Результат интеллектуальной деятельности: Способ калибровки гироблоков платформы трехосного гиростабилизатора

Изобретение относится к области гироскопических систем и может быть использовано для определения азимута и калибровки гироблоков платформы трехосного гиростабилизатора, например, в высокоточных гироскопических системах различного назначения.

Известен способ азимутальной ориентации платформы трехосного гиростабилизатора (ТГС) по углу прецессии гироблока [1].

На фиг. 1 представлена структурная схема широко применяемого для построения различных гироскопических систем трехосного гиростабилизатора с вертикальной осью подвеса наружной рамки [2, с. 301, 593] в режиме определения азимута, где обозначено:

Г_Х, Г_У, Г_Z - двухстепенные гироблоки системы стабилизации относительно соответствующих осей;

КДУ_Х - широкодиапазонный кодовый датчик угла гироблока Г_Х;

ДУ_У, ДУ_Г, - датчики углов соответственно гироблоков Г_У и Г_Z,

ДМ_Х, ДМ_У, ДМ_Г, - датчики моментов соответствующих гироблоков;

А_Х, A_Z - акселерометры системы горизонтирования платформы ТГС относительно соответствующих осей;

СД_Х, СД_У, СД_Г - стабилизационные двигатели платформы ТГС относительно соответствующих осей;

УС_Х, УС_Г - усилители системы горизонтирования относительно соответствующих осей;

КК - корректирующий контур;

Н - векторы кинетических моментов гироблоков;

OX_ПY_ПZ_П - система координат, связанная с платформой ТГС;

ON - направление на север;

Ω_Г - вектор горизонтальной составляющей угловой скорости вращения Земли;

ВУ - вычислительное устройство;

А - азимут оси Х_П платформы ТГС в момент начала измерений.

Этот способ заключается в том, что гироблок системы горизонтирования и стабилизации одной из горизонтальных осей трехосного гиростабилизатора (гироскоп Г_Х, фиг.1), которая примерно направлена на север, отключается от штатной системы горизонтирования и стабилизации, горизонтирование же и стабилизацию платформы относительно этой оси осуществляют по выходному сигналу акселерометра (акселерометр A_Z на, фиг. 1), а азимут платформы определяют с использованием информации с широкодиапазонного кодового датчика угла этого гироблока, который с момента отключения его от штатной системы горизонтирования начинает функционировать в режиме двухстепенного гирокомпаса, то есть его гирокамера (поплавок) под действием гироскопического момента, обусловленного горизонтальной составляющей угловой скорости вращения Земли, начинает поворачиваться относительно корпуса гироблока, в сторону совмещения своего вектора кинетического момента с вектором сог.

Как следует из сути данного способа, использование широкодиапазонного датчика угла предполагает, что в начальный момент функционирования системы угол между вектором кинетического момента измерительного гироблока и вектором горизонтальной составляющей угловой скорости вращения Земли должен быть большим (близким к 90°). Только в этом случае гироскопический момент, обусловленный горизонтальной составляющей угловой скорости вращения Земли, будет достаточно большим и за время, необходимое для определения азимута, вектор кинетического момента гироскопа повернется на достаточно большой угол, что повышает информативность измеряемого сигнала.

С этой целью одну из осей, связанных с платформой ТГС, перед началом измерений грубо приводят по азимуту к меридиану, например методом гирокомпасирования [2, с. 592].

Алгоритм определения азимута платформы ТГС строится на основе динамической модели гироскопа. Учитывая, что угол между векторами ω_Г и Н близок к 90°, модель гироскопа имеет следующий вид:

где

β - угол прецессии гироблока, то есть угол между осью платформы ТГС, примерно направленной на север (юг), и осью чувствительности измерительного гироблока, измеряемый широкодиапазонным кодовым датчиком угла последнего;

I - момент инерции гироблока;

f - коэффициент демпфирования гироблока;

Н - кинетический момент гироблока;

Ω_Г - горизонтальная составляющая угловой скорости вращения Земли;

α - угол поворота оси платформы относительно Земли;

А - начальный азимут платформы;

ω_ГБ. - систематическая составляющая угловой скорости собственного ухода измерительного гироблока (гирокомпаса);

М_ВР. - достаточно малые случайные возмущающие воздействия, обусловленные влиянием нескомпенсированной скорости дрейфа платформы относительно вертикальной оси из-за наличия ошибок горизонтирования платформы ТГС.

Данное дифференциальное уравнение нелинейно, не имеет аналитического решения и определить с высокой точностью на его основе искомый азимут в условиях действия на двухстепенной гироблок различных внешних и внутренних возмущений, воздействующих на чувствительные элементы ТГС, имеющих случайную природу, весьма затруднительно.

Наиболее близким по технической сущности изобретением является способ азимутальной ориентации платформы трехосного

гиростабилизатора по приращениям угла прецессии гироблока [3].

В данном способе одновременно со считыванием информации с широкодиапазонного кодового датчика угла измерительного гироблока рассчитываются номинальные значения данного угла в вычислительном устройстве в соответствии с уравнением номинального движения, а азимут платформы определяют по информационным сигналам, равным разности между номинальными значениями угла прецессии гироблока и соответствующими измеряемыми значениями его широкодиапазонного кодового датчика угла.

Номинальные значения угла прецессии гироблока β_Н определяются в соответствии с нелинейным дифференциальным уравнением номинального движения [3]:

где ω_В - вертикальная составляющая угловой скорости вращения Земли.

Данное уравнение описывает изменение угла β_Н при действии гироскопического момента, обусловленного горизонтальной составляющей угловой скорости вращения Земли ω_Г, в предположении, что в начальный момент времени ось Х_П платформы ТГС направлена точно на север, а направление оси чувствительности измерительного гироблока совпадает с направлением оси Х_П, то есть при t=0: А=0 и β=0. При этом вредные возмущения ω_ГБ и М_ВР. отсутствуют.

Номинальные значения угла β_Н могут быть заранее рассчитаны одним из численных методов, например методом Рунге-Кутта [4, с. 417], и сохранены в вычислительном устройстве.

В этом случае уравнение (1) можно линеаризовать относительно уравнения (2) и использовать для определения начального азимута А оси Х_П платформы ТГС хорошо известные методы оценок параметров линейных систем в условиях действия случайных возмущений, например оптимальный фильтр Калмана [5].

Целью данного изобретения, является расширение функциональных возможностей при определении параметров ТГС, в частности совместно с определением азимута оси платформы обеспечение калибровки систематических составляющих дрейфов гироблоков Г_Х и Г_Z (фиг. 1).

В соответствии с [1, 3] платформа находится в инерциальном режиме относительно местной вертикали, то есть ось Z_П уходит относительно Земли с угловой скоростью ω_В=Ω₃sinϕ (член α=ω_Bt в уравнениях (1) и (2)),

где Ω₃ - угловая скорость вращения Земли;

ϕ - широта местоположения ТГС.

Если на датчик моментов ДМ_У гироблока Г_У (фиг. 1) подать ток:

то платформа ТГС будет поворачиваться в инерциальном пространстве относительно вертикальной оси с угловой скоростью ω_B и за время определения азимута А оси Х_П платформы последний будет постоянной величиной.

В данном случае уравнения (1) примет вид:

а линеаризованное уравнение соответственно [6]:

Как следует из правой части уравнения (4) составляющая, зависящая от азимута, является переменной величиной, а систематическая составляющая дрейфа гироблока постоянна, и, следовательно, в фильтре Калмана они могут быть разделены при измерении в одном положении платформы в азимуте.

В [6, с. 73-77] приведены результаты моделирования по оценке данных составляющих в фильтре Калмана, откуда следует, что оценки данных составляющих могут быть получены с высокой точностью.

Если одновременно с измерением азимута А оси платформы Х_П измерять среднее значение тока i_cpz в датчике моментов ДМ_Z гироблока Г_Z (фиг. 1), то после завершения измерения азимута А можно в соответствии с прецессионной теорией гиростабилизатора записать выражение для уравнения моментов гироблока Г_Z[2]:

где А - как и ранее азимут оси платформы Х_П, так как угол между осями платформы Х_П и Z_П платформы ТГС известен с высокой точностью и равен 90°;

ω_дpz - систематическая составляющая дрейфа гироскопа Г_Z. Из (5) можно определить систематическую составляющую дрейфа гироблока Г_Z:

Таким образом, предлагаемый способ: «Способ калибровки гироблоков платформы трехосного гиростабилизатора» отличается от прототипа тем, что одновременно с определением азимута оси платформы ТГС на вход датчика моментов гироблока, обеспечивающего поворот платформы относительно вертикальной оси, подается управляющий ток в соответствии с заданным алгоритмом с одновременным измерением среднего значения тока другого гироблока, обеспечивающего горизонтирование платформы, и рассчитываются систематические составляющие угловых скоростей дрейфов этих гироблоков.

Источники информации

1. Патент RU 2324897 С1, 20.05.2008.

2. Командно-измерительные приборы / Под ред. Б.И. Назарова. - М.: МО СССР, 1987, - 638 с.

3. Патент RU 2509289 С2, 10.03.2014.

4. Дьяконов В.П. MATLAB 7.*/R2006/R2007. Самоучитель. М.: ДМК Пресс, 2008, - 768 с.

5. Брамер К., Зифлинг Г. Фильтр Калмана - Бьюси. - М.: «Наука», 1982, - 200 с.

6. Макаров Д.В., Павлов Р.А., Касьянов Г.В. Способ определения азимута базового направления по информации с широкодиапазонного датчика угла двухстепенного поплавкового гироскопа. Труды ФГУП «НПЦ АП». Системы и приборы управления. – М.: ФГУП «НПЦ АП» №4(26) 2013, - 5 с.