Гироскоп. Теория и применение (1238804), страница 84
Текст из файла (страница 84)
15.9. Траектория некоторой точки эффективной иэиерительнай оси 1-соаоротного гироскопа нри угловых колебаниях корпуса прибора но закону (15.35). коническое движение, то погрешность возникает и у 1-поворотного гироскопа. Поскольку уравнения движения (15.!) при наличии колебаний корпуса содержат периодические коэффициенты, возможны колебания параметрического происхождения, которые накладываются на показания прибора. Поэтому устойчивость положений равновесия нуждается в специальном исследовании.
И действительно, Швейцер !!04) показал, что при определенных обстоятельствах показания поворотного гироскопа могут оказаться неустойчивыми. Глава 16 Инерцнальные платформы Инерциальные платформы — это стабилизированные с помощью гироскопов платформы, которые применяются в технике инерцнальной навигации. Разбирая принцип устройства и важнейшие свойства этих приборов, мы не будем вдаваться в детальное описание конструктивных вариантов и довольно сложных технологических проблем, связанных с осуществлением таких систем.
Мы не будем касаться здесь также теории ошибок и сошлемся на обширную специальную литературу по этому вопросу (например, Дрейпер, Ригли и Говорка [!05], Фернандец и Макомбер 178] или Броксмейер !106]). Следует сделать еще замечание относительно терминологии. Под платформой в самом общем смысле часто понимают все устройство, т. е.
ориентатор, позволяющий определять положение связанных с корпусом осей по отношению к некоторой системе отсчета. В более узком смысле — и именно так это понятие будет здесь употребляться — под платформой понимают тот элемент конструкции ориентатора, который можно рассматривать как приборную реализацию системы отсчета. Этот конструктивный элемент вместе с установленными на нем гироскопическими устройствами мы будем иногда называть ядром платформы. !6Л.
Основные идеи ииерциааыюй навигации Инерциальной навигацией называют метод определения места, который основан на использовании закона инерции. Так как при этом не требуется какой-либо внешней информации, получаемой, например, оптическими средствами или по радио, то речь идет о вполне автономном способе. Определяются и обрабатываются ускорения, измеряемые на движущемся объекте (носителе). Интегрированием измеренных величин получают скорости, а повторным интегрированием — отрезки пройденного пути. Насколько проста эта идея, настолько же трудно создать на ее основе практически пригодный прибор.
Главную причину этого можно усмотреть в том, что принципиально невозможно различить силу инерции и силу тяготения. Поскольку акселерометры должны 16 К. магнус 482 16. Иверциальные платформы выдавать только ускорение объекта, составляющие, обусловленные тяготением, нужно выделить расчетным путем или инструментально и компенсировать. При движении объекта по земной поверхности этого можно достигнуть, удерживая измерительные оси точно в горизонтальной плоскости. Ввиду вращения Земли и движения объекта нужно в этом случае вращать платформу таким образом, чтобы она всегда оставалась горизонтальной. Если этого не происходит, то следует расчетным путем или приборными средствами исключить обусловленные тяготением слагаемые, входящие в измеряемые величины.
В соответствии с принципами, которыми решается эта задача, возможны и реализованы различные типы ннерциальных платформ. !. В геометрических системах платформа стабилизирована таким образом, что ее абсолютная угловая скорость равна нулю. При этом ориентация платформы относительно инерциальной системы координат остается неизменной.
В специальной разновидности этих систем рама вращается с помощью часового механизма вокруг земной оси, сохраняющей неизменное направление в инерциальном пространстве; скорость этого вращения в точности равна угловой скорости Земли отв, так что рама остается параллельной некоторой плоскости меридиана. 2. В аналитических системах гироскопы и акселерометры смонтированы жестко на объекте.
Угловые скорости объекта измеряются гироскопами, а переносные ускорения — акселерометрами. Счетно-решающий прибор может по этим данным определить движение, а отсюда и мгновенное положение объекта относительно Земли (или относительно иного небесного тела). 3. Наряду с системами, упомянутыми в п. 1 и 2, имеются некоторые промежуточные формы, которые называют полуаналитичеехими системами.
В них платформа с акселерометрами удерживается в горизонтальном положении, а в некоторых случаях даже так, что платформа ориентируется по земным осям север — запад — зенит. У других платформ этого вида скорость вращения вокруг вертикали делается равной нулю. Для всех трех типов систем необходим счетно-решающий прибор, чтобы рассчитывать координаты места движущегося объекта.
Однако роль счетно-решающих приборов в этих системах различна; она особенно велика в аналитических системах. Можно сказать, что часть трудностей конструктивно-механического характера можно здесь обойти, применяя соответствующую программу в счетно-решающем приборе. Однако и в данном случае предъявляются очень высокие требования к точности гироскопов и акселерометров. В зависимости от конструкции и выполняемых функций платформы подвешиваются в двух, трех и даже в четырех рамах (с тремя, четырьмя или пятью осями), чтобы обеспечить полную свободу вращений. Для подвешивания самой платформы доста- 483 16.2.
Одноосная платформа точно двух рам или трех осей. Дополнительные рамы устанавливаются с целью исключить явление складывания рам или когда нужно сообщить раме принудительное движение например, как об этом упоминалось в п. 1. Кроме того, стремятся располагать рамы так, чтобы измеряемые углы определялись с наименьшей карданной погрешностью. Например, для правильного измерения общепринятых угловых координат самолета (см.(107]) — углов рыскания, тангажа и крена — рамы следует располагать в следующем порядке (считая от платформы): рама рыскания, рама тангажа, рама крена. Но возможны и также важны другие точки зрения.
Так, наиболее вероятный характер движений объекта диктует и определенную последовательность рам как наиболее благоприятную. Вследствие взаимного движения рам на платформу действуют реактивные моменты, которые могут вызвать погрешность прибора. Тогда выбирают такое расположение рам, при котором погрешности будут минимальными.
Точность измерительных устройств, акселерометров и гироскопов имеет решающее значение для функционирования инерциальной платформы. Постоянная погрешность в измерении ускорений после двукратного интегрирования могла бы привести к погрешности в определении места, растущей пропорционально квадрату времени. Нетрудно сообразить, что ввиду этого возможность продолжительной (т. е. длящейся часами) навигации с приемлемой точностью стала бы иллюзорной.
Однако в действительности благодаря соответствующей настройке платформы можно удерживать погрешность в определенных границах. Об этом будет рассказано в ф!6.4. Что касается гироскопов платформы, то необходимо стремиться к уменьшению сигналов гиротахометров в их нулевом положении и к уменьшению скорости дрейфа позиционных гироскопов. Так как движение платформы управляется гироскопами, погрешности гироскопов непосредственно влекут за собой и погрешность платформы. Дело обстоит так, что уменьшение нежелательного, но не поддающегося полному устранению дрейфа гироскопов и платформ составляет одну из важнейших проблем при практическом осуществлении приборов инерциальной навигации.
а6.2. Одиооеная платформа В качестве чувствительных элементов платформ можно применять или позиционные, или поворотные гироскопы. Для трехосной платформы требуется не меньше двух позиционных или трех поворотных гироскопов. Само собой разумеется, что могут применяться и их комбинации.
Едва ли можно решить в общем виде, какому из возможных устройств следует отдать предпочтение, так как требования, предъявляемые к платформе, зависят также и от характера поставленных перед ней задач. Легко понять, что эффект, который 16* 18. Инерпнальные платформы 484 может дать платформа, в значительной мере зависит и от технологических затрат на ее изготовление, а следовательно, от ее стоимости. Некоторые различия в поведении двух основных типов платформ, обусловленные самим построением систем, выясняются уже на простой модели одноосной платформы, которая будет рассмотрена ниже. 16.2Л.
Одноосная платформа с интегрирующим гироскопом. Устройство платформы схематически изображено на рис. !6.1. На Рис. 1б,1. Онноосиая стабилизированная платформа с поворотным гироскопам, Аа + Н6 = Маг + Мк1 = Мтз — кр, В(3 — На + гзр = МаЗ, (16.1) платформе Р, которая может вращаться вокруг оси 1, установлен поворотный гироскоп таким образом, что его входная ось совпадает с направлением оси 1. Система в целом устроена так же, как уже рассмотренный в п.
14.3.1 однороторный стабилизатор. Только внешняя рама здесь заменена платформой Р; кроме того, двигатель стабилизации на оси 2 выполняет иную функцию. Если принять, что возмущающий момент действует лишь на платформу, но не на гироскоп (Мин=О) то получим следующие аналогичные (14.2) уравнения движения платформы, изображенной на рис. 16.1: 16.2. Одноосная платформа 486 Здесь для наложения момента коррекции взят идеальный датчик момента с коэффициентом усиления й, так что М~~= — йр. При более точном анализе система должна быть дополнена уравнением цепи стабилизации, которая учитывает инерцию этой цепи. Однако мы не будем здесь это делать. О поведении системы при постоянных значениях М~~ и Мгк можно судить по уравнениям равновесия н М~о .
Мго 5 к го — г о= тт а Действие возмущающего момента относительно оси 1 приводит к отклонению по углу р; момент относительно оси 2 порождает вращение вокруг оси 1 с угловой скоростью а. Фактически наложение момента коррекции Мгк применяется для того, чтобы получить нужный поворот на угол Ла.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
