Использование гироскопических навигационных приборов SEASCHOOL.RU

Назначение Гироскопические приборы предназначены для обеспечения наблюдения навигационных параметров. Сегодня созданы достаточно точные гироскопические системы, удовлетворяющие большой круг потребителей. Например, широко распространено использование микромеханических гироскопов в системах стабилизации автомобилей или видеокамер.

Сравнительная характеристика По мнению сторонников таких методов навигации, как GPS и ГЛОНАСС, выдающийся прогресс в области высокоточной спутниковой навигации сделал ненужными автономные средства навигации (в пределах зоны покрытия спутниковой навигационной системы (СНС), то есть в пределах планеты). В настоящее время СНС системы по параметрам массы, габаритов и стоимости превосходят гироскопические.

Сравнительная характеристика Сейчас разрабатывается система навигационных спутников третьего поколения. Она позволит определять координаты объектов на поверхности Земли с точностью до единиц сантиметров в дифференциальном режиме, при нахождении в зоне покрытия корректирующего сигнала DGPS. При этом якобы отпадает необходимость в использовании курсовых гироскопов. DGPS

Сравнительная характеристика Однако системы GPS оказываются неспособны точно определять положение, при плохой видимости спутников. Подобные проблемы обнаруживаются в городской и в лесистой местности. Кроме того, прохождение сигналов СНС зависит от процессов в атмосфере, препятствий и переотражений (частоты КГц) сигналов. Автономные же гироскопические приборы работают в любом месте под землёй, под водой, в космосе.

Сравнительная характеристика Постоянно растущие требования к точностным и эксплуатационным характеристикам гироприборов заставили ученых и инженеров многих стран мира не только усовершенствовать классические гироскопы с вращающимся ротором, но и искать принципиально новые идеи, позволившие решить проблему создания чувствительных датчиков для измерения и отображения параметров углового движения объекта.

Сравнительная характеристика Известно более ста различных явлений и физических принципов, которые позволяют решать гироскопические задачи. В России и США выданы тысячи патентов и авторских свидетельств на соответствующие открытия и изобретения.

Сравнительная характеристика Например, прецизионные гироскопы используются в системах наведения стратегических ракет большой дальности. Во время холодной войны информация об исследованиях, проводимых в этой области, классифицировалась как секретная. Перспективным является направление развития квантовых гироскопов основанный на гироскопических свойствах электронов, атомных ядер или фотонов.

Сравнительная характеристика Существуют лазерные гироскопы, принцип действия которых основан на эффекте Саньяка, основанного на специальной теории относительности (СТО). Согласно СТО скорость света С постоянна в любой инерциальной системе отсчёта. В то время как в неинерциальной системе она может отличаться от С.

Сравнительная характеристика При посылке луча света в направлении вращения прибора и против направления вращения возникает разница во времени прихода лучей (определяемая интерферометром), которая позволяет найти разницу оптических путей лучей в инерциальной системе отсчёта, и, следовательно, величину углового поворота прибора за время прохождения луча.

Как это выглядит Кольцевой лазерный гироскоп киевского завода «Арсенал» на МАКС- 2011

Как это выглядит Гироскоп на МАКС-2009

Как это выглядит Гирокомпас на бригантине Star Clipper.

Задачи навигации Для управления подвижным объектом и решения ряда навигационных задач необходимо иметь приборы, которые удерживают определенное направление в азимуте. С их помощью можно определить курс объекта, выдерживать заданное направление движения и осуществлять разворот на требуемый угол. (Курсом называется угол между северным направлением географического меридиана, проходящего через центр масс подвижного объекта и проекцией продольной оси объекта на горизонтальную плоскость. Курс отсчитывается от северного направления меридиана по часовой стрелке от 0° до 360 °).

Задачи навигации Различают географический (истинный), магнитный и компасный курсы в зависимости от того, от какого меридиана ведется отсчет. Для определения истинного курса подвижного объекта необходимо знать направление географического меридиана. Исторически первым способом определения направления географического меридиана является астрономический способ. Он позволяет определить направление на север по расположению небесных светил. Возможности этого способа ограничены метеорологическими условиями. Позднее для определения направления на север стали широко использоваться свойства магнитной стрелки, на основе которой были созданы магнитные компасы.

Задачи навигации Возможности магнитного компаса также ограничены, так как магнитная стрелка подвержена влиянию ферромагнитных масс, устройств, создающих магнитные поля, а также внешних возмущений при колебаниях и разворотах подвижного объекта. Для определения плоскости географического меридиана применяются также радиосредства. Этот способ требует создания сети специальных наземных радиостанций. Радиокомпас подвержен помехам. Использование приборов на основе гироскопа избавлено от перечисленных недостатков и получило достаточно широкое применение. Для определения направления в азимуте применяются следующие гироскопические приборы: гироскопы направления, гиромагнитные (гироиндукционные) компасы и гироскопические компасы.

Состав и назначение Вообще по функциональному назначению гироскопические приборы делятся на: Гиромаятники; Гировертикали; Гироскопы направления; Компасы.

Состав и назначение В свою очередь, гироскопические компасы при этом делятся на три вида: Собственно гироскопический; Гиромагнитный; Гироиндукционный. Основными гироустройствами навигационного управления на флоте являются гиронаправления и гирокомпасы различных видов. В основе всех этих устройств лежит механический гироскоп.

Основы модели Гироскоп изобрёл Иоганн Боненбергер и опубликовал описание своего изобретения в 1817 году.Иоганн Боненбергер Здесь изображён гироскоп в карданном подвесе, допускающем поворот оси массивного ротора вокруг трёх взаимно перпендикулярных осей, пересекающихся в его центре масс. На ось гироскопа для моделирования внешних воздействий подвешен маленький шарик.

Основы модели Под действием внешнего момента сил маховик совершает регулярное движение, которое носит название «вынужденная прецессия». Помимо вынужденной прецессии ось гироскопа может колебаться без внешнего воздействия из-за наличия рассогласования между главной осью симметрии маховика и осью вращения. Такой вид свободной прецессии носит название «нутация».нутация Для наблюдения этого процесса в динамике интересующиеся могут обратиться по адресу opeR.html#_top opeR.html#_top

Теоретические основы модели Для понимания принципов использования этих устройств остановимся на общей модели механического гироскопа. Моховик механического гироскопа обычно представляет собой симметричный волчек. Его можно представить как твердое тело, имеющее одну главную ось симметрии. Именно такой маховик был представлен на анимации.

Теоретические основы модели Величина собственного момента импульса M твердого тела, как известно, равна (Здесь и далее жирным шрифтом обозначаются вектора, а нормальным шрифтом скалярные величины и модули соответствующих векторов.) M = [r v]dV Здесь v – вектор скорости элемента объема dV твердого тела, - плотность, r – вектор расположения элемента dV в собственной системе координат твердого тела, жестко связанной с телом и расположенная в его центре масс. [] – векторное произведение.

Теоретические основы модели Пусть тело вращается с угловой скоростью, тогда v = [ r] и M = [r [ r]]dV = (r 2 E - rr)dV Здесь E – единичная матрица (тензор), rr – тензорное произведение вектора r на себя. E =, rr =

Теоретические основы модели Тензор I = ( r 2 E - rr)dV Называется тензором инерции твердого тела. Нетрудно видеть, что он представляет собой симметричный положительно определенный оператор. Собственные вектора этого тензора называются главными осями инерции, а соответствующие собственные числа – главными моментами инерции. Если два из трех главных момента инерции совпадают, тело называется симметричным волчком.

Теоретические основы модели В результате собственный момент импульса M очевидно равен M = I Если в качестве системы координат выбрать собственные вектора тензора момента инерции, то в ней тензор будет иметь наиболее простой диагональный вид: I =. У симметричного волчка I 1 = I 2 I 3.

Теоретические основы модели Рассмотрим свободное вращение симметричного волчка. Поскольку I 1 = I 2, то в плоскости, ортогональной к третьему собственному вектору тензора инерции выбор направления осей координат не влияет на вид тензора инерции – он остается диагональным. Выберем ось x 2 так, чтобы она была ортогональна вектору вращения тела.

Теоретические основы модели Поскольку M = I, то у вектора момента импульса M вторая координата также равна нулю.нулю

Теоретические основы модели Таким образом все три вектора M,, и главная ось инерции симметричного волчка находятся в одной плоскости.

Теоретические основы модели При отсутствии воздействия вектор момента импульса M остается постоянным. Таким образом постоянными оказываются составляющая вектора по направлению M, проекция на главную ось инерции симметричного волчка и (нулевая) проекция на ось x 2. В результате апекс главной оси инерции волчка совершает круговое движение вокруг вектора M в плоскости, перпендикулярной к M, как показано на рисунке – это и есть нутация.как показано на рисунке

Теоретические основы модели При этом очевидно, что компонента 3 определяющая скорость вращения волчка вокруг главной оси равна 3 = M 3 /I 3 = M Cos /I 3 где - угол между осью инерции волчка и (постоянным) направлением момента импульса. Аналогично, 1 = M 1 /I 1 = M Sin /I 1.

Теоретические основы модели Постоянная составляющая п вектора, направленная вдоль оси момента импульса н имеет ту же проекцию на ось x 1 и, следовательно, связана с 1 соотношением 1 = п Sin. Таким образом н = M/I 1. В результате получаем соотношение, связывающее угловую скорость вращения волчка с угловой скоростью нутации н = 3 I 3 /(I 1 Cos ).

Теоретические основы модели Практически важный вывод из этого соотношения состоит в том, что скорость нутации пропорциональна скорости вращения 3 и определяется соотношением главного и второстепенного моментов импульса а также углом отклонения оси момента импульса от главной оси момента инерции симметричного волчка.

Теоретические основы модели Теперь рассмотрим случай постоянного внешнего воздействия на гироскоп, маховик которого представляет собой симметричный волчок, как это представлено на анимации. Нам понадобятся несколько отличающиеся от предыдущих обозначения.

Теоретические основы модели Пусть - вектор угловой скорости вращения маховика. Тело вращается вокруг оси, параллельной этому вектору в направлении против часовой стрелки, если считать положительным направлением вектора – верх, а плоскость вращения – горизонтальной. Модуль вектора определяет величину угловой скорости.

Теоретические основы модели Как и раньше вектор момента импульса M : M = I Где I –тензор момента инерции тела. Вообще говоря, вектора M и не обязаны быть параллельными, более того сама геометрия и распределение масс в теле могут зависеть от параметров его вращения. Однако, для приближения, которое принято в гироскопических приборах главная составляющая вектора намного превосходит другие компоненты и можно считать, что вектор направлен практически по главному собственному вектору оператора I. То есть, I можно заменить на скалярную величину главного момента инерции.

Теоретические основы модели Под действием внешнего момента силы тяжести P груза в соответствии с известным законом механики вектор M (и соответственно ) будет двигаться в направлении вектора момента P dM/dt = P Здесь P = [r mg] где m - масса груза g – вектор ускорения свободного падения, r – вектор расстояния между центрами массы маховика и груза.

Теоретические основы модели Напомним, что [r mg] – векторное произведение, т.е вектор, модуль которого равен mgrSin(), где - угол между g и r, а направление перпендикулярно g и r так, что набор g, r, [mgr] образует базис, ориентированный также как стандартный базис x, y, z, т.е. по «правилу буравчика».

Теоретические основы модели Вектор P будет перемещаться вместе с осью маховика гироскопа, оставаясь перпендикулярным к M = I – в итоге апекс маховика будет вращается по круговой орбите в горизонтальной плоскости. Такое движение называется вынужденной прецессией. Поскольку вектор r параллелен и, соответственно, М = I, то P = [r mg] можно представить в виде векторного произведения М на некоторый вектор W P = [W М] где W, параллелен g, и равен W = - (mr / I) g

Теоретические основы модели В результате Закон изменения момента импульса приобретает вид dМ/dt = [W М] То есть W = - (mr / I) g представляет собой вектор угловой скорости вращения вектора М.

Теоретические основы модели Основные практические выводы, которые можно сделать на основании модели вынужденной прецессии: 1. Вектор скорости вращения маховика движется в направлении вектора приложенного внешнего момента P (созданного в нашей модели грузом) оставаясь в плоскости, перпендикулярной к вектору силы (тяжести). 2. Угловая скорость прецессии W обратно пропорциональна моменту импульса гироскопа (I) и пропорциональна моменту внешней силы (тяжести груза) P.

Теоретические основы модели Регулярная вынужденная прецессия будет происходить только при строго определенных начальных условиях: чтобы получить такое движение, нужно не только раскрутить маховик вокруг собственной оси, но и сообщить этой оси вращение вокруг вертикали с угловой скоростью W, с которой должна происходить дальнейшая прецессия гироскопа. Амплитуда прецессии может быть в начальный момент любой.

Теоретические основы модели Если это условие не выполнено, то к вынужденной прецессии добавится свободная прецессия – нутация и движение гироскопа будет выглядеть так, как показано на следующем рисунке. Прецессией можно управлять, используя обратную связь, корректирующую момент на оси гироскопа по результатам измерения параметров вектора прецессии W.

Основы модели

Параметры нутации определяются соотношением н = I гл /(I вт Cos ). Где - угол между осью инерции маховика и направлением момента импульса - скорость вращения маховика, I гл и I вт – главный и второстепенный моменты импульса маховика. Угол формируется за счет импульсного воздействия внешнего момента импульса на маховик, которое создает отклонение момента импульса маховика от направления его главной оси. Именно он определяет амплитуду нутации. Как следует из этого соотношения скорость нутации пропорциональна скорости вращения маховика. В гироскопических приборах нутация достаточно быстро затухает за счет сил трения в осях маховика.

Основы модели Для вынужденной прецессии W = - (mr / I гл) g Где W – вектор скорости прецессии P = mr g – момент внешней постоянно действующей силы. Как следует из этого соотношения: 1. Вектор скорости вращения маховика движется в направлении вектора приложенного внешнего момента P (созданного в нашей модели грузом) оставаясь в плоскости, перпендикулярной к вектору силы (тяжести). 2. Угловая скорость прецессии W обратно пропорциональна моменту импульса гироскопа (I) и пропорциональна моменту внешней силы (тяжести груза) P.

Гироскопы направления Гироскопы направления - это гироскопические приборы, которые указывают неизменное в азимуте направление. Они предназначены для выдерживания заданного направления движения объекта и осуществления его разворота на определенный угол. Гироскопы направления широко применяются в авиации, на морских и наземных подвижных объектах, как для визуального контроля курса, так и в системах автоматического управления объектом. Гироскопы направления называют также гирополукомпасами, гироазимутами, курсовыми гироскопами или указателями ортодромического курса.

Гироскопы направления Гироскопы направления реализуют на борту подвижного объекта направление в азимуте, в идеальном случае, неизменно связанное с Землей. Свободный гироскоп с тремя степенями свободы, сохраняя неизменным направление главной оси в инерциальной системе, по отношению к направлению на Земле получит видимый уход. ( Инерциа́льная систе́ма отсчёта (ИСО) система отсчёта, в которой справедлив закон инерции: все свободные тела (то есть такие, на которые не действуют внешние силы) движутся прямолинейно и равномерно или покоятся).

Гироскопы направления Уход принято характеризовать углами отклонения внутренней и внешней рамок от их первоначального расположения при вращении земли (или, что то же самое, углами отклонения оси маховика по оси вращения внутренней и внешней рамки) в системе (неинерциальной), связанной с поверхностью земли.

Гироскопы направления Иными словами, пусть карданный подвес гироскопа жестко закреплен в некоторой точке поверхности земли, тогда из-за вращения земли ось гироскопа поворачивается на некоторый угол в горизонтальной плоскости, связанной с землей – вращение внешней рамки и соответственно оси маховика и на некоторый угол в вертикальной плоскости – вращение внутренней рамки и соответственно оси маховика.

Гироскопы направления

Скорость изменения горизонтального ухода – угла зависит от широты расположения гироскопа и скорости вращения земли и определяется формулой d/dt = - U sin() Где U – угловая скорость вращения земли, - широта. На северном полюсе она максимальная и направлена против вращения земли, а на экваторе гироскоп в горизонтальной плоскости не вращается.

Гироскопы направления Скорость изменения горизонтального ухода – угла зависит от широты расположения гироскопа и скорости вращения земли и определяется формулой d/dt = - U sin() Где U – угловая скорость вращения земли, - широта. На северном полюсе она максимальная и направлена против вращения земли, а на экваторе гироскоп в горизонтальной плоскости не вращается.

Гироскопы направления Скорость изменения вертикального ухода – угла также зависит от широты расположения гироскопа, скорости вращения земли и еще от угла отклонения от направления на север в горизонтальной плоскости d/dt = - U sin() cos() Где, как и раньше, U – угловая скорость вращения земли, - широта, а в качестве угла отклонения от направления на север выбран угол в предположении, что начальное значение этого угла было нулевым. На северном полюсе скорость нулевая, а на экваторе она зависит от направления оси в горизонтальной плоскости – если ось направлена на север – нулевая, если ось перпендикулярна направлению на север - максимальная.

Гироскопы направления

Кинематическая схема

Гироскоп направления (ГН) представляет собой трехстепенный астатический гироскоп ось наружной рамки которого, расположена вертикально, а оси главная и внутренней рамки - в плоскости горизонта. Чтобы гироскоп имел неизменную ориентацию в географической системе координат, необходимо заставить его вращаться относительно инерциальной системы координат со скоростью поворота географической системы координат. Это достигается с помощью горизонтальной и азимутальной систем коррекции.

Кинематическая схема Горизонтальная система коррекции предназначена для удержания главной оси гироскопа в плоскости горизонта и бывает двух типов: межрамочной и маятниковой. Чувствительным элементом межрамочной коррекции является датчик угла ДУгк - установленный на оси внутренней рамки гироскопа.

Кинематическая схема При отклонении главной оси от перпендикуляра к оси наружной рамки с датчика угла ДУгк снимается сигнал и подается на двигатель горизонтальной коррекции Дгк, который развивает момент такого направления, чтобы прецессируя. главная ось совместилась с перпендикуляром к оси наружной рамки.

Кинематическая схема Так как ось наружной рамки располагается вертикально, то главная ось гироскопа придет в плоскость горизонта. Межрамочная коррекция обеспечивает слежение главной оси гироскопа за перпендикуляром к оси наружной рамки и при отклонении оси наружной рамки от вертикали, например, при углах тангажа и крена объекта, главная ось не придет в плоскость горизонта. Более широкое применение получила маятниковая горизонтальная коррекция.

Кинематическая схема Чувствительным элементом маятниковой горизонтальной коррекции является жидкостный маятниковый чувствительный элемент ЧЭ (маятниковое устройство уровневого типа), установленный на гироузле. При отклонении главной оси от плоскости горизонта чувствительный элемент выдает сигнал на двигатель горизонтальной коррекции, который вызывает прецессию гироскопа относительно оси внутренней рамки, устанавливая главную ось в плоскость горизонта.

Кинематическая схема Горизонтальное отклонение опасно тем, что при совмещении главной оси гироскопа с осью наружной рамки трехстепенный гироскоп теряет устойчивость. Система горизонтальной коррекции поддерживает угол отклонения главной оси от плоскости горизонта близким к нулю, что упрощает формирование момента системы азимутальной коррекции.

Кинематическая схема Горизонтальное отклонение опасно тем, что при совмещении главной оси гироскопа с осью наружной рамки трехстепенный гироскоп теряет устойчивость. Система горизонтальной коррекции поддерживает угол отклонения главной оси от плоскости горизонта близким к нулю, что упрощает формирование момента системы азимутальной коррекции.

Кинематическая схема Горизонтальное отклонение опасно тем, что при совмещении главной оси гироскопа с осью наружной рамки трехстепенный гироскоп теряет устойчивость. Система горизонтальной коррекции поддерживает угол отклонения главной оси от плоскости горизонта близким к нулю, что упрощает формирование момента системы азимутальной коррекции.

Кинематическая схема Азимутальная система коррекции состоит из датчика момента Д АК и блока азимутальной коррекции БАК. Блок азимутальной коррекции формирует сигнал, который подается на управляющую обмотку датчика момента. Датчик момента создает момент М АК, вызывающий прецессию гироскопа вслед за вращающимся земным направлением (при cos = 1) со скоростью

Кинематическая схема Здесь U – угловая скорость вращения земли - широта Н - модуль момента импульса гироскопа Н = |I |. (Если Cos существенно отличается от 1, то в приведенной формуле следует заменить Н на Н Cos ). Так как по величине и направлению скорость прецессии гироскопа равна вертикальной составляющей угловой скорости Земли, то главная ось как бы «привязывается» к какому-либо направлению в азимуте. В системе азимутальной коррекции в этом случае должен формироваться момент по закону M АК = Н U Sin

Кинематическая схема Азимутальная коррекция, как видим, выполнена по разомкнутой схеме, она лишь вращает гироскоп относительно оси наружной рамки со скоростью U Sin. Это, разумеется, может привести направление вращения в плоскость наружной рамки т.е. в направление нестабильности гироскопа. Главная ось гироскопа безразлична ко всем направлениям в азимуте; она сохраняет то направление, в которое была установлена вначале.

Кинематическая схема Таким образом, под действием горизонтальной коррекции главная ось гироскопа удерживается в плоскости горизонта, а под действием азимутальной коррекции сохраняет первоначальное направление главной оси в азимуте. Главная ось гироскопа автоматически не может устанавливаться в плоскость меридиана. По этой причине гироскоп направления называют гирополукомпасом. В плоскость меридиана главная ось гироскопа направления может быть выставлена с помощью других указателей плоскости меридиана.

Кинематическая схема Съем информации об угле поворота объекта осуществляется с помощью шкалы, связанной с корпусом прибора и стрелки, связанной с наружной рамкой гироскопа. Датчик угла ДУ преобразует угол поворота объекта в электрический сигнал, который передается потребителям.

Кинематическая схема При движении в высоких широтах помимо вращения земли следует учитывать скорость движения объекта. Действительно, пусть объект движется по ортодромии, как показано на рисунке.

Кинематическая схема

Тогда скорость вращения будет равна U Sin + V tg. В высоких широтах второе слагаемое может оказаться сколь угодно большим. Если не принять специальных мер это неизбежно приведет к уходу показаний гирокомпаса направления от истинного значения. Однако, если направление главной оси маховика совпадало с направлением движения, то гирокомпас будет «хранить» его и верно указывать выбранное направление движения. В этом качестве он оказывается более предпочтительным по сравнению с гирокомпасами и магнитными компасами.

Кинематическая схема Азимутальная коррекция может осуществляться и за счет смещения центра масс в направлении главной оси маховика, как показано на рисунке – это так называемая моментная азимутальная коррекция.

Кинематическая схема

Груз массой m должен создавать такой же момент, как и корректирующий датчик момента т.е. mgl = HU Sin Где l – расстояние между центрами масс маховика и груза. Недостатком моментной азимутальной коррекции является зависимость точности гироскопа направления от ускорения движения объекта и нестабильности параметров l и Н, а также сложность изменения момента коррекции при изменении широты.

Кинематическая схема С другой стороны, очевидным недостатком азимутальной коррекции с моментным датчиком является влияние на точность наличия направления нестабильности и угла. Кроме того, любые ускорения конкурирующие с силой тяжести, создадут погрешности в работе. Альтернативным решением может служить гироскопы направления построенные на принципе кинематической азимутальной коррекции.

Кинематическая схема.

При кинематической азимутальной коррекции к гироскопу не прикладывается корректирующий момент. Вместо этого вращается элемент отсчетного устройства – шкала 2 на приведенном рисунке. При таком подходе исключается нестабильность кинематического момента, однако влияние угла сохраняется.

Погрешности гиронаправления Первый тип погрешностей, определяющих скорость ухода (дрейфа) направления главной оси составляют погрешности, образующие момент в осях внутренней рамки. Это так называемая инструментальная погрешность. Его компонента Mx складывается из момента сухого трения в опорах оси, момента несбалансированности, момента тяжения токопроводов, момента неравной жесткости элементов крепления и прочих моментов. Преобладающим здесь является момент сухого трения.

Погрешности гиронаправления Для снижения моментов трения на оси внутренней рамки применяются сверхпрецизионные двухколечные шарикоподшипники, трехколенные шарикоподшипники с прокачкой среднего кольца, другие схемы «оживления» опор, а также бесконтактные подвесы.

Погрешности гиронаправления При ускоренном движении объекта возникают моменты, связанные с отклонением центра масс маховика от геометрического центра пересечения осей рамок. Обозначим этот вектор отклонения тогда при движении с ускорением a будет возникать момент M = m [ a]. Главную опасность, при этом представляет составляющая, направленная по оси внутренней рамки, так как она приведет к отклонению оси вращения в горизонтальной плоскости. Это означает, что основная погрешность определяется компонентой вектора, направленной вдоль оси маховика.

Погрешности гиронаправления Именно это отклонение значительно в системе с моментной азимутальной коррекцией. Таким образом, гиронаправления этого типа оказываются непригодными к использованию на объектах, движущихся со значительными ускорениями.

Погрешности гиронаправления При ускоренном движении появляются также моменты от неравной жесткости конструкции в различных направлениях. При этом, основную роль играет разность в жесткости конструкции в вертикальном направлении и направлении оси маховика, ответственные за создание момента в направлении оси внутренней рамки. При конструировании гироскопа применяются меры для стабилизации центра масс – термобиметаллические компенсаторы, предварительный осевой натяг вдоль оси маховика и др. Инструментральные погрешности компенсируются регулировкой системы горизонтальной коррекции.

Погрешности гиронаправления К возникновению погрешности ведет также неточное введение параметров U, H и. Поскольку азимутальная коррекция является разомкнутой и определяется только этими параметрами.

Погрешности гиронаправления Следующий класс погрешностей составляют так называемые методические погрешности. К методическим погрешностям относятся карданова и виражная погрешности.

Погрешности гиронаправления Карданова погрешность возникает при отклонении оси наружной рамки от вертикали. Если гирополукомпас установлен непосредственно на корпусе судна, то при углах крена и тангажа ось наружной рамки гироскопа отклоняется от вертикали. Вместе с наружной рамкой отклоняется устройство съема информации: шкала, укрепленная на корпусе прибора и стрелка, связанная с наружной рамкой.

Погрешности гиронаправления.

В этом случае отсчет утла поворота судна осуществляется не в горизонтальной плоскости, а в плоскости перпендикулярной оси наружной рамки, из-за чего появляется погрешность в определении утла поворота. Эта погрешность называется кардановой и является погрешностью геометрического типа. Она не зависит от параметров гироскопа направления и появляется при несовпадении осей поворота судна с осями карданова подвеса. Отклонение судна по углу крена может достигать больших значений.

Погрешности гиронаправления Поскольку tg 1 = tg cos то = - argtg (tg cos ). Экстремальное отклонение получается для углов, определяемых соотношением На следующем слайде приведена зависимость кардановой погрешности от курса при углах крена 30 и 60.

Погрешности гиронаправления

В гироскопе направления с межрамочной коррекцией при длительном крене главная ось уходит из плоскости горизонта и устанавливается по оси Оу н. Это приводит к тому, что при последующем выравнивании прибора ошибка не исчезает. Для устранения кардановых погрешностей гирополукомпас устанавливают в дополнительный карданов подвес, который следящими системами, связанными с вертикалью, удерживается в горизонтальной плоскости. Карданова погрешность исключается в курсовертикалях основанных на трехосных гиростабилизаторах. в которых курсовой гироскоп установлен на горизонтальной платформе.

Погрешности гиронаправления Виражная погрешность накапливается в течение виража в гирополукомпасе с межрамочной горизонтальной коррекцией. Как и в случае с кардановой погрешностью источником погрешности является отклонение рамки гироскопа от вертикали при углах крена на вираже. Будем для иллюстрации понятия считать, что вираж осуществляется с постоянным углом крена 0 и приводит к полному повороту судна на 360. (Что на практике не целесообразно и вряд ли осуществимо).

Погрешности гиронаправления

Здесь (,,) – базовая инерционная система координат. (x н y н z н ) – система координат, связанная с наружной рамкой. При осуществлении виража апекс оси z н осуществляет вращение по окружности в направлении (BCD) по секторам 1,2,3,4. Корректирующий момент при жесткой коррекции создает такую скорость прецессии, чтобы момент инерции маховика оставался перпендикулярным оси z н. В соответствии с условиями работы рамочной коррекции это означает, что вектор линейной скорости прецессии апекса маховика направлен по направлению оси z н.

Погрешности гиронаправления Как видно из рисунка, при движении апекса оси наружной рамки от точки В к точке С в секторе 1 рамка наклоняется вниз и, соответственно, вектор скорости апекса маховика будет направлен в противоположном к оси z н направлении. Поэтому проекция этого вектора на ось отрицательна. В точке С наружная рамка начинает отклоняться вверх, но и проекция угла между осью z н и на плоскость (,) в секторе 2 меняется на противоположную. В результате проекция вектора скорости прецессии на ось остается отрицательной.

Погрешности гиронаправления Эта ситуация сохранится и в секторе 3. При переходе в сектор 4 вектор скорости прецессии апекса маховика снова изменится на противоположный, но и проекция угла между осью z н и на плоскость (,) изменится на противоположную так что знак проекции этого вектора на ось остается отрицательной. Таким образом накапливается погрешность в горизонтальном направлении оси маховика.

Погрешности гиронаправления Виражная погрешность возрастает с увеличением угла крена, эффективности системы горизонтальной коррекции и уменьшается с увеличением скорости виража. Особенно велика виражная погрешность в гирополукомпасе основанном на одноосном силовом гиростабилизаторе с большим коэффициентом усиления цепи стабилизации. В навигационных гирополукомпасах виражная погрешность составляет 1-2° за один полный оборот виража.

Гиромагнитные компасы Прежде чем перейти к изучению устройства и принципов работы гиромагнитного и гироиндукционного компасов остановимся на устройстве магнитного и индукционного компасов. Магнитное поле Земли в любой точке пространства характеризуется вектором Т напряженности магнитного поля. Вектор Т наклонен к плоскости горизонта под углом. Угол называют углом наклонения или наклонением. tg = Z/H, где Z – вертикальная, а H – горизонтальная составляющие вектора магнитного поля Земли.

Гиромагнитные компасы Плоскость O c - плоскость географического меридиана.

Гиромагнитные компасы Плоскость O m - плоскость магнитного меридиана. Угол между плоскостями магнитного и географического меридианов – магнитное склонение. tg = H в /H с где H в – восточная, а H с – северная составляющие вектора магнитного поля Земли. Для учета магнитных склонений имеются магнитные карты, которые представляют собой географические карты с нанесенными на них линиями равных значений элементов магнитного поля Земли. Линии равных значений Н или Z называют изодинами линии равного наклонения - изоклинами, линии равного склонения изогонами.

Гиромагнитные компасы Магнитное склонение непостоянно из-за перемещения магнитных полюсов, из-за магнитных аномалий на Земле и магнитных бурь. В северном полушарии (относительно магнитного экватора) магнитная стрелка стремится наклониться северным концом вниз. Для устранения этого наклона южный конец магнитной стрелки делают тяжелее.

Схема магнитного компаса

Магнитный компас Чувствительным элементом магнитного компаса является подвижная система, называемая картушкой. Картушка компаса состоит из шкалы 7 (тонкий латунный или алюминиевый диск с нанесенными делениями от нуля до 360 ), укрепленной на поплавке 9. К поплавку прикреплена пара стержневых магнитов 2. Оси магнитов параллельны линии ° на шкале. Картушка компаса опирается шпилькой 5 на подпятник 4 из твердого камня (сапфир, агат) закрепленного на колонке 1. Корпус 8 компаса герметичен, в него налита жидкость (лигроин).

Магнитный компас Для компенсации изменения объема жидкости при изменении температуры используется гофрированная мембранная коробка 10. Жидкость осуществляет демпфирование колебаний картушки, разгружает опору, уменьшая давление шпильки на подпятник, чем снижает момент трения в опоре. Картушка сбалансирована так, что на неподвижном основании шкала горизонтальна, а центр масс картушки находится ниже точки опоры. Отсчет показаний компаса ведется через стекло 6 с помощью шкалы и индекса 3, укрепленного на корпусе компаса.

Модель магнитного компаса Первоначальное отклонение направления оси магнитов от магнитного меридиана приводит к затухающим колебаниям. Математическая модель этих колебаний может быть представлена в виде: J d 2/dt 2 + f d/dt + HM Sin = -M T sign(d/dt) Здесь - угол отклонения оси магнитов от магнитного меридиана, J – момент инерции картушки, f - коэффициент демпфирования жидкости, Н – напряженность магнитного поля земли, М – магнитный момент магнитов, M T момент трения в опоре.

Погрешности магнитного компаса Таким образом из этой модели получаем, что частота колебаний = HM/J, декремент затухания = f/J, и погрешность показания (точка остановки колебаний) = M T / J. Кроме погрешности, вызванной трением в опоре, возникают погрешности при развороте объекта в азимуте вследствие того, что жидкость, заполняющая компас приходит во вращение из-за трения между жидкостью и корпусом. После прекращения разворота объекта, жидкость продолжает вращаться по инерции, увлекая за собой картушку. Погрешности компаса вызываются также креном объекта, его ускоренным движением.

Погрешности магнитного компаса Существенные погрешности в показания магнитного компаса вносит девиация. Девиация компаса - это отклонение картушки от плоскости магнитного меридиана вследствие искажения магнитного поля Земли железом, магнитами и магнитными полями, создаваемыми электрооборудованием объекта.

Индукционный компас Индукционный компас отличается от магнитного использованием феррозонда в качестве чувствительного элемента вместо магнитной стрелки. Феррозонд представляет собой два пермаллоевых стержня, расположенных параллельно друг другу и намагничиваемых в противоположном направлении. Магнитные свойства пермаллоя приводят к быстрому насыщению магнитного поля – вектор магнитной индукции не увеличивается при росте магнитной напряженности внешнего поля.

Ферродатчик Здесь 1 – пермаллоевые стержни, 2- первичная обмотка (обмотка возбуждения), 3 – вторичная (сигнальная) обмотка.

Ферродатчик При отсутствии внешнего магнитного поля магнитные потоки в стержнях равны и противоположно направлены. Результирующий магнитный поток во вторичной обмотке равен нулю и э.д.с. не наводится (U 2 =0). При этом, магнитная проницаемость стержней меняется синхронно протекающему току от максимальной при нулевом токе до нуля при токе превышающем порог насыщения. В результате постоянное магнитное поле земли синхронно (с удвоенной частотой – в момент нулевого тока) проникает внутрь вторичной обмотки и наводит в ней э.д.с., пропорциональную проекции поля земли на направление зонда.

Индукционный компас Индукционный компас состоит из чувствительного элемента называемого индукционным датчиком ИД и указателя У, связанного с датчиком дистанционной передачей. Индукционный датчик вырабатывает сигнал, зависящий от магнитного курса. Он устанавливается в том месте объекта, где мала магнитная девиация. Указатель крепится на приборной доске. Индукционные датчики бывают трехзондовые и двухзондовые. На следующем рисунке показана схема трехзондового индукционного компаса.

Индукционный компас Сигнальные обмотки феррозондов Ф х, Ф 2 и Ф 3 соединены с обмотками статора сельсина приемника, находящегося в указателе У.

Индукционный компас Напряжения в сигнальных обмотках феррозондов, пропорциональные проекциям вектора Н на их магнитные оси создают в трехфазной обмотке сельсина токи, в результате чего в статоре сельсина возникает магнитный поток Ф, направление которого совпадает с направлением вектора Н. Этот поток наводит в обмотке ротора сельсина э.д.с, которая после усиления подается на обмотку управления двигателя ДВ. Двигатель поворачивает ротор сельсина до тех пор, пока магнитная ось обмотки ротора не установится перпендикулярно потоку Ф. На роторе сельсина расположена шкала Ш, указывающая магнитный курс.

Индукционный компас Погрешности индукционного компаса возникают из-за неодинаковости механических, электрических и магнитных параметров феррозондов, из-за погрешности во взаимной ориентации их магнитных осей, из-за погрешности сельсина-приемника. Погрешности индукционного компаса существенно уменьшаются, если использовать схему с двумя ортогональными чувствительными элементами и вместо сельсина синус-косинус вращающий трансформатор – СКВТ.

Гиромагнитные компасы Гиромагнитный компас является комплексным курсовым прибором, содержащим гироскоп направления и магнитный компас. Аналогичный прибор, содержащий гироскоп направления и индукционный компас, называется гироиндукционным компасом. Оба эти компаса отличаются лишь чувствительным к магнитному полю Земли элементом и принципиального различия не имеют. На следующем рисунке представлена схема гиромагнитного компаса.

Гиромагнитные компасы

Кинематическая схема В состав гиромагнитного компаса входит гироскоп направления с маятниковой или межрамочной горизонтальной коррекцией и магнитный датчик, изображенный в виде магнитной стрелки МС. С магнитной стрелкой связана щетка потенциометрического датчика угла, а потенциометр укреплен на наружной рамке гироскопа. Выходной сигнал датчика угла - это напряжение, снимаемое со щетки и средней точки потенциометра. Этот сигнал подается на двигатель азимутальной коррекции Д ак.

Кинематическая схема Двигатель азимутальной коррекции включен так, чтобы момент М АК вызвал прецессию главной оси гироскопа в сторону совмещения ее с направлением магнитной стрелки. Таким образом, главная ось гироскопа будет устанавливаться в плоскость магнитного меридиана. При развороте объекта в азимуте можно отключить магнитный датчик и контролировать угол поворота по гироскопу направления. В этом приборе устраняются недостатки магнитного (индукционного) компаса, связанные с увлечением картушки при развороте объекта, его колебаниях и влиянием вертикальной составляющей напряженности магнитного поля Земли.

Гиромагнитные компасы В схеме моментной коррекции сравниваются сигналы магнитного (индукционного) датчика магнитного курса и датчика угла ДУ 1, установленного на выходной оси (оси наружной рамки) гироскопа. Разностный сигнал через усилитель поступает на двигатель азимутальной коррекции Д АК. Момент, развиваемый этим двигателем, вызывает прецессию гироскопа вокруг оси наружной рамки до совпадения сигналов датчика магнитного курса и гироскопа. Выходной сигнал снимается с датчика угла ДУ 2.

Гиромагнитные компасы Поскольку скорость вынужденной прецессии гироскопа обратно пропорциональна угловой частоте маховика, то колебания маховика существенно меньше колебаний магнитной стрелки. В схеме кинематической коррекции также вырабатывается разностный сигнал. Однако он используется не для изменения положения гироскопа в азимуте, а для изменения положения статора выходного датчика угла. Двигатель азимутальной коррекции Д АК через редуктор поворачивает стакан, в котором закреплены статор датчиков угла ДУ 1 и ДУ 2. В рассматриваемых приборах имеется система горизонтальной коррекции, работающая также, как в гироскопе направления.

Гиромагнитные компасы Контрольные вопросы 1.Чем объяснить широкое применение гироскопов направления, хотя они не обладают избирательностью по отношению к направлению на север? 2. Чем обусловлена необходимость горизонтальной коррекции в гироскопе направления и почему угол необходимо поддерживать близким нулю? 3.В чем принципиальная разница между гироскопом направления как указателем истинного курса и указателем ортодромического курса? 4. Одинаковые ли требования должны предъявляться к подшипникам внутренней и наружной рамок гироскопа направления?

Гиромагнитные компасы Контрольные вопросы 5. Определить величину смещения центра масс гиромотора, обеспечивающую азимутальную коррекцию на широте = 60° (смещенная масса m = 0,5 кг). 6. Записать выражение момента горизонтальной коррекции, обеспечивающего работоспособность гироскопа направления. 7. Какая из типов азимутальной коррекции подвержена влиянию ускорений? 8. Как отразится на работе гироскопа направления изменение направления вращения ротора гироскопа? 9. Изобразить схему дистанционной передачи, связывающей индукционный датчик с указателем индукционного компаса.схему

Гироскопические компасы Гироскопические компасы (ГК) - это приборы, предназначенные для определения курса подвижных объектов. В ГК гироскоп обладает свойством избирательности к плоскости географического меридиана. При включении прибора главная ось гироскопа «находит» плоскость меридиана и удерживается в ней при любых маневрах подвижного объекта. Гирокомпасами оснащены все военные корабли, подводные лодки, все морские торговые, пассажирские, рыболовные и исследовательские суда.

Гироскопические компасы В основе ГК лежит трехстепенный гироскоп, ось наружной рамки которого должна располагаться так же, как в гироскопе направления - по вертикали, главная ось и ось внутренней рамки - в плоскости горизонта. Центр масс гироскопа смещен по отношению к точке подвеса гироскопа вниз на величину l, тем самым гироузлу придана нижняя (положительная) маятниковость.

Гироскопические компасы

Пусть гирокомпас расположен на Земле в северном полушарии на широте так, что главная ось горизонтальна и отклонена к востоку на угол 0. Плоскость меридиана вращается относительно вертикали со скоростью Usin и, следовательно, апекс (единичный вектор оси вращения) А перемешается к востоку с той же линейной скоростью V 1 = Usin. Плоскость горизонта вращается со скоростью U cos. Её проекции на ось внутренней рамки и главную ось гироскопа определяются выражениями Ucos sin 0 и Ucos cos 0. Т.е. плоскость горизонта относительно оси внутренней рамки вращается со скоростью U cos sin 0 и, следовательно, апекс гироскопа поднимается над плоскостью горизонта со скоростью V 2 = U cos sin 0. Скорости V 1 и V 2 обусловлены угловыми скоростями «видимого», «кажущегося» ухода гироскопа.

Гироскопические компасы Подъем главной оси над плоскостью горизонта на угол создает маятниковый момент mgl sin, который вызывает прецессию гироскопа со скоростью V 3 = mgl sin/H cos. В результате апекс будет прецессировать по вытянутой траектории, изображенной на рисунке.

Гироскопические компасы

С ростом угла скорость V 3 растет и при угле = ч (точка A 1 ) уравнивается с постоянной (не зависящей от и ) скоростью V 1. В точке A 1 главная ось будет отклонена от плоскости меридиана на максимальный угол, которому соответствует максимальная скорость V 2. После точки A 1 V 3 > V 1, поэтому апекс движется к плоскости меридиана и поднимается над плоскостью горизонта. В точке А 2

Гироскопические компасы В точке А 2 главная ось будет отклонена на максимальныи угол, скорость V 3 достигнет максимального значения, a V 2 = 0, так как главная ось находится в плоскости меридиана ( = 0). Так как V 3 >V 1 то апекс перейдет в западную половину плоскости горизонта. Скорость V 2 изменит направление на противоположное и угол начнет уменьшаться. В положении А 3 апекс перемещается с той же по величине скоростью, что и в положении А, но с противоположным для составляющей V 2 направлением.

Гироскопические компасы В точке поворота А 4 снова V 3 = V 1 и продолжает уменьшаться, а V 2 – достигает максимального значения и начинает уменьшаться. В точке А 5 составляющая V 3 станет равной нулю и за этой точкой поменяет направление на противоположное, совпадающее с V 1. Далее при пересечении оси О изменится направление составляющей V 2 и прецессия будет направлена в сторону горизонтальной плоскости.

Гироскопические компасы Разумеется этот анализ справедлив лишь в небольшой окрестности нуля для углов и. Если линеаризовать представленною систему в предположении малости углов и, то траектория апекса окажется близкой к эллипсу. Таким образом, апекс гироскопа с пониженным центром масс, совершает вокруг оси в плоскости меридиана незатухающие эллиптические колебания. Т.е. такой гироскоп «чувствует» плоскость меридиана.

Гироскопические компасы Координаты центра эллипса нетрудно определить из условий: V 1 =V 3 и V 2 = 0: tg ч = HUsin/mgl ч и ч = 0. Частоту колебаний также нетрудно определить используя представленные зависимости. Скорость изменения угла V 3 - V 1 имеет переменную составляющую, пропорциональную с коэффициентом mgl/H, а скорость изменения угла имеет составляющую, V 2 пропорциональную углу с коэффициентом U cos. Таким образом квадрат частоты колебаний равен: 0 2 = mgl U cos /H. А соотношение между осями эллипса равно 2 = 2 / 2 = H U cos /mgl

Гироскопические компасы Например, для гирокомпаса «Курс-4» с параметрами Н = 15,55 Н м с; mgl = 0,657 Н м на широте = 60°. Период колебаний равен: А соотношение между осями:

Гироскопические компасы Таким образом, главная ось гироскопа, установленного на Земле, совершает незатухающие колебания относительно оси динамического равновесия, лежащей в плоскости меридиана ( ч = 0) и приподнятой над плоскостью горизонта на угол ч. При этом угол ч автоматически устанавливается таким, что скорость прецессии гироскопа в азимуте mgl tg ч /H совпадает со скоростью вращения Usin. Для приведенного примера ч = 15,557, ,86657,360/0,657 = 5,1

Гироскопические компасы Для того, чтобы гирокомпасом можно было пользоваться, необходимо погасить его колебания. Гасить колебания гирокомпаса за счет увеличения моментов трения в осях подвеса гироскопа нецелесообразно. Поэтому, для демпфирования колебаний применяются специальные устройства, Используются два способа демпфирования: метод горизонтального момента и метод вертикального момента.

Горизонтальное демпфирование При демпфировании колебаний ГК методом горизонтального момента создается дополнительный горизонтальный момент жидкостным успокоителем, который представляет собой два сообщающихся сосуда укрепленных в верхней части гироузла с северной и южной сторон. Сосуды примерно до половины наполнены вязкой жидкостью.

Горизонтальное демпфирование При колебаниях гироузла в вертикальной плоскости происходит перетекание жидкости из одного сосуда в другой. Диаметр соединительной трубки и вязкость жидкости подбираются такими, чтобы колебания жидкости запаздывали по фазе на четверть периода относительно колебаний самих сосудов (гироузла) при равенстве периодов тех и других колебаний. За счет избытка жидкости в одном из сосудов создается горизонтальный момент, который вызывает дополнительную прецессию всегда направленную к плоскости меридиана.

Горизонтальное демпфирование Апекс гироскопа по эллиптической спирали приходит в положение равновесия, которое совпадает с плоскостью меридиана ( ч = 0) и приподнято над плоскостью горизонта на угол ч. Погашение колебаний этим методом применяется в двухроторных гирокомпасах.

Вертикальное демпфирование Сущность метода вертикального момента заключается в таком подвесе маятника к гироузлу, при котором маятник прикладывает к гироскопу момент не только вокруг горизонтальной, но и вокруг вертикальной осей подвеса. Для этого серповидный маятник укрепляют на горизонтальной оси независимо от гироузла 4 и соединяют с гироузлом с помощью штифта 3. Штифт жестко связан с гироузлом и с малым зазором входит в отверстие 2 серповидного маятника. Ось штифта в плоскости xOz отклонена от вертикали к востоку на малый угол

Вертикальное демпфирование.

При отклонении главной оси гироскопа на угол маятник создает момент mgl, направленный по оси, перпендикулярной оси штифта. Этот момент имеет горизонтальную составляющую: М х = - mgl cos mgl осуществляющую горизонтальнцю коррекцию и вертикальную составляющую M g = - mgl sin -mgl = -D, где D = mgl которая обеспечивает гашение колебаний.

Вертикальное демпфирование Дополнительный момент по вертикальной оси приведет к возникновению дополнительной скорости апекса по вертикальному направлению V 4 = - D/H. Точка поворота траектории апекса сместится в соответствии с условием V 2 = V 4 и траектория приобретет следующий вид.

Вертикальное демпфирование.

Равновесие будет достигнуто при условиях V 1 = V 3 и V 2 = V 4. То есть при Usin = mgl ч /H и Ucos sin ч = D ч /H Или ч = HUsin /mgl, sin ч = tg. Таким образом, демпфирование колебаний методом вертикального момента приводит к возникновению методической погрешности ч, которую часто называют широтной. В высоких широтах эта погрешность принимает недопустимо большие значения.

Вертикальное демпфирование Наличие демпфируюещей добавки в колебательной системе приведет к экспоненциальному затуханию колебаний с декрементом затухания, равным коэффициенту h = D/H. Кроме того, изменится частота колебаний на квадрат половины этого коэффициента 0 2 = mgl U cos /H – D 2 /4H 2. В результате прецессия будет выглядеть так, как показано на следующем слайде.

Вертикальное демпфирование.

Учет движения судна Если учитывать скорость движения судна, то к вектору вращения земли следует добавить дополнительное вращение V/R, ось которого направлена перпендикулярно плоскости, содержащей вектор V и радиус-вектор R. Поскольку вектор V лежит в плоскости горизонта, то его удобно разложить на две ортогональные составляющие – восточную и северную, в направлении истинного севера и востока: V = V в + V с.

Учет движения судна Восточная составляющая обеспечит дополнительное вращение, которое следует добавить к скорости вращения Земли U+V в /Rcos. Северная составляющая обеспечит дополнительную скорость движения апекса гироскопа в направлении - добавку к скорости V 1 = Usin : V 1 = Usin -V c /R. Кроме того движение судна создаст силы инерции, определяемые ускорением V = dV/dt, и соответственно дополнительные моменты, воздействующие на груз m.

Учет движения судна Для учета этих моментов удобно ускорение также разложить по северному и восточному направлениям. Имеем: M x = ml V c, M y = - ml V в. Кроме того, дополнительный момент по вертикальной оси также изменится на величину M z = ml V c = D V c /g. Под действием восточного ускорения V в ось наружной рамки будет устанваливаться в видимое вертикальное положение, отличающееся от реального на значение arctg(V в /g).

Учет движения судна При движении корабля с постоянной скоростью V и постоянным курсом главная ось гироскопа в положении динамического равновесия будет указывать направление вектора горизонтальной составляющей вектора вращения. На Земле горизонтальная составляющая угловой скорости Земли Ucos направлена вдоль оси, совпадающей с северным направлением. При движении корабля, северная составляющая вектора скорости создает дополнительное вращение вектор которого направлен вдоль оси, совпадающей с западным направлением. В результате направление вектора фактического вращения откланяется на угол v, где

Учет движения судна tg v = Vcos / (URcos + Vsin ) - направление истинного курса.

Учет движения судна Поскольку угол достаточно мал и V c =Vcos, то приближенно можно считать, что он представляет собой методическую поправку вида v = V c /URcos в западном направлении. С другой стороны, ускорение в северном направлении создает инерционный момент, приводящий к изменению угла с дополнительной скоростью и = M x /H= ml V c /H, в восточном направлении.

Учет движения судна Можно выбрать параметры гироскопа так, чтобы скорость изменения методической поправки и скорость инерционной поправки совпадали. В этом случае методическая погрешность будет автоматически компенсироваться инерционной. Равенство коэффициентов при северном ускорении определяется соотношением H = ml URcos Поскольку собственная частота прецессии гирокомпаса равна 0 2 = mgl U cos /H, то для такого гирокомпаса получаем 0 2 = g/R, то есть частота совпадает с частотой колебаний маятника с нитью, длина которой равна радиусу Земли.

Учет движения судна Условие компенсации инерционной погрешности носит название условия невозмущаемости или условия Шулера по имени немецкого ученого Макса Шулера, впервые сформулировавшего это условие. Разумеется все современные гирокомпасы с маятниковой коррекцией построены с соблюдением этого условия. Нетрудно определить, что период Т 0 отвечающий частоте 0 равен Т 0 = 84,4 мин. Именно этот период ранее был вычислен для гирокомпаса Курс 4.

Учет движения судна Так как период собственных колебаний ГК зависит от широты места, то необходимо изменять один из параметров m, Н или l чтобы период Т 0 оставался постоянным в рабочем диапазоне широт. Такие гирокомпасы получили название апериодических. В широко применяемых двухроторных ГК настройка на период Шулера осуществляется за счет изменения кинетического момента и чаще только на так называемой расчётной широте. В таких ГК инерционная погрешность первого рода растет по мере удаления от расчетной широты.

Учет движения судна Ускорение корабля оказывает влияние на движение ГК через демпфирующее устройство. Отклонение главной оси гироскопа в азимуте, вызываемое этим влиянием, называется инерционной погрешностью второго рода. Наличие инерционного момента второго рода M z = D V c /g приводит к отклонению угла от положения равновесия ч. Если по окончании маневра судно движется равномерно, то за время, пропорциональное периоду прецессии гирокомпас вернется к положению равновесия.

Учет движения судна Более точное поведение можно установить, решая соответствующую несложную систему обыкновенных дифференциальных уравнений. Для устранения инерционной погрешности второго рода выключается демпфирующее устройство на время манёвра корабля.

Влияние качки Качка корабля представляет собой движение, создающее дополнительное ускорение, определяемое расположением гирокомпаса относительно центра качки. Период качки в среднем равен 20 секундам, что значительно меньше периода прецессии гирокомпаса Т 0 = 84,4 м. Это означает, что погрешности в показаниях гирокомпаса могут возникать только от воздействий, усредненных по периоду качки. Оказывается, что такие воздействия есть. Для их описания достаточно рассмотреть модель небольшой бортовой качки.

Влияние качки Пусть качка представляет собой маятниковое движение вокруг оси, расположенной по направлению курса корабля с маленькой амплитудой. = m sin( к t) Здесь - угол отклонения гирокомпаса, расположенного на расстоянии S над осью качки, m – амплитуда, к - частота качки.

Влияние качки

G – центр качки О – место расположения ГК, - курс. На подвес ГК действует сила инерции колебаний, которая в предположении малости амплитуды будет направлена по касательной к окружности радиуса S, с центром G расположенной в плоскости n-n. Иными словами качка действует как в горизонтальная пружина в плоскости качки n-n F = ma m sin( к t) где a m =S m к 2

Влияние качки Для дальнейшего анализа удобно разложить эту силу на северную и восточную составляющие F с = -ma m sin( к t) sin F в = ma m sin( к t) cos Составляющая F в создает мамент, направленный по главной оси гироскопа. Под действием этого момента подвес совершает колебания в плоскости внешней рамки. Ось OZ внешней рамки отслеживает кажущееся направление вертикали и также колеблется, отклоняясь на малый угол, определяемый соотношением: = F в /mg = a m sin( к t) cos/g

Влияние качки Синхронно с восточной составляющей действует северная, создавая момент Mx = F c l.

Влияние качки Нетрудно видеть, что проекция этого момента на вертикальное направление M x оказывается всегда отрицательной. M x = F c lsin F c l = -mla m 2 sin 2 ( к t) sin2/2g Среднее значение этой составляющей равно = -mla m 2 sin2/4g Под действием этого момента главная ось гироскопа прецессирует в вертикальной плоскости, которая изменяет угол ч, соответствующий равновесному положению чувствительного элемента.

Влияние качки Изменение угла приводит к отклонению главной оси гироскопа в азимуте на угол, который будет возрастать до тех пор, пока скорость прецессии по не сравняется со скоростью вращения плоскости горизонта относительно оси внутренней рамки гироскопа, т.е. пока не наступит равенство /H = U cos sin к или sin к = -mla m 2 sin2/4Hg U cos Угол к определяет погрешность гирокомпаса на качке.

Влияние качки Погрешность на качке отсутствует на главных (кардинальных) курсах: 0°; 90°; 180°; 270° и имеет максимальное значение на промежуточных (интеркардинальных) курсах: 45°; 135°; 225°; 315°. Поэтому погрешность на качке называют интеркардинальной (реже четвертной) девиацией. четвертной). Погрешность на качке зависит от параметров гирокомпаса, параметров качки, места установки прибора на корабле, широты. Погрешность на качке однороторных гирокомпасов велика и может достигать 30° и более.

Двухроторный гирокомпас При разработке гирокомпасов принимаются меры, исключающие или ослабляющие причину интеркардинальной погрешности - постоянную составляющую вертикального момента сил инерции. Эта проблема успешно решена в двухроторных гирокомпасах. В современных двухроторных гирокомпасах чувствительный элемент представляет собой герметичную сферу (1) полностью погруженную в жидкость.

Двухроторный гирокомпас

Гиросфера охвачена следящей сферой. со стороны которой через токопроводящую поддерживающую жидкость и электроды на гиросфере подводится электропитание к гироскопам 2, 3. Следящая сфера следит за положением гиросферы в азимуте и обеспечивает съем информации о курсе корабля. Гиросфера уравновешивается выталкивающей силой поддерживающей жидкости но имеет отрицательную плавучесть. Гиросфера центрируется в следящей сфере катушкой электромагнитного «дутья» 6. которая уравновешивает остаточный вес гиросферы, исключая её контакт со следящей сферой.

Двухроторный гирокомпас Внутри гиросферы установлены два двухстепенных гироскопа 2, 3. оси рамок которых расположены вертикально. Кинетические моменты Н 1 = H 2 = Н 0 и в начальном положении взаимно перпенднкулярны. Оси рамок гироскопов связаны между собой антипараллелограмом 4, который позволяет главным осям поворачиваться относительно гиросферы на равные углы, но в противоположные стороны. Пружины 5 удерживают главные оси гироскопов во взаимно перпендикулярном положении. Суммарный кинетический момент Н определяет положение главной оси гиросферы (ось Оу, ось север - юг). Модуль кинетического момента определяется выражением H=2H 0 cos 0.

Двухроторный гирокомпас

Суммарный кинетический момент гиросферы в экваториальной плоскости равен нулю. Кинетические моменты H 1x и Н 2х стабилизируют гиросферу в плоскости горизонта. Центр масс гиросферы находится на расстоянии l ниже геометрического центра, являющегося точкой приложения выталкивающей силы жидкости. Таким образом, гиросфера является трехстепенным гироскопом с положительной маятниковостью. При отклонении главной оси гиросферы от плоскости меридиана она ведет себя так же, как однороторный гирокомпас. Колебания гиросферы демпфируются методом горизонтального момента с помощью демпфирующего устройства 7.

Двухроторный гирокомпас При качке корабля сила инерции F B создает момент F B l направленный по оси север - юг (ось Оу) гиросферы. Этот момент вызовет прецессию гироскопов относительно гиросферы: появится гироскопический момент, который уравновесит момент F B I. Таким образом, при качке, вынужденные колебания будут совершать гироскопы внутри гиросферы, гиросфера не будет раскачиваться по углу в вокруг оси север - юг, значит от силы инерции F c не будет вертикального момента, приводящего к оклонению главной оси чувствительно элемента в азимуте.

Двухроторный гирокомпас Рассмотренный гирокомпас называется гирокомпасом с непосредственным управлением. В нем непосредственно определяются параметры определяющие плоскость горизонта и формируются горизонтальный и вертикальный моменты, пропорциональные углу отклонения гироскопа от плоскости горизонта, которые обеспечивают приведение главной оси в плоскость меридиана. Если отделить процесс формирования параметров плоскости горизонта от процесса приведения главной оси в плоскость меридиана, то такой гирокомпас можно назвать гирокомпасом с косвенным управлением.

Косвенное управление В основе ГК с косвенным управлением - трёхстепенный уравновешенный гироскоп, на гироузле - 2 которого укреплён индикатор горизонта (ИГ) - 3. ИГ представляет собой физический маятник, который выдает электрический сигнал при отклонении главной оси гироскопа от плоскости горизонта. Этот сигнал через усилители подается на датчики моментов 5 и 4, установленные на осях внутренней и наружной рамок гироскопа. Датчики моментов включены так, что при подъеме главной оси гироскопа над плоскостью горизонта на угол создаются моменты К х и К y, направленные так же, как в ГК с нижней маятниковостью и эксцентричным креплением маятника к гироузлу. Такая схема гироскопа моделирует чувствительный элемент гирокомпаса с нижней маятниковостью, колебания которого демпфируются методом вертикального момента.

Косвенное управление

В ГК с косвенным управлением также просто реализуется способ демпфирования колебаний с помощью горизонтального момента. Для этого кроме сигнала, пропорционального углу необходимо подать на датчик момента, установленный на оси гироузла, тот же сигнал, пропустив его через инерционное (интегрирующее) звено, которое обеспечит создание момента, сдвинутого по фазе на четверть периода, снабдив его дополнительным затуханием. (Таким звеном является схема с передаточной функцией: 1/ Тр + 1 с большой постоянной времени Т)

Косвенное управление

Формирование моментов, пропорциональных углу с помощью электрических цепей позволяет уменьшать или увеличивать период собственных колебаний гирокомпаса (изменением коэффициента усиления усилителя). Датчики моментов используются также для компенсации скоростной и широтной погрешностей, для компенсации постоянных составляющих возмущающих моментов по осям подвеса гироскопа. Такие гирокомпасы называют корректируемыми.

Косвенное управление На следующем слайде представлена кинематическая схема корректируемого гирокомпаса, чувствительным элементом которого является трёхстепенный уравновешенный гироскоп. Наружная рамка 2 гироскопа установлена в следящей рамке 3, которая укреплена в кардановом подвесе 5. Карданов подвес позволяет располагаться оси следящей рамки, а, следовательно, и оси наружной рамки по вертикали места (ось 0). На гироузле 1 укреплён индикатор горизонта 8.

Косвенное управление

Корректируемый гирокомпас может работать в режиме гироазимута (гирополукомпаса) и в режиме гирокомпаса. В режиме гироазимута сигнал с индикатора горизонта 8 через замкнутый ключ К 2 (ключ K 1 разомкнут) подается на двигатель 9 горизонтальной коррекции, который создаёт момент, удерживающий главную ось гироскопа в плоскости горизонта. Индикатор горизонта 8, усилитель и двигатель 9 образуют систему маятниковой горизонтальной коррекции.

Косвенное управление Система азимутальной коррекции состоит из вычислительного устройства и двигателя 10. Сигнал азимутальной коррекции подается на двигатель 10, который создаёт момент по оси гироузла, вызывающий прецессию гироскопа относительно вертикальной оси со скоростью, равной скорости вращения плоскости меридиана относительно вертикали места. Главная ось гироскопа будет сохранять заданное начальной установкой направление на Земле.

Косвенное управление Следящая рамка 3 непрерывно приводится в положение, согласованное с наружной рамкой 2 гироскопа, следящей системой, состоящей из датчика угла 7, усилителя, двигателя 6 с редуктором. Со следящей рамкой через зубчатую передачу связан сельсин-датчик 4, служащий для синхронной передачи курса корабля. Следящая рамка исключает влияние момента трения в редукторе и сельсине на трёхстепенный гироскоп.

Косвенное управление В режиме гирокомпаса сигнал с индикатора горизонта 8 (ключ K 1 замкнут, ключ К 2 разомкнут) через усилители подаётся на двигатели 9 и 10, которые создают моменты относительно горизонтальной и вертикальной осей подвеса гироскопа. Под действием этих моментов главная ось гироскопа приходит к плоскости горизонта и к плоскости меридиана. На двигатели 9 и 10 подаются сигналы с вычислительного устройства, по которым формируются дополнительные коррекционные моменты, вызывающие прецессию гироскопа с угловыми скоростями, равными скоростям вращения плоскостей меридиана и горизонта. Тем самым, устраняются широтная и скоростная погрешности.

Косвенное управление Если отключить индикатор горизонта (ключи К 1 К 2 разомкнуты) и сигналы с вычислительного устройства, то гироскоп с точностью до возмущающих моментов в осях подвеса станет свободным. В этом режиме определяются уходы гироскопа и компенсируются их систематические составляющие. Корректируемый гирокомпас ведёт себя также как и гирокомпас с пониженным центром масс, колебания которого демпфируются методом вертикального момента. Затухающие колебания корректируемого гирокомпаса происходят по углам и с частотой

Косвенное управление d 2 = (k x + )-(k z /2) 2 где = Ucos+V в /R, U – угловая скорость вращения Земли, - широта, V в -восточная составляющая вектора скорости судна, R – радиус Земли, k x и k z - коэффиценты пропорциональности, определяющие составляющие скорости изменения углов и соответственно, пропорциональных отклонению ( + V с /R) – аналоги mgl/H и D/H в системе с непосредственным управлением.

Косвенное управление Корректируемый гирокомпас является более гибкой системой по сравнению с гирокомпасом с непосредственным управлением. При его разработке возможно широкое применение достижений современной микроэлектроники, вычислительной техники. Благодаря компенсации скоростной погрешности корректируемый ГК может использоваться в области более высоких широт и на более скоростных объектах. При ускоренном движении корабля и маневрировании гирокомпас переключается в режим гироазимута, который меньше подвержен влиянию ускорений и его работоспособность не зависит от широты места.

Косвенное управление Кроме того, для уменьшения влияния ускорений, увеличивают период собственных колебаний до значений намного превышающих период Шулера, или ограничивают уровень сигнала с индикатора горизонта. В современных корректируемых ГК есть возможность осуществлять коррекцию влияния ускорений и существенно уменьшать инерционные погрешности в условиях качки. Применение в корректируемом ГК гироскопов с малым уходом, точных акселерометров в качестве индикатора горизонта позволило разработать высокоточные ГК, обеспечивающие необходимую точность курсоуказания в широтах до 85°.

Индикаторный гиростабилизатор В гирокомпасе на индикаторном гиростабилизаторе ипспользуется трехстепенный астататический гироскоп с косвенным управлением 4 установленный на платформе 3 снабженной двухосным индикаторным стабилизатором 1,2. Стабилизатор предназначен для стабилизации угла отклонения внешней 2 рамки на угол ст и ввертикальной рамки 1 на угол ст стабилизируя тем самым необходимые значения отклонений для работы гироскопа.

Индикаторный гиростабилизатор

Платформе придана маятниковость относительно оси Оу с помощью груза 7. При наклонах корпуса прибора груз обеспечивает вертикальное расположение оси Oz платформы и оси наружной рамки гироскопа. Для погашения колебаний платформы на оси Оу имеется демпфер 5. Ось Оу платформы укреплена в кардановом подвесе, состоящем из горизонтальной рамки 2 и вертикальной рамки 1. Таким образом, платформа 3 имеет три степени свободы.

Индикаторный гиростабилизатор Карданов подвес, состоящий из рамок 1 и 2. представляет собой двухосный индикаторный гиростабилизатор. чувствительным элементом которого является трёхстепенный гироскоп 4. Цепи стабилизации по осям горизонтальной и вертикальной рамок образованы датчиками углов ДУ Х, ДУ z, усилителями и двигателями стабилизации ДС Х и ДС z с редукторами.

Индикаторный гиростабилизатор Работа систем стабилизации. Под действием постоянного внешнего момента М х по оси горизонтальной рамки произойдёт поворот рамки 2 вместе с платформой 3 и наружной рамкой гироскопа 4, на угол. Главная ось гироскопа сохранит направление неизменным. Датчик угла ДУ Х выдаёт напряжение- пропорциональное углу, которое после усиления поступает на двигатель стабилизации ДС Х. Двигатель стабилизации приложит к оси рамки 2 момент М с = К. направленный противоположно моменту М х. С ростом угла момент М с растёт и при = ст М с = К ст = М 1. Рамка 2 остановится отклонившись на угол ст = М 1 / К где К - коэффициент усиления цепи стабилизации. Аналогично осуществляется стабилизация вертикальной рамки 1.

Индикаторный гиростабилизатор Режим свободного гироскопа. Этот режим используется для проверки скорости ухода гироскопа под действием возмущающих моментов. В режиме свободного гироскопа выключены цепи стабилизации, отключен индикатор горизонта и вычислительное устройство. Сигналы с датчиков углов ДУ Х и ДУ z используются для определения скорости ухода гироскопа и компенсации её систематической составляющей.

Индикаторный гиростабилизатор Режим гироазимута. При отклонении главной оси гироскопа от плоскости горизонта двигатель стабилизации ДС Х повернёт вслед за ней горизонтальное кольцо 2. Сигнал с индикатора горизонта б после усиления поступит на датчик момента ДМ z, который приложит к оси наружной рамки момент, препятствующий отклонению главной оси от плоскости горизонта. Цепь, состоящая из индикатора горизонта, усилителя и датчика момента ДМ z, представляет собой систему горизонтальной коррекции гироазимута.

Индикаторный гиростабилизатор Режим гироазимута. С вычислительного устройства напряжение U ак подаётся на датчик момента ДМ Х, который создаёт момент по оси внутренней рамки такой величины и направления, чтобы гироскоп прецессировал вокруг оси наружной рамки со скоростью вращения плоскости меридиана относительно вертикали места. Вычислительное устройство и датчик момента ДМ Х образуют систему азимутальной коррекции гироазимута.

Индикаторный гиростабилизатор Режим гирокомпаса. В режиме гирокомпаса на датчики моментов ДМ Х и ДМ z подаются сигналы с индикатора горизонта 6. С вычислительного устройства поступают сигналы U KV и U AK для компенсации скоростной и широтной погрешностей гирокомпаса. По выявленным систематическим уходам гироскопа в вычислительном устройстве вырабатываются сигналы для их компенсации, которые также подаются на датчики моментов ДМ Х и ДМ z. Датчик угла ДУ выдает сигнал, пропорциональный компасному курсу. В качестве чувствительного элемента корректируемого гирокомпаса широко применяется динамически настраиваемый гироскоп.

Гирокомпас «Гюйс» Корректируемый гирокомпас «Гюйс» предназначен дня оснащения судов морского и речного флота. Благодаря высокой точности, малым габаритам, малой потребляемой мощности, он широко применяется на малотоннажных высокоскоростных судах. На следующем слайде представлена кинематическая схема ГК. Система координат О - географическая. Система координат Oxyz связана с платформой 5. Чувствительным элементом ГК «Гюйс» является жестко установленный на платформе 5 динамически настраиваемый гироскоп (ДНГ) 3. Главная ось ДНГ в невозмущенном положении горизонтальна и параллельна продольной оси (Оу) платформы 5. На осях повеса ДНГ установлены датчики угла ДУ Х и ДУ z и датчики момента ДМ Х и ДМ z.

Гирокомпас «Гюйс»

На платформе 5 размещен акселерометр А с (северный), ось чувствительности которого ориентирована параллельно продольной оси (Оу) платформы. Акселерометр А с является индикатором горизонта. Он вырабатывает сигнал, пропорциональный углу отклонения продольной оси Оу платформы и, следовательно, корпуса гироскопа от плоскости горизонта. В режиме ГК этот сигнал, пройдя электронный фильтр (ЭФ) с большой постоянной времени, по одной цепи через усилитель подается на датчик момента ДМ z ; по другой цепи через усилитель и электронный блок (ЭБ) подается на датчик момента ДМ Х.

Гирокомпас «Гюйс» Датчики момента прикладывают к ДНГ пропорциональные углу моменты по горизонтальной и вертикальной осям, которые приводят главную ось. а значит и ось Оу платформы к плоскости меридиана и плоскости горизонта. Сигнал с акселерометра А с в электронном блоке (ЭБ) сравнивается с пороговым (эталонным) напряжением. Если величина сигнала акселерометра превышает пороговое значение, то на время превышения гирокомпас автоматически переключается в режим гнроазимута. Предусмотрено ручное переключение режимов с помощью ключей ГА и ГК, которые используются в технологических целях.

Гирокомпас «Гюйс» На датчики моментов ДМ Х иДМ 2 поступает ряд других сигналов: а) с вычислительного устройства ВУ1 и ВУ2 поступают сигналы корректирующих моментов. Эти сигналы формируются на основе информации о скорости объекта и широте его местонахождения. Реализованы три варианта введения информации, на выбор: скорость и широту вводят вручную; скорость вводят от лага, а широту вводят вручную; скорость и широта поступают автоматически от GPS: б) от потенциометров 7 и 8, регулируемых вручную, поступают сигналы моментов, компенсирующих наблюдаемый дрейф гироскопа, вызванный воздействием на него вредных моментов;

Гирокомпас «Гюйс» в) от системы термокомпенсации, включающей в себя термодатчик ТД, установленный на платформе рядом с ДНГ, и усилитель термокомпенсации, поступает сигнал, устраняющий дрейф гироскопа, который зависит от температуры окружающей ДНГ среды. Платформа 5 имеет трехстепенный подвес, реализованный следующим образом. По оси Оу, совпадающей с продольной осью корпуса гироскопа, платформа 5 установлена в горизонтальной рамке 2. Рамка подвешена по оси Ох, совпадающей с поперечной осью гироскопа, в вертикальной рамке 1.

Гирокомпас «Гюйс» Карданова рамка 1. в свою очередь, по вертикальной оси Oz установлена в корпусе прибора. Платформа, вместе со всеми размещенными на ней элементами, обладает положительной маятннковостью за счет понижения центра масс по отношению к точке подвеса с помощью дополнительных масс 4 и 9. Таким образом, относительно оси Оу платформа устанавливается в горизонтальной плоскости за счет маятниковости. т.е. имеет маятниковую силовую стабилизацию. На продольной горизонтальной оси платформы Оу установлен демпфер 6, который обеспечивает быстрое гашение ее колебаний, относительно продольной оси платформы.

Гирокомпас «Гюйс» С поперечной горизонтальной осью рамки 2 связан двигатель горизонтальной стабилизации ДС Х, а с вертикальной осью рамки 1 - двигатель азимутальной стабилизации ДС z. На оси вертикальной рамки установлены два вращающихся трансформатора ДУ К (ВТ) и ДУ К (СКТ), которые представляют собой первичные датчики компасного курса. Один из них (CRT) служит для передачи курса в вычислительные устройства ВУ1 и ВУ2. а второй (ВТ) в транслятор курса (ТК).

Гирокомпас «Гюйс» Работа индикаторной системы стабилизации происходит следующим образом. Датчики углов ДУ Х и ДУ z выдают сигналы пропорциональные углам рассогласования между главной осью гироскопа и осью Оу платформы при ее вращении вокруг поперечной оси Ох и вертикальной оси Oz. Сигнал датчика угла ДУ Х через усилитель поступает на двигатель стабилизации ДС Х. а сигнал датчика угла ДУ z через усилитель поступает на двигатель стабилизации ДС z. Отрабатывая эти сигналы, двигатели обеспечивают постоянное удержание платформы относительно поперечной и вертикальной осей гироскопа (режим индикаторного стабилизатора).

Гирокомпас «Гюйс» Гирокомпас «Гюйс» используется при плавании в широтах до 75° при скорости до 90 узлов. Прибор рассчитан на эксплуатацию в следующих условиях: - температура окружающей среды от 10 до +55° С (для пеленгаторных ренитеров, пелорусов и оптических пеленгаторов - от -40 до +65° С); - синусоидальная вибрация в диапазоне частот Гц с амплитудой ±1,6 мм; - для частот от 5 до 13,2 Гц и ускорением до 10 м/с" для частот от 13,2 до 80 Гц; - бортовая качка с амплитудой 20° и периодом от б до 15 с; - килевая качка с амплитудой 10° и периодом от 6 до 15 с; - рыскание с амплитудой 5° и периодом от 6 до 15 с; - наклон с максимальным углом 45°.

Гирокомпас «Гюйс» Погрешности «Гюйс»: - погрешность на прямом курсе при постоянной скорости до 20 узлов ±0.6 град; - погрешность, вызванная качкой с горизонтальным ускорением до 1 м/с 2 ±0,2 град: - погрешность, вызванная быстрым изменением скорости до 20 узлов ±0,2 град: - погрешность, вызванная быстрым изменением курса на 180° при скорости до 20 узлов ±0,2 град. В режиме гироазимута угловая скорость дрейфа гироскопа составляет 0,1 град/ч.

Гирокомпас «Гюйс» Время готовности прибора к работе составляет от 25 до 120 мин. (конкретное значение зависит от начального отклонения главной оси гироскопа от меридиана и начальных условий запуска: температуры, угла наклона, широты места, интенсивности качки и т.п.). Гирокомпас «Гюйс» по сравнению с корректируемым гирокомпасом «Вега» отличается следующим: запуск и остановка ГК осуществляется автоматически по сигналам таймера; применён автоматический переход из режима «Гирокомпас» в режим «Гироазимут» при маневрировании судна;

Гирокомпас «Гюйс» реализованы автоматическое введение информации о скорости судна и широте места от системы GPS. а также автоматическая сигнализация о неисправности при исчезновении этой информации; - применён в качестве чувствительного элемента ДНГ, а в качестве индикатора горизонта - кварцевый акселерометр компенсационного типа; - осуществлена автоматическая компенсация температурного дрейфа ДНГ;

Гирокомпас «Гюйс» - системы дистанционной передачи могут быть реализованы: на базе сельсинов. на базе вращающихся трансформаторов. на шаговых двигателях, в цифровом коде; - расширена система сигнализации о неисправностях: - предусмотрено автоматическое переключение гирокомпаса на аварипныи источник питания. Корректируемый гирокомпас «Гюйс» разработан Пермской научно-производственной компанией (НПК). На основе гирокомпаса «Гюйс» Пермская НПК совместно с английской компанией «SG Brown» разработали ГК «Меридиан» с установившейся погрешностью от 0.1 град до 0.01 град.

Гирокомпас «Яхта» Гирокомпас «Яхта» предназначен для курсоуказания на морских и речных судах, катерах и яхтах со скоростью хода до 60 узлов в широтах до 85 градусов. По принципу действия ГК «Яхта» относится к классу одногироскопных корректируемых гирокомпасов. Кинематическая схема ГК представлена на следующем слайде. Система координат 0- географическая. Система координат Oxyz связана с платформой 2. Чувствительным элементом ГК является динамически настраиваемый вибрационный гироскоп (ДНГ) 3. Гироскоп закреплен на платформе 2, обладающей двумя степенями свободы по отношению к кораблю. Главная ось гироскопа в невозмущенном положении параллельна продольной оси Оу платформы.

Гирокомпас «Яхта»

В гироскопе имеются два датчика угла и датчика момента. Датчики угла ДУ Х и ДУ z вырабатывают сигналы, пропорциональные углам отклонения главной оси ротора гироскопа от продольной оси платформы Оу при вращении ее вокруг поперечной Ох и вертикальной Oz осей. Датчики момента ДМ Х и ДМ z обеспечивают приложение к ротору гироскопа моментов, которые управляют его прецессионным движением относительно вертикальной и горизонтальной осей гироскопа. Кроме ДНГ на платформе 2 установлены два акселерометра: северный А с и восточный А в, измерительные оси (оси чувствительности, входные оси) которых ориентированы параллельно продольной и поперечной осям платформы соответственно.

Гирокомпас «Яхта» Северный акселерометр выдает сигнал, пропорциональный углу отклонения продольной оси Оу платформы от плоскости горизонта, а восточный - углу отклонения поперечной оси Ох платформы от плоскости горизонта (поворот вокруг продольной оси вместе с корпусом прибора). Платформа 2 по оси Ох, совпадающей с поперечной осью корпуса гироскопа, подвешена на шарикоподшипниках в вертикальной рамке 1, которая по вертикальной оси укреплена на подшипниках в корпусе прибора. С горизонтальной осью Ох платформы 2 связан двигатель горизонтальной стабилизации ДС Х. с вертикальной осью рамки 1 связан двигатель азимутальной стабилизации ДС z и двухотсчетный синусно-косинусный вращающийся трансформатор (СКВТ), являющийся первичным датчиком ДУ К угла курса судна.

Гирокомпас «Яхта» Сигнал датчика угла ДУ Х через усилитель поступает на двигатель стабилизации ДС Х, а сигнал датчика угла ДУ z через усилитель поступает на двигатель стабилизации ДС z. Отрабатывая эти сигналы, двигатели обеспечивают постоянное удержание платформы в положении, в котором ее продольная ось Оу совмещена с главной осью гироскопа.

Гирокомпас «Яхта» Статор ДУ к (СКВТ) вместе с корпусом прибора выставляют относительно продольной оси (диаметральной плоскости) судна так, чтобы при приходе главной оси гироскопа в меридиан сигналы, снимаемые с СКВТ. были пропорциональны синусу и косинусу курса судна. То есть СКВТ является, как отмечалось, первичным датчиком курса гирокомпаса. Сигналы грубого и точного отсчета этого датчика поступают в вычислитель, где преобразуются в 14-разрядный последовательный код курса, отображаемый на дисплеях пульта оператора и цифровых репитерах. Кроме того, сигналы грубого и точного отсчета используются для формирования сигналов коррекции, а также поступают в трансляционный прибор гирокомпаса. Там они преобразуются в аналоговые сигналы курса, обеспечивающие работу аналоговых приемников в репитерах и у внешних потребителей курсовой информации.

Гирокомпас «Яхта» Придание ДНГ избирательности по отношению к плоскости истинного меридиана (эффекта гирокомпасирования) и демпфирование колебаний гирокомпаса осуществляется так же, как в гирокомпасе, построенном на традиционном трехстепенном астатическом гироскопе с косвенным управлением, посредством сигналов северного акселерометра А с. Сигнал восточного акселерометра А в необходим для (аналитической) стабилизации платформы относительно продольной оси Оу, т.к. двухстепенный карданов подвес платформы не позволяет стабилизировать ее в плоскости вращения ротора гироскопа.

Гирокомпас «Яхта» На основе сигналов акселерометров А с и А в в вычислительном блоке ВУ1, ВУ2, ВУЗ вырабатываются сигналы, поступающие на датчики момента ДМ Х и ДМ z. которые создают два управляющих момента по горизонтальной и вертикальной осям ротора. Эти моменты обеспечивают приход главной оси гироскопа (а значит и оси платформы Оу) в положение равновесия, близкое к плоскости истинного меридиана и истинного горизонта. Кроме этого, вычислитель ВУ, используя информацию о курсе, скорости движения объекта и широте, вырабатывает сигналы, которые также подаются на датчики моментов ДМ Х и ДМ z.

Гирокомпас «Яхта» В результате этого на ротор гироскопа налагаются дополнительные (корректирующие) моменты, обеспечивающие компенсацию шпротной и скоростной погрешностей, т.е. приведение главной оси гироскопа в плоскость истинного меридиана и истинного горизонта при движении объекта с постоянной скоростью. Кроме управляющих и корректирующих моментов, на датчики момента ДМ Х и ДМ z поступают сигналы от двух потенциометров 4 и 5 ручной установки, которые позволяют сформировать моменты, компенсирующие систематические составляющие возмущающих (вредных) моментов, действующих на гироскоп.

Гирокомпас «Яхта» Инерционные силы, возникающие при маневрировании судна, а также в условиях качки, воздействуя на северный акселерометр, могут вызвать у гирокомпаса значительные погрешности. Для их снижения предусмотрен электронный блок ЭБ, включающий в себя электронный активный фильтр, который осуществляет задержку сигнала (придание определенной величины постоянной времени). Эта схема также ограничивает величину сигнала. Кроме того, электронный блок ЭБ при наличии возмущений определенной величины при маневрировании судна, отключает сигнал северного акселерометра, автоматически переводя гирокомпас в режим гироазимута (ГА). В этом режиме прибор не имеет динамических погрешностей. После окончания маневра прибор снова автоматически переключается в режим гирокомпаса.

Гирокомпас «Яхта» Если сигнал с северного акселерометра поступает в течение достаточно длительного времени (что свидетельствует об установившемся отклонении оси Оу платформы от меридиана), то блок сигнализации неисправности БСН, который анализирует указанный сигнал, включает систему сигнализации о неисправности гирокомпаса. Существует ручной переключатель режимов «Гирокомпас - гироазимут» ГА ГК, который используют для технологических операций.

Гирокомпас «Яхта» Кроме режимов ГК и ГА предусмотрены вспомогательные режимы: «Горизонт» и «Автоматическое приведение», которые обеспечивают ускоренное горнзонтирование платформы с гироскопом и приведение в меридиан. При запуске гирокомпаса автоматически, по жесткому временному графику в соответствии с командными сигналами таймера, последовательно выполняются следующие операции: горнзонтирование гироскопа с платформой: разгон ротора гиромотора; включение и согласование систем стабилизации; включение режима автоматического приведения в меридиан.

Гирокомпас «Яхта» Режим автоматического приведения в меридиан аналогичен режиму ГК, но характеризуется большим коэффициентом усиления цепей стабилизации. Этот режим функционирует до прихода гироскопа в меридиан. Блок БСН, в этом случае, автоматически переключает прибор в режим ГК и выдает сигнал о готовности гирокомпаса к навигационному использованию. Технические характеристики ДНГ:

Гирокомпас «Яхта» Технические характеристики ДНГ: - кинетический момент 230 кг см 2 / с; - скорость вращения ротора об/мин: - постоянная времени 60 с: - случайный дрейф не более 0,01 град/ч; - ресурс ч; - габариты диаметр 50 мм. длина 39 мм, - масса 213 г.

Гирокомпас «Яхта» Гирокомпас «Яхта» обеспечивает: - определение курса относительно географического (истинного) меридиана, определение пеленгов: дистанционную передачу курсовой информации к аналоговым и цифровым приемникам курса; - автоматический прием сигналов от лага, возможность ручного ввода скорости: - автоматический запуск; - сигнализацию о режиме работы и неисправностях.

Гирокомпас «Яхта» Прибор рассчитан на эксплуатацию в следующих условиях: - температура окружающей среды от -10 до +55° С; - синусоидальная вибрация в диапазоне частот Гц с амплитудой ускорения до 10 м/с"; - механический удар одиночного действия с пиковым ускорением 100 м/с" и длительностью до 1015 с; - качка судна с горизонтальным ускорением до 10 м/с"; - рысканье с угловой скоростью до 10 град/с; - постоянное магнитное поле напряженностью до 80 А/и.

Гирокомпас «Яхта» Прибор сохраняет параметры и не требует регулировки после воздействия следующих факторов: - температура окружающей среды от -60 до +70° С; - относительная влажность воздуха до 98% при температуре +40° С: - синусоидальная вибрация с частотой Гц с амплитудой ускорения до 20 м/с"; - наклон до 45° продолжительностью до 5 мин; - рысканье судна с угловой скоростью до 12 град/с; - морской туман, иней, роса, обледенение, плесень.

Гирокомпас «Яхта» Погрешности ГК «Яхта»: - погрешность при движении судна на прямом курсе при постоянной скорости до 25 узлов ±0.6 град; - погрешность при качке с горизонтальным ускорением до 10 м/с" ±0,2 град; - инерционная погрешность после быстрого изменения курса на 180° при скорости 20 узлов ±2,5 град; - инерционная погрешность после быстрого изменения скорости на 20 узлов ±1,6 град.

Гирокомпас «Яхта» Время готовности прибора к работе с погрешностью не более 1 градуса при неизвестном направлении меридиана не превышает 1 часа. Вероятность безотказной работы не менее Назначенный ресурс до ремонта часов. Срок службы до списания - 12 лет. Гирокомпас «Яхта» разработан ЦНИИ «Дельфин» (Москва). На мировом рынке распространялся под маркой «Sperry MK-32». В 1999 г. фирма «Дельфин» совместно с Южнокорейской фирмой «Сарако» создали гирокомпас «Гирокин» («Gyroking»), который можно рассматривать как модификацию ГК «Яхта».

Гирокомпас «Яхта» Контрольные вопросы 1. Объяснить принцип работы однороторного ГК с непосредственным управлением. 2. Объяснить демпфирование колебаний ГК методом вертикального момента. 3. Объяснить сущность скоростной погрешности ГК. 4. Объяснить поведение ГК при воздействии по оси наружной рамки постоянного возмущающего момента. 5. Объяснить, почему демпфирование колебаний способом вертикального момента приводит к появлению широтной погрешности. 6. Почему в ГК требования к подвесу по оси наружной рамки значительно выше, чем к внутренней? 7. Пояснить причины появления инерционной погрешности первого и второго рода.

Гирокомпас «Яхта» Контрольные вопросы 9. Объяснить причину появления погрешности ГК на качке. 10. Пояснить принцип работы ГК с косвенным управлением. 11. Какие моменты коррекции в корректируемом ГК необходимо формировать для того, чтобы в установившемся режиме главная ось ГК находилась в плоскости горизонта и в плоскости меридиана?

Конец Конец