Способ определения азимута трёхосного гиростабилизатора по углу поворота гироскопа
METHOD OF DETERMINING THREE-AXIS GYROSTABILIZER AZIMUTH FROM GYRO ROTATION ANGLE

Изобретение относится к области гироскопических систем и может быть использовано для определения азимута платформы трехосного гиростабилизатора (ТГС) в навигационных системах различного назначения.
Известен способ определения азимута платформы ТГС по углу поворота корпуса гироблока. Он основан на принципе вращения корпуса гироблока относительно платформы по азимуту вслед за поворотом гироскопа к меридиану. Поворот корпуса осуществляется следящей системой, состоящей из шагового двигателя, на вход которого поступают импульсы, частота следования которых пропорциональна сигналу, снимаемому с датчика углов гироблока. Угол поворота корпуса гироблока с точностью до погрешностей следящей системы соответствует углу поворота гироскопа. Поэтому отпадает необходимость применения широкодиапазонного датчика угла поворота гироскопа [1]. Вместе с тем, использование следящей системы усложняет конструкцию ТГС. Кроме того, при работе системы в условиях действия возмущений возникают ошибки слежения. Систематические составляющие ошибок следящей системы непосредственно влияют на точность определения азимута платформы. Наличие случайных отклонений усложняет обработку измерительной информации и также влияет на точность.
Наиболее близким по технической сущности является способ определения азимута платформы трехосного гиростабилизатора по отклонению угла поворота гироскопа от расчетного значения. Данный способ основан на принципе вращения корпуса гироблокашаговым двигателем в сторону меридиана по расчетной программе, соответствующей месту испытаний, а азимут платформы определяется путем обработки информации о сигналах, снимаемых с датчика углов гироблока. В данном способе отпадает необходимость в применении широко диапазонного датчика угла поворота гироскопа и в следящей системе [2]. Однако, 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.
Задачей изобретения является создание технического решения, альтернативного известному решению [2]. Задача решается тем, что корпусодного из гироскопов системы стабилизации, используемого в режиме двухстепенного гирокомпаса, при измерениях вращают реверсивным пьезоэлектрическим двигателем [3], что позволяет устранить ряд приведенных выше недостатков прототипа, в сторону меридиана по расчетной программе. Азимут платформы ТГС определяют при помощи обработки информации о сигналах, снимаемых с датчика углов гироскопа, при этом платформу приводят по азимуту к меридиану и удерживают в этом положении, в свою очередь 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 моментов гироскопа и подключения через усилитель к двигателю стабилизации.
Для пояснения сущности предложения рассмотрим динамическую модель движения гироскопа в компасном режиме, соответствующую модели, приведенной в прототипе:
где J - момент инерции гироскопа;
β - угол поворота гироскопа относительно платформы;
ƒ - коэффициент демпфирования;
H - кинетический момент гироскопа;
Г
В
Ω, Ω - горизонтальная и вертикальная составляющие угловой скорости вращения Земли;
0
А - азимут платформы;
δ*, γ* - статические ошибки системы горизонтирования платформы;
ω - скорость собственного ухода гироскопа.
0
При отсутствии возмущающих движение гироскопа факторов, то есть при А=δ*=γ*=ω=0, углы поворота гироскопа относительно платформы под действием гироскопического момента будут определяться уравнением
Г
Зная параметры гироблока (J, ƒ, Н) и горизонтальную составляющую Ωугловой скорости вращения Земли, можно заранее рассчитать углы β* поворота гироскопа для всего времени измерений.
В реальных условиях функционирования ТГС при действии возмущений движение гироскопа будет незначительно отклоняться от расчетного движения на углы
0
Зависимость углов Δβ от возмущающих факторов можно установить из уравнения, которое получается после замены в уравнении (1) β=β*+Δβ, учета малости углов Δβ, А, δ*, γ* и учета соотношения (2):
0
Знание этих углов в принципе дает возможность разработки алгоритмов определения точностных параметров ТГС, в том числе и азимута А. Для того, чтобы использовать эту возможность, в новом способе предлагается реализовать углы Δβ, поворачивая корпус гироскопа по азимуту с помощью реверсивного пьезоэлектрического двигателя [3] на расчетные углы β*. Тогда с датчика углов гироскопа будут сниматься сигналы, соответствующие углу Δβ, которые могут непосредственно использоваться в алгоритме определения азимута платформы, например с помощью оптимального фильтра Калмана, реализуемого в соответствующем вычислительном устройстве.
В предлагаемом способе отпадает необходимость в применении шагового двигателя, что позволяет устранить ряд приведенных выше недостатков прототипа. Конструкция гироскопа практически не требует доработки. Реверсивный пьезоэлектрический двигатель реализует изменяющиеся углы поворота гироскопа к меридиану, что в конечном счете способствует максимальному повышению точности и снижению времени определения азимута платформы ТГС.
Таким образом, поставленная цель достигается тем, что один из гироскопов системы стабилизации, установленный на горизонтируемой платформе, выставленной по азимуту, используется как двухстепенный гирокомпас, корпус гироскопа вращается реверсивным пьезоэлектрический двигателем в сторону меридиана по расчетной программе, а азимут платформы определяется путем обработки информации о сигналах, снимаемых с датчика углов гироблока, например с помощью фильтра Калмана, реализуемого в соответствующем вычислительном устройстве.
Сравнительный анализ существенных признаков рассмотренных способов определения азимута и предлагаемого способа показывает, что предлагаемый способ отличается тем, что не использует широкодиапазонный датчик углов в гироскопе, следящую систему, осуществляющую слежение корпуса гироблока за гироскопом и шаговый двигатель. Повороты корпуса гироскопа в сторону меридиана на заранее определенные расчетные углы осуществляет реверсивный пьезоэлектрический двигатель. Способ не требует доработок существующих двухстепенных гироскопов и ТГС, позволяет непосредственно использовать информацию о сигналах, снимаемых с датчика углов гироскопа, для определения азимутального положения платформы ТГС.
Источники информации:
1. Ru 2563631, 2014 г.
2. Ru 2649063, 2018 г.
3. Ru 2062545, 1996 г.