже влево и сработает оптопара 8.1, при правом вираже ротор-заслонка будет отклоняться тоже вправо, и сработает оптопара 8.2.
N
N
N
Силовая часть, которая размыкает и замыкает цепи коррекции гироскопических приборов ориентации, состоит из аналогового коммутатора 11, на управляющий вход которого подключен выход разовых команд микроконтроллера 10. Аналоговый коммутатор11 имеет также  сигнальных входов и  сигнальных выходов, где  - число цепей гироприборов, которые необходимо размыкать на вираже при выполнении определенных условий.
Выключатель коррекции работает следующим образом.
Если угловая скорость виража находится в диапазоне , то возникающий гироскопический момент  относительно оси Z поплавкового узла будет недостаточным, чтобы пересилить момент  магнитной пружины и отклонить ротор-заслонку 7 на угол, необходимый для срабатывания оптопары 8.1-8.2. При этом на выходе оптопары будет нулевой потенциал, а на выходе элемента «ИЛИ» будет  (логический ноль) и, соответственно, на выходе микроконтроллера 10 также будет логический ноль. Аналоговый коммутатор 11 при этом не сработает и его сигнальные входы и сигнальные выходы останутся замкнутыми, а, следовательно, и цепи коррекции гироприборов также будут замкнуты.
Аналогично, если угловая скорость виража , но время ее действия удовлетворяет условию , то работа будет происходить так же, как и в выше рассмотренном случае, и цепи коррекции останутся замкнутыми.
Если угловая скорость виража находится в диапазоне , то возникающего гироскопического момента  будет достаточно, чтобы пересилить момент  магнитной пружины и отклонить ротор-заслонку 7 на угол, необходимый для срабатывания одной из оптопар 8.1 или 8.2. При этом на выходе одной из оптопар будет высокий потенциал, а на выходе элемента «ИЛИ» будет  (логическая единица). И если  будет действовать в течение времени , на выходе микроконтроллера 10 также будет логическая единица. Аналоговый коммутатор 11 при этом сработает и его сигнальные входы и сигнальные выходы размыкаются, а следовательно, и цепи коррекции гироприборов также станут разомкнуты.
При левом и правом виражах поплавковый узел будет отклоняться в разные стороны, но на выходе логического элемента «ИЛИ» будет логическая единица независимо от направления виража.
После завершения виража коррекция гироприборов должна восстановиться. На обратный переход также вводится временная задержка. Допустим, что  или вообще , но время нахождения в таком состоянии, которое формируется таймером микроконтроллера, меньше заданного, т.е.  (такая ситуация возможна, если в результате возмущений на некоторое время увеличилась угловая скорость виража, т.е. ). В этом случае аналоговый коммутатор останется в прежнем состоянии и его сигнальные входы и сигнальные выходы останутся разомкнутыми. А программный таймер микроконтроллера обнулится и начнет новый отсчет при новом условии, когда . При этом ротор-заслонка перекроет прохождения света от свето-диода к фото-диоду оптопар 8, на их выходах будет нулевой потенциал, и на выходе логического элемента «ИЛИ» будет логический ноль, т.е. . И только тогда, когда это условие будет выполняться в течение времени , на выходе микроконтроллера появится сигнал логического ноля, который поступит на управляющий вход аналогового коммутатора 11, что приведет к замыканию его сигнальных входов и выходов, а следовательно, к восстановлению работы коррекций гироприборов.
Алгоритм работы микроконтроллера:
1. Считывание на каждом такте (шаге) сигнала логического элемента «ИЛИ»
,
который в действительности будет равен либо логическому нолю (когда ), либо логической единице (когда ).
2. Анализ на каждом такте значения логической переменной
.
3. Если (), то запускается таймер и, если при этом выполняется условие
,
где  - текущее время таймера, отсчитываемое от момента начала выполнения виража (условия );  - заданная временная задержка на отключение цепей коррекции, то микроконтроллер 10 вырабатывает разовую команду в виде логической единицы, которая, поступая на управляющий вход аналогового коммутатора 11, вызывает размыкание сигнальных входов с сигнальными выходами соответствующими ключами, а так как они включены в управляющие цепи гироскопических приборов 12; 13; 14…15 (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. Если произошло срабатывание аналогового коммутатора и цепи коррекции были разомкнуты, то после завершения виража 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  - 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 аналогового коммутатора 11, вызывает 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 12; 13; 14…15 будут восстановлены.
Если в течение времени  нарушится выполнения условия , то таймер обнуляется, и процесс анализа запускается сначала.
Таким образом, по сравнению с известным гироскопическим выключателем коррекции ВК-90М выключатель коррекции, построенный на основе модернизации выходного датчика угла гироскопической части и введения программно управляемого реле времени в микроконтроллере и аналогового коммутатора, имеет следующие преимущества:
1. Более точно и надежно настраиваются параметры программного реле времени (линии задержки) и они становятся независимыми от изменения температуры.
2. Повышается надежность и эффективность выключателя коррекции.
3. Программная настройка линии задержки позволяет адаптировать выключатель коррекции для применения на различных типах самолетов.
Предлагаемое устройство может быть реализовано на стандартных электронных комплектующих, основными из которых являются микроконтроллер и аналоговый коммутатор. После проведенного анализа были выбраны: микроконтроллер STM32F030F4P6 и аналоговый коммутатор серии 5400ТР054-00 (или его аналог 590КН-4).