Способ определения углов продольного и поперечного наклонов подвижного объекта (варианты)

 

Изобретение относится к гироскопической технике и может быть использовано в измерительных системах и системах управления подвижных объектов. Сущность изобретения: при определении углов продольного и поперечного наклонов подвижного объекта с помощью гировертикали повышенной точности с использованием сигналов компенсации, перед формированием сигналов компенсации осуществляют настройку гировертикали. Настройка заключается в определении поправок на смещение угла географического курса, смещение продольного и поперечного датчиков угла, смещение продольной и поперечной систем коррекции гировертикали, определении значений коэффициентов крутизны коррекции по продольному и поперечному углу. Значения поправок и коэффициентов вводят и (или) хранят в запоминающем устройстве, а сигналы компенсации формируют в цифровом виде как поправки к измеренным углам наклона путем решения аналитических зависимостей. Технический результат - повышение точности при снижении трудоемкости и стоимости изготовления. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано при разработке и изготовлении гироскопических приборов для систем стабилизации, наведения и топопривязки объектов наземной техники.

Известны способы определения углов продольного и поперечного наклонов различных объектов с помощью гироскопических вертикалей (гировертикалей) [1, с.170-171], которые заключаются в том, что с помощью гировертикали создают на объекте площадку, стабилизированную в плоскости горизонта, относительно которой с измерительных осей гировертикали, например, с помощью датчиков углов снимают информацию об углах наклонов.

Недостатком известных способов, связанных с использованием гировертикалей является наличие дополнительной погрешности определения углов наклонов объекта из-за существования скоростной девиации и навигационной погрешности гировертикали вследствие суточного вращения Земли и перемещения объекта относительно Земли [1, с.178-179].

Известен способ определения углов продольного и поперечного наклонов с помощью гировертикали повышенной точности [1, с.191-195], свободный от указанного выше недостатка, заключающийся в том, что в схему гировертикали дополнительно вводят централь скорости, навигационный автомат и курсовую систему, вырабатывающие информацию соответственно о путевой скорости v, географической широте и географическом курсе А, по информации о которых с помощью счетно-решающих устройств формируют сигналы компенсации, и по сформированным сигналам осуществляют компенсацию видимого ухода оси гироскопа гировертикали от вращения Земли и перемещения объекта относительно Земли.

Недостатком известного способа определения углов наклонов с помощью гировертикали повышенной точности является снижение точности определения углов наклонов при наличии погрешности (смещения) (- А) определения угла географического курса А курсовой системой, при наличии погрешностей (смещения) (- ₀), (- ₀) определения углов наклонов в результате невыставки датчиков углов, установленных на измерительных осях гировертикали, погрешностей ₁, ₁ невыставки датчиков горизонта гировертикали, возникающих в результате изготовления и сборки гировертикали повышенной точности.

Измерение угла географического курса на объекте, как правило, включает в себя две операции: начальное ориентирование и дальнейшее хранение направления в курсовой системе. Начальное ориентирование выполняется обычно с помощью отдельного прибора - гирокомпаса, входящего в состав курсовой системы. При условии точного хранения направления курсовой системой ошибка определения угла географического курса в основном определяется смещением угла географического курса в результате начального ориентирования.

Компенсация ухода оси гироскопа гировертикали в результате вращения Земли и перемещения объекта относительно Земли в известном способе, реализованном в гировертикали повышенной точности [1, с.191-195], осуществляется путем подачи от счетно-решающих устройств соответствующих сигналов на датчики моментов гироскопа гировертикали, а именно, осуществляется приборная компенсация погрешностей.

В настоящее время в качестве счетно-решающих устройств широко применяются электронные вычислительные устройства (микроЭВМ), обеспечивающие цифровую обработку информации.

Для реализации приборной компенсации погрешностей при использовании в качестве счетно-решающих устройств микроЭВМ в состав гировертикали повышенной точности необходимо введение дополнительных устройств - цифроаналоговых преобразователей, что усложняет и повышает стоимость гировертикали повышенной точности.

В качестве прототипа изобретения принят способ определения продольного и поперечного наклонов с помощью гировертикали повышенной точности [1, с.191-195].

Изобретение направлено на снижение трудоемкости и стоимости изготовления при использовании в качестве счетно-решающих устройств микроЭВМ, повышение точности измерения углов наклонов при наличии погрешностей, связанных с изготовлением и сборкой гировертикали повышенной точности.

Это достигается тем, что в известном способе определения углов продольного и поперечного наклонов подвижного объекта с помощью гировертикали повышенной точности, включающем выработку информации о географической широте , выработку информации о географическом курсе А, формирование по информации о географической широте и географическом курсе А сигналов компенсации, компенсацию по сформированным сигналам видимого ухода оси гироскопа гировертикали от вращения Земли и измерение углов продольного и поперечного наклонов с помощью гировертикали, перед формированием сигналов компенсации осуществляют настройку гировертикали повышенной точности, заключающуюся в том, что определяют А - поправку на смещение угла географического курса А, 0, 0 - поправки на смещение продольного и поперечного датчиков угла гировертикали, (- 1), (- 1) - поправки на смещение от продольной и поперечной систем коррекции гировертикали, 1, 2 - значения коэффициентов крутизны коррекции гировертикали по углу продольного и поперечного наклонов соответственно, значения поправок и коэффициентов вводят и (или) хранят в запоминающем устройстве, а сигналы компенсации формируют в цифровом виде как цифровые поправки , к измеренным углам наклона и , причем при вычислении поправок решают выражения:

где k=1;

Т - период цикла вычислений;

(- п(i)), (- п(i)) - поправки в i-й момент времени на скоростную девиацию и смещение от продольной и поперечной систем коррекции с учетом преобразования углового положения главной оси гироскопа гировертикали в географической системе координат;

A (i-1)=A(i-1)+ А - значение угла географического курса в (i-1)-й момент времени с учетом поправки А;

(i), (i) - поправки к измеренным гировертикалью углам наклона и в i-й момент времени,

причем в момент начала вычислений по выражениям (1.1) устанавливают начальные значения:

i=0;

где m=0,1.

В варианте способа определения углов продольного и поперечного наклонов подвижного объекта с помощью гировертикали повышенной точности, дополнительно включающем выработку информации о путевой скорости v, формирование сигналов компенсации с использованием дополнительной информации о путевой скорости v, дополнительную компенсацию по сформированным сигналам видимого ухода оси гироскопа гировертикали от перемещения объекта относительно Земли после указанной выше настройки гировертикали повышенной точности цифровые поправки , к измеренным углам наклона и формируют путем решения выражений

где k=1 и дополнительно к обозначениям (1.1)

V(i-1) - путевая скорость объекта в (i-1)-й момент времени;

R - радиус Земли;

g - ускорение свободного падения,

причем в момент начала вычислений по выражениям (2.2) устанавливают начальные значения:

i=0;

где m=0,1.

Для сокращения количества переменных в предлагаемых выражениях (1.1), (1.2), (2.1), (2.2) может быть принято k=0, m=0.

Для исключения появления дополнительной погрешности гировертикали повышенной точности в случае, если на момент формирования сигналов компенсации не известны достоверные значения географической широты и (или) географического курса А, в качестве поправок к углам продольного и поперечного наклонов используют значения смещений продольного и поперечного датчиков углов гировертикали (- ₀), (- ₀) или дополнительно значения смещений от систем коррекции ₁, ₁.

На этапе изготовления гировертикали повышенной точности путем соответствующих регулировок курсовой системы и гировертикали могут обеспечиваться нулевые значения всех или некоторых поправок.

В этом случае в запоминающее устройство вводят и хранят лишь ненулевые поправки, нулевые не используют, а с помощью счетно-решающих устройств реализуют одну из форм зависимостей (1.1), (1.2), (2.1), (2.2), в которых отсутствуют нулевые члены при неиспользуемых поправках, что сокращает объем дополнительного операторского обслуживания гировертикали повышенной точности и повышает ее быстродействие за счет сокращения объема математических операций, производимых вычислительным устройством.

Аналогично в результате изготовления гировертикали повышенной точности может обеспечиваться равенство крутизны коррекции гировертикали по углам продольного и поперечного наклонов 1= 2.

В этом случае аналогично для сокращения объема операторского обслуживания и повышения быстродействия с помощью счетно-решающих устройств реализуют форму зависимостей (1.1), (1.2), (2.1), (2.2), в которой 1= 2= , где - крутизна коррекции гировертикали, и вместо двух значений 1 и 2 в запоминающем устройстве хранят одно значение .

Реализация способа определения углов продольного и поперечного наклонов подвижного объекта с помощью гировертикали повышенной точности поясняется чертежом, на котором представлена схема преобразований углового положения главной оси гироскопа гировертикали в географической системе координат при поворотах корпуса гировертикали по углу курса.

Реализация предлагаемого способа осуществляется следующим образом.

Гировертикаль повышенной точности, реализующая предлагаемый способ определения углов продольного и поперечного наклонов, содержит гировертикаль, средство для выработки угла географического курса - курсовую систему, средство для выработки информации о географической широте - навигационный автомат, в варианте реализации: средство для выработки информации о путевой скорости - централь скорости.

На подвижном объекте гировертикаль устанавливается так, что ось поворота наружной рамы карданова подвеса с датчиком угла параллельна продольной оси объекта, а ось поворота средней рамы с датчиком угла лежит в плоскости, содержащей поперечную ось объекта.

Курсовая система на подвижном объекте устанавливается так, что ее продольная ось параллельна продольной оси объекта.

После включения и истечения времени готовности курсовая система вырабатывает текущий угол географического курса А, навигационный автомат - текущее значение широты .

Ввиду того, что установкой на подвижном объекте обеспечивается параллельность продольной оси курсовой системы и оси наружной рамы гировертикали, угол географического курса А дает информацию о положении измерительных осей гировертикали относительно направления меридиана.

В этом случае уравнение прецессии для гировертикали, покоящейся относительно Земли, в соответствии с [1, с.178] и установкой гировертикали на объекте, с учетом наличия погрешностей (- А), 1, 1, без учета собственной скорости прецессии гировертикали можно представить в виде:

где _п, _п - продольный и поперечный углы отклонения главной оси гироскопа гировертикали от направления истинной вертикали.

Для упрощения и снижения стоимости гировертикали повышенной точности, в которой в качестве счетно-решающих устройств используются микроЭВМ, в предлагаемом способе предполагается осуществление алгоритмической компенсации погрешностей гировертикали от ее уходов.

Решение выражений (3) в реальном времени с помощью микроЭВМ возможно путем использования их дискретного аналога, который в простейшем случае имеет вид:

или после преобразования:

Выражения (4) определяют положение главной оси гироскопа гировертикали относительно направления истинной вертикали в результате прецессии от воздействия составляющей Ucos угловой скорости вращения Земли при изменении углового положения А ее измерительных осей относительно направления меридиана в i - момент времени.

Пусть плоскость основания корпуса гировертикали перпендикулярна направлению истинной вертикали, а поворот корпуса гировертикали осуществляется вокруг направления истинной вертикали, тогда величины _п и _п суть погрешности _п и _п измерения углов продольного и поперечного наклонов от скоростной девиации и смещения при измерении углов наклонов от систем коррекции.

В обозначениях погрешностей _п и _п выражение (4) имеет вид

После завершения процесса начальной выставки по истечении времени готовности установившиеся значения погрешностей определения углов наклонов будут соответствовать условию k Т , где k=i, k Т - время.

Моментом начала вычислений по выражениям (5) является момент i=0, на который известны текущий угол географического курса А и значение широты . Для момента i=0 и условия k Т , и при условии, что A=const, начальные погрешности гировертикали в соответствии с (5) равны

где m=0

Значения (6) являются начальными значениями при расчете по выражениям (5) в момент i=0.

При развороте корпуса гировертикали в азимуте кроме прецессии в соответствии с формулами (3) происходит преобразование углового положения главной оси гироскопа, а следовательно, и измерительных осей гировертикали в географической системе координат, относительно которой происходит измерение углов наклона.

Пусть O - географическая система координат (см.чертеж), O _{0 0 0}; O _{1 1 1} - системы координат, связанные с корпусом гировертикали в угловых положениях А₀, А₁, Ox₀y₀z₀, Ox₁y₁z₁ - системы координат, связанные с измерительными осями гировертикали в этих же положениях. При условии А₀=0, A₁=0 системы координат O_{0 0 0}, O _{1 1 1} совпадают с системой координат O .

Пусть в результате прецессии в соответствии с выражениями (3) при угловом положении А₀ в азимуте главная ось гироскопа гировертикали заняла направление, характеризующееся угловым положением ₀ и ₀ в системе координат O₀₀₀. связанной с корпусом гировертикали в угловом положении А₀.

В положении главной оси гироскопа гировертикали ₀ и ₀ отключим коррекцию и будем осуществлять компенсацию видимого ухода главной оси гироскопа от собственной скорости прецессии и составляющей Ucos , при этом корпус гировертикали покоится относительно земной поверхности.

Из-за свойства свободного гироскопа сохранять направление главной оси в инерциальном пространстве положение плоскости Ох₀у₀, задаваемой измерительными осями гировертикали, с точностью до погрешностей при указанных выше условиях остается неизменным относительно географической системы координат O .

Пусть теперь корпус гировертикали развернут в азимуте в новое положение A₁ в азимуте в системе координат O , вокруг оси O .

В соответствии с чертежом в новой системе координат O _{1 1 1}, связанной с корпусом в положении A₁, положение главной оси гироскопа гировертикали, а следовательно, и ее измерительных осей, характеризуется угловыми координатами ₁ и ₁.

Аналитически описанное преобразование углового положения ₀ и ₀ в угловое положение ₁ и ₁ измерительных осей гировертикали при развороте ее корпуса в азимуте в обозначениях для погрешностей _{п i} и _{п i} определения углов наклонов можно представить как

В действительности при включенной коррекции при работе гировертикали изменение погрешностей определения углов наклонов происходит совместно как вследствие процесса (3), так и процесса (7).

Как следует из выражений, изменение погрешностей определения углов наклонов в результате прецессии (3) от скоростной девиации происходит с некоторой постоянной времени, в то время как изменение погрешностей в результате преобразования (7) - мгновенно при изменении угла курса.

Формально, по аналогии с процессами (3) и (7), дискретный аналог (5) выражений (3) может быть также разбит на “мгновенную” (слагаемые _п(i-i) и _п(i-1) и “инерционную” (слагаемые Т[-_{1 п}(i-1)-Ucos sin[A (i)]+ 1] и Т[- 2 _п(i-1)-Ucos cos[A (i)]+ 1)]) части.

Дискретный аналог суперпозиции процессов (3) и (7) в этом случае может быть получен подстановкой в “мгновенную” часть выражений (5) “мгновенного” преобразования (7) в дискретной записи:

что дает:

где k=1.

При перемещении гировертикали по земной поверхности возникают дополнительные скоростная и навигационная погрешности [1, с.178-179]. При этом в уравнения прецессии (3) должны быть введены дополнительные члены.

В соответствии с выражениями [1, с.179, формулы (6.13), (6.15)] аналитические выражения для установившихся значений указанных погрешностей при перемещении корпуса гировертикали по поверхности Земли со скоростью v в принятых по тексту обозначениях будут иметь вид:

В этом случае с учетом составляющих (9) уравнения прецессии главной оси для гировертикали, движущейся относительно земной поверхности со скоростью v, можно представить в виде:

Дискретный аналог для выражений (10) с учетом (7) по аналогии с (8) может быть представлен в виде:

где k=1.

В выражениях (8) и (11) наряду с переменными _п(i-1), _п(i-1) присутствуют переменные _п(i-2) и _п(i-2), поэтому для начала решения выражений (8) и (11) необходимо два начальных значения (6) при m=0 и m=1, причем при вычислении начальных значений для выражений (11) выражения (6) должны быть дополнены составляющими (9) для момента i=0, в которых v=v(0).

Для сокращения количества переменных, участвующих в расчетах, при условии малости величины Т без значимого снижения точности вычислений по выражениям (8) и (11) можно принять k=0.

Невыставка продольного и поперечного датчиков угла гировертикали приводит к формированию статических погрешностей определения углов продольного и поперечного наклонов, учет которых в предлагаемом способе осуществляется с использованием постоянных поправок ₀ и ₀.

Суммарные значения поправок к измеренным углам наклона и в i-й момент времени с учетом невыставки датчиков угла гировертикали равны

(i)= 0- _п(i); (i)= 0- _п(i)

Достоверные значения поправок п(i), п(i) могут быть определены только при условии, если на момент начала вычислений (8), (11) известны достоверные значения угла курса А и широты .

С момента запуска гировертикали повышенной точности достоверные значения угла курса А и широты вырабатываются за вполне определенное время, определяемое алгоритмами работы курсовой системы и навигационного автомата, и могут быть известны значительно позднее достижения времени готовности гировертикали к измерению углов наклонов.

В этом случае для сохранения необходимой точности определения углов наклонов гировертикалью повышенной точности до момента выработки достоверных значений угла курса А и широты поправки п(i), п(i) не определяют, а компенсируют лишь статическую часть погрешностей поправками

(i)= 0; (i)= 0,

или с учетом смещения датчиков горизонта гировертикали

(i)= 0+ ₁; п(i)= о+ 1

В частных случаях изготовления гировертикали повышенной точности могут быть получены нулевые значения всех или нескольких поправок А, 0, 1, 0 или 1, а также равенство крутизны коррекции гировертикали по углам продольного и поперечного наклонов 1= 2.

В этом случае реализуют одну из форм зависимостей (1.1), (1.2), (2.1), (2.2), в которых отсутствуют нулевые члены при неиспользуемых поправках, а 1= 2= , где - крутизна коррекции гировертикали.

Предлагаемый способ может быть реализован в навигационной системе, содержащей в своем составе вычислительное устройство (микроЭВМ), датчик скорости, установленный на оси колеса подвижного объекта, и систему самоориентирующуюся гироскопическую курсокреноуказания (ССГККУ) [2], или в самой ССГККУ при наличии в ее составе микроЭВМ.

ССГККУ обеспечивает выработку текущего значения угла географического курса А после завершения выполняемого автоматически самой ССГККУ процесса начального ориентирования с учетом поправки А, выработку текущих значений углов продольного и поперечного наклонов объекта на стоянке и в движении с учетом поправок.

Текущее значение широты вырабатывается в навигационной системе при решении навигационных алгоритмов.

Выработка текущих значений углов продольного и поперечного наклонов объекта производится с учетом поправок (i), (i), расчет которых в реальном времени реализован с помощью вычислительного устройства по выражениям (1.1) или (2.1).

Таким образом, предлагаемый способ за счет предварительной настройки гировертикали повышенной точности и последующего формирования поправок в цифровом виде путем решения в реальном времени дискретных выражений, одновременно учитывающих процессы прецессии и преобразования углового положения измерительных осей гировертикали в системе координат, связанной с ее корпусом, позволяет повысить точность определения углов наклонов без усложнения гировертикали повышенной точности.

Библиографические данные

1. Гироскопические системы. Гироскопические приборы и системы. Учеб. / Д.С. Пельпор, И.А. Михалев, В.А. Бауман и др.; Под ред. Д.С. Пельпора. - М.: Высш. шк., 1988. – 424 с.

2. Патент на изобретение РФ №2124184, МПК 6 G 01 C 19/38. Система самоориентирующаяся гироскопическая курсокреноуказания /Верзунов Е.И., Королев В.В., Заморский А.В., Матвеев В.Г. Приоритет 15.12.96. Бюл. №36, 1998. - с.403.

Формула изобретения

1. Способ определения углов продольного и поперечного наклонов подвижного объекта с помощью гировертикали повышенной точности, включающий выработку информации о географической широте , выработку информации о географическом курсе А, формирование по информации о географической широте и географическом курсе А сигналов компенсации, компенсацию по сформированным сигналам видимого ухода оси гироскопа гировертикали от вращения Земли и измерение углов продольного и поперечного наклонов с помощью гировертикали, отличающийся тем, что перед формированием сигналов компенсации осуществляют настройку гировертикали повышенной точности, заключающуюся в том, что определяют А - поправку на смещение угла географического курса А, 0, 0 - поправки на смещение продольного и поперечного датчиков угла гировертикали, (-1), (-1) - поправки на смещение главной оси гироскопа гировертикали от продольной и поперечной систем коррекции, 1, 2 - значения коэффициентов крутизны коррекции гировертикали по углу продольного и поперечного наклонов соответственно, значения поправок и коэффициентов вводят и(или) хранят в запоминающем устройстве, а сигналы компенсации формируют в цифровом виде как цифровые поправки , к измеренным углам наклона и , причем при вычислении поправок решают выражения

где k=1;

Т- период цикла вычислений;

поправки в i-й момент времени на скоростную девиацию и смещение от системы коррекции гировертикали с учетом преобразования углового положения главной оси гироскопа гировертикали в географической системе координат;

А*(i-1)=A(i-1)+A - значение угла географического курса в (i-1)-й момент времени с учетом поправки А;

(i), (i) - поправки к измеренным гировертикалью углам наклона и в i-й момент времени,

причем, в момент начала вычислений по выражениям (1.1) устанавливают начальные значения

где m=0; 1.

2. Способ определения углов продольного и поперечного наклонов подвижного объекта с помощью гировертикали повышенной точности, включающий выработку информации о путевой скорости v, выработку информации о географической широте , выработку информации о географическом курсе А, формирование по информации о путевой скорости v, географической широте и географическом курсе А сигналов компенсации, компенсацию по сформированным сигналам видимого ухода оси гироскопа гировертикали от вращения Земли и перемещения объекта относительно Земли и измерение углов продольного и поперечного наклонов с помощью гировертикали, отличающийся тем, что перед формированием сигналов компенсации осуществляют настройку гировертикали повышенной точности, заключающуюся в том, что определяют А - поправку на смещение угла географического курса А, 0, 0 - поправки на смещение продольного и поперечного датчиков угла гировертикали, (-1), (-1) - поправки на смещение главной оси гироскопа гировертикали от продольной и поперечной систем коррекции, 1, 2 - значения коэффициентов крутизны коррекции гировертикали по углу продольного и поперечного наклонов соответственно, значения поправок и коэффициентов вводят и(или) хранят в запоминающем устройстве, а сигналы компенсации формируют в цифровом виде как цифровые поправки , к измеренным углам наклона и , причем при вычислении поправок решают выражения

где k=1 и дополнительно к обозначениям (1.1):

V(i-1) - путевая скорость объекта в (i-1)-й момент времени;

R - радиус Земли;

g - ускорение свободного падения,

причем, в момент начала вычислений по выражениям (2.1) устанавливают начальные значения

где m=0; 1.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что k=0, m=0.

4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что при неизвестной географической широте и(или) географическом курсе А поправки к измеренным углам наклонов равны

=0; =0.

5. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что при неизвестной географической широте и(или) географическом курсе А поправки к измеренным углам наклонов равны:

=0+1; =0+1.

6. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в результате изготовления гировертикали повышенной точности обеспечиваются нулевые значения всех или нескольких поправок, причем в запоминающем устройстве хранят ненулевые поправки, причем с помощью счетно-решающих устройств реализуют одну из форм зависимостей (1.1), (1,2), (2.1), (2.2), в которых отсутствуют нулевые члены при неиспользуемых поправках.

7. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в результате изготовления гировертикали повышенной точности обеспечивается равенство 1 и 2, причем с помощью счетно-решающих устройств реализуют форму зависимостей (1.1), (1.2), (2.1), (2.2), в которых 1=2=, где - коэффициент крутизны коррекции гировертикали, причем значение вводят и(или) хранят в запоминающем устройстве вместо 1 и 2.

РИСУНКИ

Рисунок 1