ГИРОКОМПАС ЛАЗЕРНЫЙ

Полезная модель относится к приборостроению и может быть использована для создания лазерного гирокомпаса (ЛТК), представляющего собой гирокомпас статического типа, который измеряет проекции ускорения свободного падения на измерительные оси акселерометров и проекцию угловой скорости вращения Земли на ось чувствительности лазерного датчика угловой скорости (гироскоп), которая расположена в плоскости горизонта. По измеренной проекции угловой скорости вращения Земли на ось чувствительности гироскопа определяется азимут ЛТК и оси визирования, значение которого передается в ЭВМ основного изделия, на котором установлен ЛТК. По измеренным проекциям ускорения свободного падения на измерительные оси акселерометров определяются углы наклона ЛТК (угол крена и угол тангажа) и, соответственно, основного изделия к плоскости местного горизонта.
Известно устройство, содержащее гироблок, оптическое визирное устройство, треногу с устройством горизонтирования, автономный источник питания, причем, гироблок включает измерительно-вычислительное устройство, гироузел, датчики наклона, а гироузел установлен с возможностью вращения относительно гироблока и содержит гироскопический чувствительный элемент, имеющий одну или несколько измерительных осей, связанных с измерительно-вычислительным устройством, причем измерительные оси гироскопического чувствительного элемента перпендикулярны оси вращения гироузла, при этом, выходы датчиков наклона соединены с устройством горизонтирования, которое содержит контроллер системы горизонтирования, микропереключатели, редукторы, исполнительные электродвигатели, причем, входы контроллера системы горизонтирования являются входами устройства горизонтирования для датчиков наклона, дополнительные входы контроллера системы горизонтирования соединены с выходами микропереключателей, а выходы контроллера системы горизонтирования подключены к исполнительным электродвигателям, которые через редукторы связаны с гироблоком [RU 2215263, C1, G01C 19/38, 27.10.2003].
Недостатком устройства является относительно низкая точность в условиях изменений внешней температуры.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному является устройство, содержащее корпус с установленным на платформе в кардановом подвесе динамически настраиваемым гироскопом, снабженным двумя датчиками угла и двумя датчиками момента, расположенные на платформе датчик наклона платформы относительно горизонтальной оси вращения и термодатчик, установленные по осям карданова подвеса платформы, третий и четвертый датчики момента, установленный на вертикальной оси карданова подвеса третий датчик угла, два усилителя и блок формирования управляющих и корректирующих сигналов, при этом, выходы первого и второго датчиков угла гироскопа соединены через соответствующие усилители с третьим и четвертым датчиками момента, выход датчика наклона платформы соединен с первым входом блока формирования управляющих и корректирующих сигналов, третий, четвертый и пятый входы которого соединены соответственно с выходом третьего датчика угла, источником сигнала о широте места и источником сигнала о скорости объекта, а выходы подключены к первому и второму датчикам момента гироскопа, а также формирователь сигнала термокомпенсации, через который выход термодатчика связан с выходами блока формирователя управляющих и корректирующих сигналов, второй вход которого является входом формирователя сигнала термокомпенсации [RU 2073206, С1, G01C 19/38, 10.02.1997].
Недостатком устройства является относительно низкая точность и относительно узкие функциональные возможности, обусловленные, в частности тем, что, в известном устройстве не определяются азимут устройства и оси визирования, что часто необходимо для функционирования основного изделия, на котором размещено устройство.
Требуемый технический результат заключается в повышении точности и расширении функциональных возможностей.
Требуемый технический результат достигается тем, что, в устройство, содержащее гироскоп и термодатчик, введены уровень горизонтирования, выполненный в виде акселерометра крена и акселерометра тангажа, плата питания и коммутации, вход сигнала крена и вход сигнала тангажа которой соединены с выходами акселерометра крена и акселерометра тангажа, соответственно, одноплатный микрокомпьютер, первый, второй и третий сигнальные входы которого соединены с первым, вторым и третьим сигнальными выходами платы питания и коммутации, соответственно, вход питания соединен с выходом питания платы питания и коммутации, а первый вход-выход соединен с входом-выходом основного изделия, на котором установлен гирокомпас лазерный, блок электроники жизнеобеспечения, вход приема сигнала термодатчика которого соединен с выходом термодатчика, а первый вход-выход - соединен со вторым входом - выходом одноплатного микрокомпьютера, блок поджига, вход управления которого соединен с выходом управления поджигом блока электроники жизнеобеспечения, первый и второй выходы питания которого соединены, соответственно, с первым и вторым входами питания гироскопа, выполненного в виде лазерного гироскопа, первый, второй и третий сигнальные выходы и вход-выход которого соединены с первым вторым и третьим сигнальными входами и со вторым входом-выходом блока электроники жизнеобеспечения, соответственно.
На чертеже представлена функциональная схема гирокомпаса лазерного.
Гирокомпас лазерный содержит корпус (на чертеже не показан) в котором установлены гироскопм 1, выполненным в виде лазерного гироскопа, и термодатчик 2.
Кроме того, гирокомпас лазерный содержит уровень горизонтирования, содержащий акселерометр 3 крена и акселерометр 4 тангажа, плата 5 питания и коммутации, вход сигнала крена и вход сигнала тангажа которого соединены с выходами акселерометра 3 крена и акселерометра 4 тангажа, соответственно.
Гирокомпас лазерный содержит также одноплатный микрокомпьютер 6, первый, второй и третий сигнальные входы которого соединены с первым, вторым и третьим сигнальными выходами платы 5 питания и коммутации, соответственно, вход питания соединен с выходом питания платы 5 питания и коммутации, а первый вход-выход соединен с входом-выходом основного изделия, на котором установлено устройство.
Дополнительно к отмеченному гирокомпас лазерный содержит блок 7 электроники жизнеобеспечения, вход приема сигнала термодатчика которого соединен с выходом термодатчика 2, а первый вход-выход - соединен со вторым входом - выходом одноплатного микрокомпьютера 6, блок 8 поджига, вход управления которого соединен с выходом управления поджигом блока 7 электроники жизнеобеспечения, первый и второй выходы питания которого соединены, соответственно, с первым и вторым входами питания гироскопа 1, первый, второй и третий сигнальные выходы которого соединены с первым вторым и третьим сигнальными входами блока 7 электроники жизнеобеспечения, соответственно, а вход-выход - соединен со вторым входом-выходом блока электроники жизнеобеспечения.
Работает гирокомпас лазерный следующим образом.
Плата 5 питания и коммутации служит для передачи сигналов акселерометров крена и тангажа в одноплатный компьютер для их преобразования по приведенным ниже соотношениям. Кроме того, плата 5 формирует напряжение питания для одноплатного микрокомпьютера 6, который интерфейсом связан с основным изделием.
Блок 7 электроники жизнеобеспечения обеспечивает соответствующие температурные режимы внутри корпуса ЛТК, формирует команды на поджиг лазерного гироскопа 1 через блок 8, формирующий напряжение поджига, и транслирует сигналы гироскопа 1 в одноплатный микрокомпьютер для использования в расчетах и трансляции результатов в основное изделие.
Включение гирокомпаса лазерного (ЛГК) происходит при подаче питания на плату 5 питания и коммутации от источника питания, например «27В». В результате на вход питания одноплатного микрокомпьютера 6 подается сформированное платой 5 питание и он проводит внутренние тесты, включая обмен информации с бортовыми системами основного изделия, включения счетчика времени работы в данном сеансе и счетчика времени суммарной наработки, а также передает в бортовые системы свой идентификационный код т т.п.
танг
i
2
Если все параметры в норме, то ЛТК выдает сигнал о готовности к работе, после которого измеряется напряжение на выходе акселерометра тангажа 4 и рассчитывается ускорение акселерометра тангажа а, м/с, по формуле:
аmанг
где к - масштабный коэффициент акселерометра тангажа;
тангi
U, - измеренное напряжение на выходе акселерометра тангажа. В;
танг0
U - нулевое смещение напряжение акселерометра тангажа, В.
тангвибро
2
По накопленным за последнюю секунду показаниям рассчитывается амплитуда виброускорения акселерометра тангажа а; м/с, по формуле:
mангmax
2
где а - максимальное значение ускорения акселерометра тангажа, м/с;
mангmin
2
a- минимальное значение ускорения акселерометра тангажа, м/с.
В течение каждой секунды рассчитывается угол тангажа β°, по формуле:
2
где g - среднее значение ускорения силы тяжести в данной местности, м/с
E
-2
2
-4
2
2
g=g·(1+0,53171·10·Sinφ+0,284·10·Соsφ·Sinφ),
E
2
g=9,780490 - ускорение на экваторе, м/с
φ - широта места точки стояния.
крен
i
2
Одновременно с измерением напряжения на выходе акселерометра тангажа производится измерение напряжения на выходе акселерометра крена и рассчитывается ускорение акселерометра крена а, м/с, по формуле:
акрен
2
где К - масштабный коэффициент акселерометра крена, записанный в памяти модуля микроконтроллера, м/(с·В);
кренi
U - измеренное напряжение на выходе акселерометра крена, В;
крен0
U - нулевое смещение напряжение акселерометра крена, записанное в памяти модуля микроконтроллера, В.
крен вибро
2
По накопленным за последнюю секунду показаниям рассчитывается амплитуда виброускорения акселерометра крена а; м/с, по формуле:
,
танг max
2
где а' - максимальное значение ускорения акселерометра крена, м/с;
танг min
2
а минимальное значение ускорения акселерометра крена, м/с.
Каждую секунду рассчитывается угол крена α,°, по формуле:
2
где g - среднее значение ускорения силы тяжести в данной местности, м/с,
E
-2
-4·
2
2
g=g·(1+0,53171·10·Sin2φ+0,284·10Cosφ·Sinφ),
E
2
g=9,780490 - ускорение на экваторе, м/с;
φ - широта места точки стояния.
Состояние ЛТК, соблюдение условий по значениям виброускорений и результаты измерений, каждую одну секунду передаются в основное изделие от акселерометров через плату 5 и одноплатный компьютер 6.
Для определения азимута визирную трубу необходимо направить на выбранный ориентир, т.е. установить ЛГК в «начальное» положение.
В этом положении после подтверждения правильности наведения на ориентир ЛГК должен получить от основного изделия значение угломера на данный момент. Затем ЛГК начинает прием показаний от гироскопа 1 и акселерометров и рассчитывает ускорения, амплитуду виброускорений акселерометров тангажа и крена, угол тангажа и угол крена в «начальном» положении. Расчет проводится по формулам (1)-(6).
Затем ЛГК сообщает значение угломера для положения «3» (поворот ЛТК вправо на 90°). Получив сообщение от основного изделия, ЛГК потребует повернуть его в положение «3» и проводит проверку правильности установки (разность показаний угломера и ЛТК должна быть не более 4 единиц). После чего ЛГК проводит проверку готовности гироскопа и акселерометров, контроль углов тангажа и крена и рассчитывает предварительный азимут точки стояния для положения «3».
Расчет ускорения акселерометров атангажа и крена производится по формулам (1) и (4), амплитуды виброускорений - по формулам (2) и (4), углов тангажа и крена - по формулам (3) и (6).
А1
А3
Углы наклона гироскопа в положении «1», υ, и в положении «3», υ, рассчитываются по формулам:
Угол наклона платформы основного изделия, и, рассчитывается по формуле:
Если υ>5°, то выдается сигнал о том, что наклон более допустимого Н=1.
пред
Предварительный азимут точки стояния, y, °, рассчитывается по формулам:
Земли1
Земли3
где ω, ω - значения проекций угловой скорости Земли для положения «1» и положения «3», рассчитанные по формулам:
q
где k - масштабный коэффициент гироскопа, определенный на этапе технологических испытаний и записанный в памяти модуля микроконтроллера, "/имп;
i
i
- время, за которое произведено измерение, , и , где m, n, - принятое от гироскопа число периодов в положении «1» и положении «3», T - такт съема информации;
- поправка, принятая от гироскопа на i - том шаге.
При этом:
1. Если выражение >1, то следует принять его равным +1 или минус 1 в зависимости от знака.
2. Если выражение >1, то следует принять его равным +1 или минус 1 в зависимости от знака.
Земли
-4
где ω=0,72924·10рад/с=15,04°/ч,
φ - широта места точки стояния.
пред
пред
3. Если Sinγ≥0 и Cosγ≥0, то:
пред.
пред
пред
- при |Cosγ|<0,5 азимут γ=360°-arcCos(Cosγ);
пред.
пред
пред
- при |Cosγ|>0,87 азимут γ=360°arcSin(Sinγ);
в остальных случаях
пред
пред
4. Если Sinγ<0 и Cosγ<0,то
пред.
пред
пред
- при |Cosγ|>0,5 азимут γ=arcCos(Cosγ);
пред
пред
пред
- при |Cosγ|>0,87 азимут γ=180°-arcSin(Sinγ);
в остальных случаях
пред
пред
5. Если Sinγ>0, а Cosγ,>0, то:
пред.|
пред
пред
при |Cosγ>0,5 азимут γ=arcCos(Cosγ)
пред
пред
пред
- при |Cosγ.|>0,87 азимут γ=180°-arcSin(Sin(Sinγ);
в остальных случаях .
пред
пред
6. Если Sinγ.>0, а Cosγ.<0, то:
пред
пред
пред
- при |Cosγ.|<0,5 азимут γ = 360°-arcCos(Cosγ)
пред|
пред
пред
- при|Cosγ>0.87 γ=180°+arcSin(Sinγ)
в остальных случаях .
Предварительные значения азимута, крена и тангажа передаются в основное изделие. Также определяется, какое положение ЛТК при повороте вправо, по часовой стрелке, наиболее близко к значению азимута «90°» или «270°». После чего дается команда повернуть ЛТК в это положение (положение «S1»), обозначив его в делениях угломера.
крен
танг
2
После подтверждения правильности установки в положение «S1» (разность показаний угломера и требуемого ЛТК должна быть не более 2 единиц), в течение 196 с (с тактом 1 раз в 4 с) принимаются показания гироскопа и акселерометров и рассчитываются амплитуды виброускорений (a вибро. a. вибро) по формулам (2) и (4). Если полученные значения более 1 м/с, то выдается сигнал о превышении допустимых значений виброускорений.
Также рассчитываются угол крена и угол тангажа в положении «S1» по формулам:
Затем подается команда повернуть ЛГК в положение «Р» (на 180° от положения «S1»). В положении «Р» разность показаний угломера и ЛТК должна быть не более 1 д.у., в противном случае необходимо повторить запрос «Положение Р».
крен
вибро,
танг
вибро
2
После подтверждения правильности установки в положение «Р» в течение 196 с (с тактом 1 раз в 4 с) принимаются показания гироскопа и акселерометров и рассчитываются амплитуды виброускорений (a a.) по формулам (2) и (4). Если полученные значения более 1 м/с, то выдается сигнал о превышении допустимых значений виброускорений.
Также рассчитываются угол крена и угол тангажа в положении «Р» и по формулам:
Если все параметры в норме, то ЛТК следует повернуть на 180° - вернуть в положение «S1» (обозначим это положение «S2»). После подтверждения правильности установки в положение «S2» (разность показаний угломера и требуемого ЛТК должна быть не более одной единицы), ЛГК проводит проверку готовности гироскопа и акселерометров.
крен вибро
танг
вибро
2
Затем в течение 196 с (с тактом 1 раз в 4 с) принимаются показания гироскопа и акселерометров и рассчитываются амплитуды виброускорений (a, a. ) по формулам (2) и (4). Если полученные значения более 1 м/с, то выдается сигнал о превышении допустимых значений виброускорений.
Также рассчитываются угол крена и угол тангажа в положении «S2» по формулам:
По результатам двух измерений (в положениях «S2» и «Р») угол тангажа и угол крена рассчитываются по формулам:
Угол наклона платформы основного изделия, Un,° рассчитывается, по формуле:
i
Если υ,>5°, то ЛГК выдает сигнал Н=1 о том, что наклон более допустимого.
ЗемлиS2
Точное значение проекции угловой скорости Земли в положении «S2», ω, рассчитывается по формуле:
S2
Точное значение азимута в положении «S2», γ рассчитывается по формулам:
где Δβ - константа угла между осью гироскопа и плоскостью поворотной платформы, определяемая на этапе регулировки,
Земли
-4
ω=0,72924*10 рад./с,
φ-широта места точки стояния,
S2
S2
если по предварительным расчетам γ (γ) было близко 90°, то
S2
S2
если по предварительным расчетам γ (γ) было близко 270°, то
Точное значение азимута направления на ориентир, γ, а также точные значения угла крена, α, и угла тангажа, β, гирокомпаса рассчитываются по формулам:
где (S2-1) - угол, между положениями «1» и «S2».
Если (S2-1)≤90°,
Если(S2-1)<90°,
кон
кон
кон
Значения азимута, γ, и углов наклона α и β рассчитываются по формулам:
где Δα, Δβ, Δγ - поправки к значениям α β ,γ которые определяются по измерениям на поворотном стенде при поворотах в чистом горизонте (α=0 и β=0).
Полученные значения углов тангажа, крена и азимута передаются в основное изделие и ЛТК переходит в режим ожидания отключения или иной команды.
Таким образом, благодаря выполнению гироскопа лазерным, что повышает точность устройства, и введению акселерометров тангажа и крена с соответствующими блоками, обеспечивающими их функционирование и расчет необходимых параметров, в частности введению одноплатного компьютера, платы питания и коммутации, блока электроники жизнеобеспечения и блока поджига, достигается требуемый технический результат, заключающийся в повышении точности и расширении функциональных возможностей, поскольку, в частности, в устройстве дополнительно определяются азимут устройства и оси визирования, что часто необходимо для функционирования основного изделия, на котором оно размещено.