Использование гироскопических навигационных приборов

1. Использование гироскопических навигационных приборов SEASCHOOL.RU

2. 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. Назначение

3. 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

4. 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. Сравнительная характеристика

5. 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 200-300 КГц) сигналов. Автономные же гироскопические приборы работают в любом месте — под землёй, под водой, в космосе. Сравнительная характеристика

6. 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

7. Известно более старазличных 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

8. Например, прецизионные гироскопыиспользуются 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

9. 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

10. 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. Сравнительная характеристика

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

12. Гироскоп на МАКС-2009 Как это выглядит

13. Гирокомпас на бригантине Star Clipper. Как это выглядит

14. 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

15. 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

16. 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. Задачи навигации

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

18. 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. Состав и назначение

19. Гироскоп изобрёл Иоганн Боненбергер и опубликовал описание своего изобретения в 1817 году. • 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

20. 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». Для наблюдения этого процесса в динамике интересующиеся могут обратиться по адресу http://faculty.ifmo.ru/butikov/Applets/GyroscopeR.html#_top Основы модели

21. Основы модели

22. Основы модели

23. Параметры нутации определяются соотношением н= Iгл /(IвтCos ). Где  - угол между осью инерции маховика и направлением момента импульса  - скорость вращения маховика, Iгл и Iвт – 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

24. Для вынужденной прецессии W = - (mr / Iгл ) 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 Wобратно пропорциональна моменту импульса гироскопа (I) и пропорциональна моменту внешней силы (тяжести груза) P. Основы модели

25. 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

26. 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. (Инерциа́льнаясисте́ма 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

27. 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

28. 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

29. Гироскопы направления

30. 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

31. 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

32. 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

33. Гироскопы направления

34. Гироскопы направления

35. Гироскопы направления

36. Кинематическая схема

37. 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

38. 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

39. 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

40. 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

41. 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

42. 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

43. 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

44. 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

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

46. Здесь U – угловая скорость вращения земли  - широта Н - модуль момента импульса гироскопаН =|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 MАК = Н U Sin  Кинематическая схема

47. 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

48. 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

49. 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

50. 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