2
СОДЕРЖАНИЕ
Стр.
ВВЕДЕНИЕ............................................... 5
1. СТРУКТУРА ПОСІТОЕНИЯ И АНАЛИЗ СИСТЕМ ОРИЕНТАЦИИ. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИССЕРТАЦИИ 7
1.1. Обзор существующих схем систем ориентации......... 7
1.1.1. Устройства, реализующие горизонтальный канал системы ориентации........................................ 9
1.1.2. Устройства, реализующие азимутальный канал системы ориентации.......................................... 9
1.1.3. Анализ способов миниатюризации систем
ориентации............................................ 13
1.2. Постановка задачи диссертационной работы......... 18
2. СИСТЕМА ОРИЕНТАЦИИ С НИЗКОЧАСТОТНЫМ АЗИМУТАЛЬНЫМ МОДУЛЕМ.................................. 21
2.1. Описание конструкции и принцип действия.......... 21
2.2. Уравнение движения азимутального канала системы ориентации............................................ 23
2.3. Собственные частоты и коэффициент затухания азимутального канала..................................... 33
2.4. Вынужденное движение чувствительного элемента на
неподвижном основании................................. 36
2.4.1.Определение амплитуд колебаний.................. 36
2.4.2. Резонансная настройка азимутального канала 40
Выводы по главе....................................... 40
3. ДИНАМИКА НИЗКОЧАСТОТНОГО
АЗИМУТАЛЬНОГО МОДУЛЯ................................. 42
3.1. Алгоритмы работы азимутального канала............ 42
з
3.1.1. Первый алгоритм..................................... 42
3.1.2. Второй алгоритм..................................... 50
З Л .3. Третий алгоритм.................................... 51
3.1.4. Сравнение алгоритмов расчета азимута объекта 53
3.1.5. Алгоритм определения географической широты местонахождения объекта...................................... 55
3.2. Влияние нестабильности параметров ЧЭ на точность азимутального канала....................................... 59
3.2. Анализ возмущенного движения азимутального
канала................................................... 65
3.3.1. Влияние поступательной вибрации основания на точность азимутального канала................................. 66
3.3.2. Влияние угловой вибрации основания на точность
азимутального канала....................................... 69
3.4. Компьютерное имитационное моделирование динамики азимутального канала....................................... 73
3.4.1. Моделирование динамики азимутального канала
на неподвижном основании................................... 74
3.4.2. Моделирование азимутального канала при поступательной вибрации основания.......................... 85
3.4.3. Моделирование азимутального канала при
угловой вибрации основания................................. 94
Выводы по главе........................................... 99
4. ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ АЗИМУТАЛЬНЫЙ МОДУЛЬ СИСТЕМЫ ОРИЕНТАЦИИ........................................ 101
4.1. Принципиальная схема системы ориентации.............. 101
4.2. Математическая модель азимутального модуля на
основе ЬЯ-гироскопа....................................... 103
4
4.3. Невозмущенное движение ЧЭ ЬИ- типа.................. 108
4.4. Влияние поперечных составляющих скоростей вибрации инерционных масс на динамику ЧЭ азимутального модуля .. 119
4.5. Динамика чувствительного элемента ІЛ- типа при угловой вибрации основания................................. 123
4.6. Динамика чувствительного элемента ЬЯ- типа при поступательной вибрации основания.......................... 128
4.7. Математическая модель азимутального модуля на основе ЬЬ-гироскопа ......................................... 130
4.8. Невозмущенное движение ЧЭ ЬЬ-типа................... 136
4.9. Алгоритмы работы азимутального модуля с чувствительным элементом ЬЬ-типа................................ 141
4.9.1. Алгоритм определения азимутального угла........... 141
4.9.2. Алгоритм определения географической широты местонахождения объекта.................................... 143
4.10. Влияние поступательной вибрации основания на чувствительный элемент ЬЬ-типа.............................. 144
4.11. Влияние угловой вибрации основания на чувствительный элемент ЬЬ-типа...................................... 146
4.12. Алгоритм определения азимута чувствительным элементом ЬЇІ-типа при аналитическом построении плоскости горизонта................................................ 148
4.13. Алгоритм определения азимута чувствительным элементом ЬЬ-типа при аналитическом построении плоскости
горизонта................................................ 150
Выводы по главе....................................... 152
ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................... 154
ЛИТЕРАТУРА .............................................. 156
ПРИЛОЖЕНИЕ............................................... 166
5
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время благодаря высокому уровню развития науки и техники создано большое количество разнообразных и совершенных систем ориентации (СО).
К современным системам ориентации, в зависимости от их назначения и условий эксплуатации, предъявляются определенные требования, которые должны быть воплощены в реальную конструкцию прибора, это: вес и габариты; стоимость, сложность, пригодность для серийного изготовления; время готовности к действию; срок службы и др. Каждое отдельное требование может коренным образом повлиять на выбор принципа действия системы, ее структурной схемы и базовых элементов, на выбор конструкции приборов. В соответствии с поставленной задачей устанавливают основные требования к разрабатываемой системе, которые определяют: параметры, подлежащие измерению; качество переходных процессов и точность начальной выставки; вид источников питания и допустимую потребляемую мощность; эксплуатационные условия работы.
В системах ориентации различных объектов, в основном, применяются гироскопические приборы. Улучшение эксплуатационных характеристик этих систем ведет к росту требований по точности и надежности работы гироприборов. В настоящее время получают применение новые типы гироскопов, такие как лазерные, волоконно-оптические, твердотельные волновые и другие, на которых строятся бесплатформен-ные системы ориентации. Это позволяет уменьшить массогабаритные характеристики системы ориентации, но стоимость их не уменьшается, а чаще всего наоборот увеличивается.
Для создания систем ориентации средней точности требуется разработка новых чувствительных элементов, работающих на несколько
6
отличных принципах. Большое внимание в настоящее время уделяется вибрационным гироскопам, которые могут быть реализованы в виде сверхминиатюрных микромеханических гироскопов.
Исследованию быстродействующего миниатюрного азимутального модуля, построенного на основе вибрационного гироскопа, посвящена данная работа.
Теоретические исследования проводились на примере конкретной системы ориентации. Компьютерное имитационное моделирование подтвердило основные теоретические результаты.
Диссертационная работа является продолжением цикла работ, проводимых на кафедре Точного приборостроения Томского политехнического университета, посвященных исследованию систем гирокомпаси-рования, разработке способов повышения быстродействия и устранения влияния вибрации на их точность и устойчивость.
7
1.СТРУКТУРА ПОСТРОЕНИЯ И АНАЛИЗ СИСТЕМ ОРИЕНТАЦИИ.
ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ
1.1 Обзор существующих схем систем ориентации
Системы ориентации (СО) решают задачу определения углового положения различных устройств и движущихся объектов относительно заданных базовых направлений. При ориентации в околоземном пространстве такими базовыми направлениями являются направление полуденной линии и направление местной вертикали [67,74]. В качестве опорной системы координат (СК) в этих случаях наиболее часто используют географически ориентированную систему координат (рис.
1.1), начало О которой связано с объектом и перемещается вместе с ним.
Положение точки О на земной поверхности характеризуется угловыми координатами: долготой X и широтой (р. Оси и От) лежат в плоскости горизонта, ось направлена по касательной к меридиану на север, ось Ог| по касательной к параллели на запад, ось направлена по вертикали в зенит. Вектор угловой скорости вращения Земли раскладывается на две ортогональные составляющие
Ог =0^ =03со$ф, Ов = = 03 біп ф. (1.1)
С объектом жестко связана система координат ОХкУк2к, тогда ориентация объекта относительно опорной системы координат определяется углами: а,у,5 (рис. 1.2), где а - азимут объекта; у,5- углы отклонения объекта от плоскости горизонта.
Таким образом, в любой системе ориентации можно выделить два канала: азимутальный канал, измеряющий азимут а объекта (канал ги-рокомпасирования), и горизонтальный канал, измеряющий углы отклонения объекта от плоскости горизонта. Рассмотрим устройства, реализующие эти измерительные каналы.
8
Рис. 1.1. Земная система координат, ориентированная географически
(север)
Рис. 1.2. Система координат, определяющая ориентацию объекта
9
1.1.1. Устройства, реализующие горизонтальный канал системы ориентации
На неподвижном относительно Земли основании для определения направления вертикали применяют различные датчики вертикали, построенные на основе физического маятника. Такие устройства простые, дешевые, имеют высокую точность. Однако при наличии ускорений, вибрации такие устройства имеют большие погрешности. Поэтому в этих случаях применяют системы, построенные на основе гироскопических приборов [8,41,54,67,69,85]. Так на самолетах используются различные схемы авиагоризонтов [67, 69], которые имеют сравнительно невысокую точность.
Большей точностью обладают гировертикали, построенные на основе силовой двухосной стабилизации [67,69]. Это центральные гировертикали, которые имеют большие габариты, энергопотребление и большое время готовности, что не удовлетворяет современным требованиям. Совершенствование элементов, используемых в этих системах, привело к созданию малогабаритных силовых гировертикалей типа МГВ, которые имеют по сравнению с ЦГВ большую точность и меньшие габариты, но достаточно высокую стоимость.
1.1.2. Устройства, реализующие азимутальный канал системы ориентации
Определение азимута объекта является неотъемленной задачей, стоящей перед разработчиками различных транспортных средств, и к настоящему времени, благодаря высокому уровню развития науки и техники, создано большое количество весьма совершенных и разнообразных типов гирокомпасов (ГК) [3, 12,23, 29, 72,73].
10
В морском флоте ГК нашли применение уже в начале прошлого столетия. Вопросам изучения точности морских компасов посвящены работы [27, 35,36, 54,66,83].
Гирокомпасы, установленные на объектах, находящихся на водной поверхности, участвуют в движении объекта и находятся под действием знакопеременных возмущающих ускорений, частота которых изменяется от 0.05 до 500 Гц [26, 57]. Низкочастотная часть этого спектра ускорений (0.05-г1)Гц обусловлена движением судна на волне. Высокочастотная (1-т- 500) Гц вызвана вибрациями основания прибора вследствие
работы гребных винтов и судовых механизмов. В результате действия указанных возмущений точность гироскопических систем резко снижается [5, 54].
Морские компасы, обладая точностью в несколько угловых минут, имеют большие габариты и большое время прихода в меридиан. В связи с появлением быстроходных малотоннажных судов, судов на воздушной подушке, подводных крыльях резко изменились требования, предъявляемые к ГК, а также изменились условия их эксплуатации. Изменились также и задачи, для решения которых применяются ГК (начальная выставка навигационных систем на судах, определение азимута при запуске ракет с корабля). Все это привело к созданию малогабаритных корректируемых гирокомпасов [3, 38], одна из схем которого приведена на рис.1.3.
Гирокомпас представляет собой двухосную индикаторную гироста-билизированную платформу, стабилизация которой вокруг осей ОХ, ОI осуществляется двигателями стабилизации 10,11, управляемыми через регуляторы 12,13 по сигналам с датчиков угла ДНГ. По оси ОУ платформа стабилизирована при помощи грузов 14. Для придания прибору компасных свойств и демпфирования колебаний на датчики моментов
2,3 ДНГ подаются управляющие сигналы с акселерометра 6.
11
Рис. 1.3. Схема корректируемого гирокомпаса
В наземных условиях гирокомпасы стали использоваться с начала 50-х годов. В основном велись разработки наземных гирокомпасов с опорой чувствительного элемента (ЧЭ) на шпиле, а также с магнитным и торсионным подвесом ЧЭ [23, 84].
Главное и наиболее трудно достижимое качество, которым должен обладать наземный компас, в большинстве случаев состоит в том, что прибор должен определять направление меридиана за малое время и с высокой точностью, практически недоступной для корабельного компаса [12]. В настоящее время точность гирокомпасов составляет от нескольких секунд до нескольких минут, но только при установке их на неподвижном основании. В гом случае, когда в месте установки гирокомпаса имеются источники вибрации, точность прибора значительно падает [64, 76, 77, 78, 87, 88].
12
Проблемы разработки высокочастотного наземного гирокомпаса с электростатическим подвесом рассмотрены в работе [29]. В настоящее время электростатический гироскоп (ЭСГ) считается наиболее точным гироскопом со стабильными характеристиками и длительным сроком службы. На рис. 1.4 приведена схема гирокомпаса с ЭСГ.
Питающее
Демпфер
Тожоподвод
Торсионный
подвес
Зеркало
троюоси
Преобразо-
ватель
Упршлеиие
Компьютер
Рис. 1.4. Кинематическая схема гирокомпаса с ЭСГ
Определение плоскости меридиана в этом компасе основано на измерении угловой скорости видимого движения вектора кинетического момента гироскопа относительно неподвижного основания.
Отсчетная горизонтальная система координат материализуется в ГК двумя осями оптической измерительной системы, фиксирующей положение ротора гироскопа относительно корпуса. Корпус ЭСГ подвешен в точке, расположенной выше его центра тяжести, с помощью торсиона. Таким образом, плоскость горизонта строится геометрически с помощью физического маятника, в результате чего измерительные оси, связанные с корпусом гироскопа, совмещаются с плоскостью горизонта.
Жидкостный демпфер обеспечивает демпфирование колебаний ЭСГ. Для определения азимутального направления объекта на корпусе гироскопа установлено зеркало.
13
В рассмотренных схемах азимутального канала реализован геометрический принцип гирокомпасирования. Такие гирокомпасы обладают существенными габаритами, массой, энергопотреблением, большим временем готовности и стоимостью. Кроме того, они являются либо маятниковыми компасами, либо содержат маятниковый измеритель. Следовательно, при движении объекта гирокомпасы отклоняются от направления географического меридиана на угол, зависящий от скорости, курса и широты, а также они не защищены от действия инерционных сил.
1.1.3. Анализ способов миниатюризации систем ориентации
Современного потребителя систем ориентации интересуют в первую очередь такие их характеристики, как стоимость, надежность, неприхотливость к внешним условиям, массогабаритные данные, ресурс работы, простота обслуживания. В связи с конверсией несколько изменяются области применения СО. Наряду с традиционными областями (в основном военными), имеется необходимость использования СО в гражданских областях применения, таких как: инклинометрия; исследование состояния магистральных трубопроводов; подземные маркшейдерские работы; проведение горнодобывающих работ; мониторинг автоматических транспортных средств, осуществляющих движение без участия человека для выполнения работ в опасной среде [34, 51].
Одним из способов уменьшения массогабаритных характеристик, снижения времени готовности и энергопотребления является построение бесплатформенных СО (БСО), в которых первичные датчики информации о параметрах движения объекта устанавливаются жестко на объекте [4, 11, 13, 14, 41, 52]. БСО содержит измерительный блок (Ж) и вычислитель. Принцип построения БСО состоит в аналитическом
- Київ+380960830922