Бескарданный гироинтегратор линейных ускорений

Полезная модель относится к области точного приборостроения и может быть использована при создании миниатюрных датчиков систем инерциальной навигации и управления подвижными объектами, где используется измерение ускорения с целью получения требуемых навигационных параметров.

Техническим результатом полезной модели является упрощение конструкции гироинтегратора, уменьшение его габаритно-весовых характеристик и потребляемой мощности.

Бескарданный гироинтегратор линейных ускорений, включающий ротор, подвес ротора с тремя степенями свободы, вычислитель, систему межрамочной коррекции, содержащую усилитель-преобразователь и датчик момента, выполнен в виде миниатюрного намагниченного сферического ротора со смещенным вдоль оси его вращения центром масс.Ротор помещен в сферическую полость корпуса с малым зазором, заполненным жидкостью, образующей гидроподвес ротора. Сферическая полость охвачена обмотками, соединенными с вычислителем и блоком управления двигателем. Для определения углов, измерение которых необходимо для работы прибора в качестве гироинтегратора, используются обмотки, расположенные в трех взаимно перпендикулярных плоскостях и соединенные с вычислителем, осуществляющим обработку сигналов и вычисление угла прецессии гироскопа вокруг выходной оси и угла , определяющего неперпендикулярность вектора кинетического момента и входной (выходной) оси прибора, необходимого для работы системы межрамочной коррекции. 1 н.п., 2 з.п., 4 ил.

Полезная модель относится к области точного приборостроения и может быть использована при создании миниатюрных датчиков систем инерциальной навигации и управления подвижными объектами, в которых используется измерение ускорения с целью получения требуемых навигационных параметров.

Известна конструкция гироинтегратора (далее по тексту ГИ) [Одинцов, А.А. Теория и расчет гироскопических приборов / А.А.Одинцов. - Киев: Высшая школа, 1985. - с.342-382], представляющая собой трехстепенный гироскоп в кардановом подвесе со смещенным центром масс гироузла относительно оси его подвеса. Работа такого ГИ предполагает функционирование системы межрамочной коррекции (далее по тексту МРК), обеспечивающей перпендикулярность выходной оси прибора и оси собственного вращения ротора гироскопа. Упомянутая конструкция содержит датчик выходной информации (датчик угла поворота наружной рамы, состоящий из статора, расположенного на корпусе прибора и ротора, расположенного на оси наружной рамы), показания которого пропорциональны интегралу от проекции кажущегося ускорения на входную (выходную) ось. Этот прибор является классическим ГИ, конструктивные варианты реализации которого, а также уравнения движения, их решения и погрешности общеизвестны. В связи со сложной электромеханической схемой указанного классического ГИ, построенного с использованием карданова подвеса, упомянутое техническое решение не обеспечивает возможность миниатюризации и снижения потребляемой мощности.

В качестве прототипа по наибольшему числу общих существенных признаков принят ГИ [Ромашов, В.В., Горский, А.И., Шаргина О.И. Гироинтегратор линейных ускорений // Патент РФ 2097701, G01C 19/02. -1997.], включающий ротор, подвес ротора, обеспечивающий три степени свободы, датчики углов, датчик момента, усилитель, систему МРК и вычислитель. Применение в данной конструкции карданова подвеса создает упомянутые сложности при попытке миниатюризации и снижении потребляемой мощности.

Для приборов, входящих в состав систем управления подвижными объектами, существует тенденция к снижению габаритно-весовых характеристик и потребляемой мощности.

Технической задачей полезной модели является упрощение конструкции ГИ, уменьшение его габаритно-весовых характеристик и потребляемой мощности.

Поставленная техническая задача решается тем, что в заявляемом бескарданном гироинтеграторе линейных ускорений, включающем ротор, подвес ротора с тремя степенями свободы, вычислитель, систему межрамочной коррекции, содержащую усилитель-преобразователь и датчик момента, согласно полезной модели, гироинтегратор выполнен в виде миниатюрного намагниченного ротора сферической формы, размещенного в сферической полости вкладыша корпуса прибора с зазором, составляющим 0,10,01 радиуса ротора, причем центр масс ротора смещен вдоль оси его вращения, при этом сферическая полость заполнена маловязкой немагнитной жидкостью, образующей гидроподвес ротора, и охвачена обмотками, расположенными на вкладыше корпуса и соединенными с вычислителем и блоком управления двигателем, при этом синхронизирующие обмотки и сигнальная обмотка, расположенные в трех взаимно перпендикулярных плоскостях, одновременно соединены со входом вычислителя, выход которого соединен с обмоткой датчика момента и второй рабочей обмоткой, расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях, параллельных входной оси прибора, причем синхронизирующие обмотки соединены со входом блока управления двигателем, выход которого соединен с рабочими обмотками, а выход вычислителя соединен с индикатором вычисленного кажущегося ускорения.

При этом осевой момент инерции ротора относительно оси его вращения, превышает его экваториальные моменты инерции.

Также число пар полюсов намагниченного ротора в плоскости, перпендикулярной оси вращения, равно трем.

Отличие полезной модели состоит в том, что применение миниатюрного намагниченного ротора сферической формы со смещенным центром масс, размещенного в сферической полости вкладыша корпуса приводит к существенному упрощению конструкции ГИ и к снижению потребляемой мощности.

Смещение центра масс сферического ротора обеспечивается формированием отверстия, проходящего через геометрический центр ротора, и вставкой из материала, плотность которого меньше плотности материала ротора с возможностью регулировки положения этой вставки вдоль оси отверстия. Оставшаяся часть отверстия заливается компаундом, плотность которого меньше плотностей материалов вставки и ротора. Возможность регулировки положения центра масс обеспечивается подбором плотности материала заливки. Это обеспечивает условие максимальности осевого момента инерции вокруг оси вращения ротора по сравнению с его экваториальными моментами инерции. Указанное обстоятельство приводит к определенности положения плоскости полюсов намагниченного ротора. Также определенность положения плоскости полюсов ротора достигается тем, что число пар полюсов его в плоскости, перпендикулярной оси вращения, равно трем.

Прибор заполнен маловязкой немагнитной жидкостью, заполняющей зазор между ротором и сферической полостью вкладыша корпуса и образующей гидроподвес, центрирующий ротор в режиме работы прибора. Таким образом, применение в конструкции заявляемого ГИ гидроподвеса вместо традиционно используемого трехстепенного карданова подвеса обусловливает возможность миниатюризации и снижения потребляемой мощности.

Применение обмоток, соединенных с вычислителем и расположенных на вкладыше корпуса во взаимно перпендикулярных плоскостях (линия пересечения этих плоскостей совпадает с осью вращения ротора), приводит к упрощению конструкции вследствие отсутствия типичных датчиков углов и датчика момента, состоящих из ротора и статора, размещенных по физическим осям (полуосям) карданова подвеса классического ГИ. Для определения углов, измерение которых необходимо для работы прибора в качестве ГИ, используются две синхронизирующие и сигнальная обмотки, расположенные в трех взаимно перпендикулярных плоскостях и соединенные с вычислителем, осуществляющим обработку сигналов и вычисление угла прецессии гироскопа вокруг выходной оси и угла , определяющего неперпендикулярность вектора кинетического момента и входной (выходной) оси и необходимого для работы системы МРК. Выход вычислителя соединен с обмоткой датчика момента системы МРК и рабочей обмоткой. Несмотря на отсутствие в заявляемой конструкции рам карданова подвеса, назначение системы межрамочной коррекции остается таким же, что и в конструкции прототипа - поддержание перпендикулярности вектора кинетического момента и входной (выходной) оси ГИ.

Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен сборочный чертеж заявляемого ГИ, на фиг.2 - принципиальная схема заявляемого ГИ, на фиг.3, 4 - блок-схема заявляемого ГИ.

На фиг.1-4 обозначены:

1 - ротор;

2 - вкладыш корпуса;

3, 5 - рабочие обмотки;

4, 6 - синхронизирующие обмотки;

7 - обмотка датчика момента;

8 - сигнальная обмотка;

9 - узел гермовводов;

10 - фланец;

11 - крышка корпуса;

12 - мембрана;

13 - вычислитель;

14 - усилитель-преобразователь;

15 - блок управления двигателем;

16 - процессор;

17, 19 - сглаживающие фильтры нижних частот;

18, 20 - умножители;

21 - фазосдвигающее устройство;

х₁ - входная (выходная ось) ГИ;

- направление вектора кинетического момента ротора.

Ротор 1 помещен в сферическую полость немагнитного вкладыша 2, охваченного обмотками 3-8 и установленного в корпусе 11. Сферическая полость заполнена маловязкой немагнитной жидкостью, обеспечивающей гидроподвес ротора (фиг.1). Рабочие и синхронизирующие обмотки 3-6 соединены с блоком управления двигателем 15, представляющим собой управляемый источник питания. Синхронизирующие обмотки 4, 6 и сигнальная обмотка 8 соединены с вычислителем 13, выход которого соединен с обмоткой датчика момента системы МРК 7 и рабочей обмоткой 3 и с индикатором вычисленного кажущегося ускорения (на чертеже не указан). Для компенсации температурных изменений объема жидкости в приборе предусмотрен упругий элемент (мембрана) 12.

Гироинтегратор предлагаемой конструкции работает следующим образом. Разгон ротора со смещенным центром масс до номинальной скорости осуществляется с помощью двух пар рабочих и синхронизирующих обмоток развивающих момент движущих сил и соединенных с блоком управления двигателем. По достижении ротором номинальной скорости рабочая обмотка 3 используется как обмотка датчика момента, а синхронизирующая обмотка 4 используется для получения навигационной информации (фиг.2). Вращение ротора поддерживается за счет управления током, подаваемым в оставшуюся рабочую обмотку 5 с использованием информации синхронизирующей обмотки 6 о частоте вращения ротора. При наличии ускорения объекта в направлении входной оси х₁ прибора возникает сила инерции, которая создает на плече смещения центра масс ротора момент, вызывающий прецессионное движение гироскопа вокруг оси х₁ со скоростью, пропорциональной проекции кажущегося ускорения на входную ось прибора. Для определения углов, измерение которых необходимо для работы прибора в качестве ГИ, используются синхронизирующие обмотки 4, 6, и сигнальная обмотка 8, расположенные в трех взаимно перпендикулярных плоскостях и соединенные с вычислителем. ЭДС, наводимые вращающимся намагниченным ротором в синхронизирующих обмотках 4, 6 и сигнальной обмотке 8, содержат информацию об углах относительных поворотов ротора. После обработки сигналов, снимаемых с синхронизирующих обмоток 4, 6 и с сигнальной обмотки 8, вычисляются углы и , при этом угол является выходной информацией ГИ и используется в системе управления подвижным объектом, а угол используется для работы системы МРК. Обработка сигналов с указанных обмоток предполагает их демодуляцию с целью выделения низкочастотных составляющих этих сигналов, пропорциональных величинам и sin , и вычисление углов и с использованием программируемого вычислителя (фиг.3, 4).

Использование предложенного гироинтегратора позволяет существенно упростить конструкцию известного аналога, уменьшить ее габариты и снизить потребляемую мощность. Таким образом, заявляемая конструкция обеспечивает указанный технический результат.

1. Бескарданный гироинтегратор линейных ускорений, включающий ротор, подвес ротора с тремя степенями свободы, вычислитель, систему межрамочной коррекции, содержащую усилитель-преобразователь и датчик момента, отличающийся тем, что гироинтегратор выполнен в виде миниатюрного намагниченного ротора сферической формы, размещенного в сферической полости вкладыша корпуса прибора с зазором, составляющим 0,10,01 радиуса ротора, причем центр масс ротора смещен вдоль оси его вращения, при этом сферическая полость заполнена маловязкой немагнитной жидкостью, образующей гидроподвес ротора, и охвачена обмотками, расположенными на вкладыше корпуса и соединенными с вычислителем и блоком управления двигателем, при этом синхронизирующие обмотки и сигнальная обмотка, расположенные в трех взаимно перпендикулярных плоскостях, одновременно соединены со входом вычислителя, выход которого соединен с обмоткой датчика момента и второй рабочей обмоткой, расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях, параллельных входной оси прибора, причем синхронизирующие обмотки соединены со входом блока управления двигателем, выход которого соединен с рабочими обмотками, а выход вычислителя соединен с индикатором вычисленного кажущегося ускорения.

2. Бескарданный гироинтегратор линейных ускорений по п.1, отличающийся тем, что осевой момент инерции ротора относительно оси его вращения превышает его экваториальные моменты инерции.

3. Бескарданный гироинтегратор линейных ускорений по п.1 или 2, отличающийся тем, что число пар полюсов намагниченного ротора в плоскости, перпендикулярной оси вращения, равно трем.