Оптические преобразователи.

Для съема информации с ГСОиН возможно использовать оптические датчики: фотодетекторы, фотодиоды, фотоэлектронные умножители. Но габариты, масса, сложность настройки создают неудобства в использовании. Погрешность оптических датчиков составляет 1.

Далее выясним, как погрешности метода съема информации с гироскопических систем ориентации и навигации влияют на собственные уходы (дрейф) гироскопа входящего в систему ориентации и навигации. Для этого опишем некоторые важные свойства гироскопа.

Основой гироскопической системы ориентации и навигации является гироскоп. Гироскопом называется устройство, предназначенное для измерения углов, угловых скоростей, ускорений и стабилизации различных объектов , принцип работы которого основан на использовании поворотных ускорений. В настоящее время наибольшее распространение получили гироприборы с быстро вращающимся ротором, поэтому гироскопом часто называют быстро вращающееся симметричное тело, имеющее две или три степени свободы. Необходимое число степеней свободы может быть реализовано благодаря применению специальных подвесов. Основой подавляющего большинствасовременных гироскопических приборов является гироскоп в кардановом подвесе (рисунок 1.8).

Рис.1.8 Схема гироскопа в кардановом подвесе

Мг – гироскопический момент,

Н – кинетический момент,

 - переносная угловая скорость.

Кардановый подвес представляет собой две рамки со взаимно перпендикулярными осями вращения. Существует так же электростатический и магнитный подвес. Ось oZ, вокруг которой вращается ротор, называют главной осью гироскопа. Обычно стремятся, что бы оси oY, oX, oZ пересекались в одной точке. Если центр тяжести гироскопа совпадает с этой точкой, то он является астатическим, в противном случае гиромаятником или тяжелым гироскопом. При сложном движении диска относительно оси оХ будет возникать момент от инерционных сил Кориолиса, называющийся гироскопическим моментом Мг. Поскольку гироскопический момент является моментом инерционным, возникшим в результате движения быстро вращающегося диска с переносной угловой скоростью со то, согласно принципу Даламбера, он должен уравновешивать противоположно направленный ему внешний момент Мв т.е.

Угловая же скорость переносного вращения со есть результат действия внешнего момента Мв. Движение быстро вращающегося тела с угловой скоростью со под действием приложенного внешнего момента Мв называют прецессионным движением или прецессией. Когда диск совершает прецессионное движение, с угловой скоростью, вектор которой ш направлен под углом а к по отношению к вектору кинетического момента Hможно определить закон прецессии:

 (1.5)

где

 - угловая скорость;

Мв - внешний момент;

Н - Кинетический момент;  - угол между Н и

Прецессионное движение направлено на совмещение вектора кинетического момента (собственный момент количества движения гироскопа) с вектором внешнего момента по кратчайшему пути.

Кроме прецессионного движения существует другое движение, в процессе которого момент совершает работу, обеспечивающую увеличение энергии системы на величину энергии прецессии. Это дополнительное движение называется нутацией. Таким образом если к гироскопу приложен внешний момент Мв, то его главная ось совершает сложное движение, состоящее из прецессионного движения вокруг оси оХ, и наложенных на него дополнительных колебаний вокруг осей оХ и oY. Эти дополнительные движения главной оси гироскопа называют нутационными колебаниями или просто нутацией. Параметрами нутационных колебаний в общем случае являются их частота и амплитуды:

- частота нутации; (1.6)

- амплитуды нутации;

При вращающемся роторе

определим параметры нутационных колебаний:

 - амплитуды нутации;

- частота нутации;

Наиболее обширную группу представляют инструментальные погрешности гироскопов. Инструментальные погрешности - это погрешности возникающие из-за недостаточной точности и качества изготовления и сборки отдельных элементов и узлов гироскопа, несовершенства материалов и т.д. Вследствие этого относительно осей подвеса гироскопа возникают различные вредные моменты, которые будут вызывать неопределенное угловое движение главной оси гироскопа.

 (1.7)

Этодвижение часто называют вредными уходами, собственными уходами или дрейфом гироскопа. Величина дрейфа гироскопа определяется следующим соотношением;

Где -сумма всех вредных моментов, действующих относительно неподвижной точки гироскопа; Н- величина кинетического момента; Сумму всех вредных моментов разобьем условно на наиболее характерные слагаемые:

(1.8)

где

Mm - моменты сухого трения в осях подвеса;

Мнб- моменты от несбалансированности;

М mn - моменты от устройств обеспечивающих подвод питания к гироскопу исъем сигналов;

М- прочие неучтенные моменты;

Моменты сухого трения, создаваемые опорами подвеса гироскопа, - один из наиболее существенных факторов, вызывающих собственные уходы гироскопов. Приближенно предполагается, что моменты сухого трения не зависят от времени, угловой скорости, относительного перемещения, зависят от нагрузки на опору и меняют знак при изменении знака скорости относительно перемещения. В действительности, даже при сделанных допущениях характеристика момента трения не бывает симметричной, т.е. при изменении знака скорости относительно перемещения абсолютное значение момента трения не остается постоянным. Поэтому если даже полагать, что гироскоп установлен на объект, совершающий гармонические колебания, будет наблюдаться его односторонний уход.

Моменты от несбалансированности возникают в результате несовпадения центра тяжести гироскопа с его неподвижной точкой. Эти моменты также могут носить случайный характер. Например, вследствие наличия в реальных конструкциях зазоров центр тяжести не имеет строго определенных координат. Статическую балансировку принципиально возможно произвести лишь с точностью до момента трения в опорах, на которых она производится, что определяется равенством Мт-Мнб.

Моменты от устройств, обеспечивающих подвод питания к гироскопу и обеспечивающих съем сигналов, зависит от конструкции этих устройств, которая, в свою очередь, зависит от вида подводимой энергии. В приборах с электрическим питание они могут носить характер упругих моментов и моментов сухого трения и рассматривались выше.

К числу неучтенных моментов можно отнести реактивные моменты при разгоне и торможении ротора, моменты, возникающие от инерционных сил при вибрациях в неравно жестких конструкциях и т.д.

Необходимо упомянуть об уходах, возникающих за счет нутационных колебаний главной оси гироскопа, если она отклонена от перпендикуляра к плоскости наружной рамки. Причем скорость этого ухода тем больше, чем больше угол отклонения. Однако скорость этого ухода исчисляется сотыми долями градуса в час и учитывается только в прецизионных приборах.

Ранее было выяснено, что собственные уходы гироскопа определяются соотношением (1.7). Это соотношение эквивалентно прецессионным уравнениям. Следовательно, при действии суммы вредных моментов вокруг оси оХ внутренней рамки, согласно закону прецессии, главная ось гироскопа начнет поворачиваться (прецессироватъ) с угловой скоростью вокруг оси oY внешней рамки в сторону совмещения вектора Н с вектором Мвр по кратчайшему пути. Если же момент Мвр будет приложен вокруг оси внешней рамки, то аналогичное движение будет совершать внутренняя рамка:

 (1.9)

где

- угловая скорость прецессии дрейфа;

Мвр- вредные моменты; Н - кинетический момент.

Угол отклонения главной оси гироскопа при этом определяется интегрированием угловой скорости прецессии:

 (1.10)

где

угол отклонения главной оси гироскопа при дрейфе.

Гироскоп сохраняет неизменной ориентацию своей главной оси впространстве с точностью до вредных уходов. Значит текущее значение путевого угла вычисляется по формуле:

(1.11)

где ПУтек.- текущее значение путевого угла;

Пуист.- истинное значение путевого угла (курс); у- погрешность измерения путевого угла.

Из этого видно, что уменьшение свободных уходов или дрейфа гироскопа возможно за счет уменьшения вредных моментов, за счет применения опор с малыми моментами трения, без моментных устройств подвода питания и высокоточных устройств съема сигналов.[1.2]