Обращенная маятниковая система с гипертрофированным периодом колебания для определения угла отклонения от горизонтальной плоскости
INVERTED PENDULUM SYSTEM WITH HYPERTROPHIED PERIOD OF OSCILLATION TO DETERMINE ANGLE OF DEVIATION FROM HORIZONTAL PLANE

Область техники:
[0001] Изобретение относится к системам маятниковой стабилизации и измерительной техники, а именно для стабилизации оснований датчиков определения угла наклона, или других устройств на неустойчивой платформе (судно, корабль) и может быть применено в частности для стабилизации гидроакустических антенн эхолота.
Уровень техники:
[0002] Свойство физического маятника в любой точке Мирового Океана устанавливаться по вектору тяжести используется в разнообразных областях человеческой деятельности и, в частности, в устройствах для удержания антенны эхолота (диаграммы направленности антенны) по вектору тяжести или горизонтального положения основания датчика угла наклона в условиях возмущающих воздействий при движении и качке судна/корабля или иного несущего маятник объекта.
[0003] В настоящее время существует множество конструкций антенн. Известна плавающая антенная система, описанная в WO 1994/027339 А1. Данное решение предусматривает плавающую антенную систему, которая может быть развернута и извлечена с помощью подводного водолаза, оснащенная антенным обтекателем с устойчивостью к давлению, расположенным поверх удлиненной опорной ножки, вставленной в пирамидоидальный плавучий хомут ниже обтекателя, и может быть сложена и завернута в поперечном направлении вокруг опорной ножки, когда спущено. Подача воздуха на инфляцию осуществляется в канистру под давлением внутри опорной ножке. Плавучий хомут накачивается через линию накачивания от канистры, управляемую ручным кнопочным клапаном. Антенна внутри обтекателя соединена с длинным тросом, который может быть подключен к отдельному приемнику или передатчику под поверхностью. Тросом можно манипулировать для управления развертыванием и извлечением плавающей антенны.
[0004] Однако известное решение не обеспечивает точности удержания горизонтального положения устройства относительно вектора тяжести, поскольку конструкция не предусматривает наличия в ней диска, с точкой подвижного закрепления, расположенной на карданном узле.
Раскрытие изобретения:
[0005] Задачей изобретения является устранение указанных выше недостатков.
Техническим результатом при этом является повышение точности удержания горизонтального положения устройства относительно вектора тяжести. Дополнительным техническим результатом является обеспечение энергонезависимости устройства стабилизации.
[0006] Для достижения данного технического результата предложена обращенная маятниковая система с гипертрофированным периодом колебания для определения угла отклонения от горизонтальной плоскости, которая имеет корпус сферической формы, заполненный жидкостью, где нижняя полусфера упомянутого корпуса является звукопроницаемой, при этом корпус содержит: кронштейн, верхняя часть которого жестко прикреплена изнутри к верхней полусфере, а на нижней части кронштейна установлен карданный узел, посредством которого в диаметральной плоскости сферы подвижным образом прикреплен диск с поплавком, а подъемная сила поплавка управляет изменением положения центра тяжести конструкции относительно точки соединения диска с нижней частью карданного узла в жидкости; диск, имеющий центр, который совпадает с геометрическим центром сферы и делит внутреннюю часть корпуса на верхнюю и нижнюю полусферы, и диаметр, меньший диаметра упомянутого корпуса, где диск делит внутренний объем жидкости на две части и сбалансирован относительно центра, совпадающего с центром сферы; при этом диск с точкой подвижного закрепления, расположенной на карданном узле, выполнен с возможностью движения в пределах корпуса таким образом, чтобы занимать случайное произвольное положение в пределах конструкции, где восстанавливающий момент, поворачивающий диск до горизонтального положения, создает пустотелое кольцо на краю диска со стороны верхней полусферы.
[0007] При этом, способ стабилизации включает этапы, на которых:
- размещают в геометрическом центре корпуса сферической формы посредством карданного узла диск с поплавком, где диск обеспечивает вовлечение объема жидкости и, как следствие, ее массы в колебательный процесс;
- совмещают центры тяжести нижней части карданного узла и диска с геометрическим центром сосуда, а верхнюю часть карданного узла закрепляют посредством кронштейна к верхней полусфере;
- обеспечивают балансировку получившейся на верхней полусфере конструкции относительно геометрического центра сосуда без жидкости, обеспечив при этом любое свободное, сбалансированное положение диска в пределах нижней части карданного узла; и
- заполняют корпус сферической формы жидкостью полностью, не допуская наличия воздушных пузырьков, где после упомянутого заполнения упомянутый диск занимает горизонтальное положение, обеспечиваемое подъемной силой плавучести упомянутого поплавка, а подъемная сила поплавка управляет изменением положения центра тяжести конструкции относительно точки соединения диска с нижней частью карданного узла в жидкости; при этом
- подъемная сила поплавка и изменение положения центра тяжести конструкции в жидкости зависит от размера упомянутого поплавка.
[0008] Дополнительно система дополнена по меньшей мере, одной гидроакустической антенной эхолота, жестко закрепленной на диске. При этом, система может быть дополнена четырьмя или более гидроакустическими антеннами эхолота, жестко закрепленными на диске и расположенными симметрично относительно центра упомянутого диска, что позволяет устройству стабилизации гидроакустических антенн эхолота выполнять функции кренометра.
[0009] Дополнительно абсолютное значение ошибки измерения угла отклонения диска от вектора тяжести составляет не более одного градуса, а необходимое для этого значение периода колебания диска составляет 40 секунд.
[0010] Дополнительно абсолютное значение ошибки рассчитывается с учетом: моментов инерции жидкости в корпусе, моментов инерции диска и элементов карданного узла, сил трения в шариковых керамических подшипниках карданного узла, сил трения жидкости о внутреннюю поверхность корпуса сферической формы в районе края диска, силы трения жидкости о поверхность кронштейна, коэффициента динамичности диска относительно массы жидкости корпуса в колебательном процессе при расчете момента инерции жидкости в корпусе относительно центра.
[0011] Дополнительно на осях кронштейна установлены датчики измерения угла наклона, выполненные с возможностью измерения угла наклона диска относительно оси упомянутого кронштейна, что позволяет устройству стабилизации гидроакустических антенн эхолота выполнять функции кренометра.
[0012] Очевидно, что как предыдущее общее описание, так и последующее подробное описание даны лишь для примера и пояснения и не являются ограничениями данного изобретения.
Осуществление изобретения:
[0013] Устройство включает корпус сферической формы, кронштейн, и диск.
[0014] Корпус заполнен жидкостью и включает нижнюю полусферу и верхнюю полусферу. Необходимо отметить, что нижняя полусфера является звукопроницаемой.
[0015] Кронштейн имеет верхнюю часть, которая жестко прикреплена к верхней полусфере, и нижнюю часть. На нижней части кронштейна установлен карданный узел, посредством которого в диаметральной плоскости корпуса сферической формы подвижным образом прикреплен диск. Также карданный узел включает опоры на призмах или шариковые керамические подшипники, выполненные с возможностью снижения трения в осях карданного узла.
[0016] Возможен вариант, при котором дополнительно используют гидроакустические антенны. При этом одна или несколько гидроакустических антенн эхолота жестко закреплены на диске и расположены симметрично относительно центра упомянутого диска. Необходимо отметить, что в частном случае, две антенны эхолота расположены в плоскости параллельно шпангоутам судна и две в продольной плоскости судна.
[0017] Диск имеет центр, который совпадает с геометрическим центром корпуса сферической формы (сферы) и делит внутреннюю часть корпуса на верхнюю и нижнюю полусферы. Также диск имеет диаметр, меньший диаметра упомянутого корпуса. Диск делит внутренний объем жидкости на две части, и сбалансирован относительно центра, совпадающего с центром корпуса сферической формы (сферы).
[0018] Диск имеет точку подвижного закрепления, расположенную на карданном узле, и выполнен с возможностью движения в пределах корпуса таким образом, чтобы занимать случайное произвольное положение в пределах корпуса. Восстанавливающий момент, поворачивающий диск до горизонтального положения, создает пустотелое кольцо на краю диска со стороны верхней полусферы и, тем самым, обеспечивает стабилизацию положения. Необходимо отметить, что абсолютное значение ошибки измерения угла отклонения диска от вектора тяжести составляет не более одного градуса, а необходимое для этого значение периода колебания диска составляет 40 секунд. Для физического маятника принято использовать:
где J - момент инерции, m - масса маятника, g - гравитационная константа, R - расстояние от оси вращения до центра масс.
Из формулы расчета периода колебания физического маятника мы видим, что для увеличения периода колебаний необходимо либо увеличить массу, а, следовательно, и момент ее инерции (J), либо уменьшить расстояние от центра этой массы до точки подвеса (R), либо и то, и другое одновременно. Но если увеличение массы не представляет особого труда, то с точкой подвеса дела обстоят иначе, а именно, так как центр тяжести твердого тела находится внутри тела, и увеличение массы возможно за счет увеличения размеров тела, то точка подвеса неминуемо будет отдаляться от центра массы.
Значение периода колебания диска Т рассчитывается в соответствии с формулой:
ж
ку
д
к
к
где j - момент инерции жидкости в корпусе, j - момент инерции массы элементов карданного узла, j - момент инерции массы диска, j - момент инерции жидкости, вытесненной пустотелым кольцом, М-совокупная масса маятника (массы жидкости, диска с поплавком и подвижной части карданного узла), G - универсальная гравитационная константа, R - радиус пустотелого кольца (поплавка).
Таким образом, очевидно, что при увеличении момента инерции (J) путем вовлечения в колебательный процесс совокупности всех масс и уменьшения расстояния от оси вращения до центра масс (R) будет увеличиваться период собственных колебаний системы (Т).
[0019] Предложенное решение подразумевает увеличение момента инерции (J) путем вовлечения в колебательный процесс массы жидкости сферического сосуда, посредством диска, закрепленного на карданном подвесе, которые имеют с жидкостью геометрически общий центр масс и незначительного смещения точки подвеса относительно центра масс (R) за счет подъемной силы поплавка. Предложенная система стабилизации (в конкретном случае это диск в сферическом корпусе заполненном жидкостью) позволяет, в частности: изготавливать двух-координатные кренометры, стабилизировать гидроакустические антенны без применения электроприводов, стабилизировать удаленные платформы, установив на осях узла подвеса эн-кодеры в качестве датчиков сигналов углов наклона в двух плоскостях и пр.
[0020] При этом вышеуказанные моменты инерции получены с использованием большой массы жидкости в корпусе сферической формы при технически допустимых геометрических размерах.
[0021] Абсолютное значение ошибки рассчитывается с учетом, по меньшей мере, одного из следующего: моментов инерции жидкости в корпусе, моментов инерции диска с антеннами и элементов карданного узла, сил трения в опорах карданного узла, сил трения жидкости о внутреннюю поверхность корпуса в районе края диска, силы трения жидкости о поверхность кронштейна, коэффициента динамичности диска относительно массы жидкости корпуса в колебательном процессе при расчете момента инерции жидкости в корпусе относительно центра.
[0022] Необходимо отметить, что жидкостное трение, возникающее, например, при качке судна из-за смачивания внутренней поверхности сферы и поверхности кронштейна жидкостью, снижается при добавлении в жидкость кремнийорганических препаратов А-4 или А-19. Также имеется возможность для снижения упомянутого трения покрывать упомянутые поверхности препаратом ГКЖ-94. Препараты А-4, А-19 и ГКЖ-94 являются гидрофобизаторами, и имеют водоотталкивающие свойства.
[0023] В качестве альтернативы в рамках настоящего решения на осях кронштейна дополнительно установлены датчики измерения угла наклона, выполненные с возможностью измерения угла наклона диска относительно оси упомянутого кронштейна, что позволяет устройству стабилизации выполнять функции кренометра.
[0024] Хотя данное изобретение было показано и описано со ссылкой на определенные варианты его осуществления, специалистам в данной области техники будет понятно, что различные изменения и модификации могут быть сделаны в нем, не покидая фактический объем изобретения.