RU2417352C1

RU2417352C1 - Precision gyro stabiliser

Info

Publication number: RU2417352C1
Application number: RU2009147664/28A
Authority: RU
Inventors: Альберт Робертович Бакиров (RU); Альберт Робертович Бакиров; Николай Георгиевич Баженов (RU); Николай Георгиевич Баженов
Priority date: 2009-12-23
Filing date: 2009-12-23
Publication date: 2011-04-27

Abstract

FIELD: physics. ^ SUBSTANCE: gyro stabiliser comprises inverted rotor with moment stabilisation and unloading system, moments acting along axes of outer and inner frames. Rotor features design peculiarities consisting in that four sphere- or cylinder-shaped recesses filled with liquid are made along mutually perpendicular equatorial axes. Floats are arranged in said recesses secured via piezo crystals with rotor base inner part. Note here that each pair of piezo crystals arranged along gyro rotor diametre are electrically intermatched and matched with one of coordinate converter rotor windings fixed on gyro motor revolving rotor. ^ EFFECT: higher precision, fast response. ^ 2 dwg

Description

Прецизионный гиростабилизатор (ПГС) относится к области навигационной техники и может найти применение при построении гиростабилизированных платформ в системах управления.Precision gyrostabilizer (ASG) belongs to the field of navigation technology and can find application in the construction of gyrostabilized platforms in control systems.

К настоящему времени известны гироскопические стабилизаторы силового и индикаторного типов, построенные на базе классических и вибрационных гироскопов [1-2]. Известны также лазерные гироскопы, широко используемые в последнее время в качестве датчиков угловых скоростей [1]. Их общим недостатком является то, что для них характерен систематический дрейф по измеряемым угловым скоростям. Они технологически сложны, особенно, с точки зрения построения систем датчиков и приемников сигналов. За аналог-прототип выбрана схема классического гиростабилизатора непосредственного типа, который представляет собой обычный трехстепенной гироскоп с установленным на внешней рамке объектом, нуждающимся в стабилизации. Основные элементы аналога-прототипа: гиромотор, внешняя и внутренняя рамки, объект стабилизации.To date, gyroscopic stabilizers of power and indicator types based on classical and vibration gyroscopes are known [1-2]. Laser gyroscopes, widely used recently as angular velocity sensors, are also known [1]. Their common drawback is that they are characterized by a systematic drift in measured angular velocities. They are technologically complex, especially from the point of view of building systems of sensors and signal receivers. For the analogue-prototype, a scheme of a classical direct-type gyrostabilizer was chosen, which is an ordinary three-stage gyroscope with an object in need of stabilization mounted on an external frame. The main elements of the analogue prototype: a gyromotor, an external and an internal framework, an object of stabilization.

Технический результат - повышение точности и быстродействия в создании инерциальной системы координат, обеспечение угловой стабилизации по двум взаимно перпендикулярным осям и уменьшение габаритно-весовых характеристик прибора в целом.The technical result is an increase in accuracy and speed in creating an inertial coordinate system, ensuring angular stabilization along two mutually perpendicular axes and reducing the overall weight characteristics of the device as a whole.

Технический результат достигается уникальной оригинальностью конструкции ротора аналога-прототипа, заключающейся в том, что на роторе размещен датчик команд угловых скоростей, выполненный на основе пьезокристаллов и размещенный строго на оси вращения ротора гироскопа.The technical result is achieved by the unique originality of the rotor design of the analogue prototype, which consists in the fact that the rotor has an angular velocity command sensor made on the basis of piezocrystals and placed strictly on the axis of rotation of the gyroscope rotor.

Устройство поясняется чертежами: на фиг.1 приведена кинематическая схема ПГС, на фиг.2 изображено принципиальное устройство чувствительного элемента датчика команд.The device is illustrated by drawings: figure 1 shows the kinematic diagram of the ASG, figure 2 shows the basic device of the sensor element of the command sensor.

Прецизионный гиростабилизатор (фиг.1) представляет собой классический трехстепенной гироскоп с ротором обращенного типа 1, по осям подвеса которого размещены датчик момента 5 (ДМ) и стабилизирующий двигатель 6 (СД). Ротор ДМ закреплен на оси внутренней рамки 16, статор - на оси внешней рамки 15, обладающих определенной жесткостью.The precision gyrostabilizer (Fig. 1) is a classic three-stage gyroscope with a reversed type 1 rotor, along the axes of the suspension of which there are a torque sensor 5 (DM) and a stabilizing engine 6 (SD). The rotor DM is fixed on the axis of the inner frame 16, the stator on the axis of the outer frame 15, with a certain rigidity.

ПГС имеет по двум взаимно перпендикулярным экваториальным осям инерции (X и Y) по две полости в виде сфер или цилиндров 10 (фиг.2), размещенных диаметрально противоположно. Внутренние объемы сфер (цилиндров) заполнены жидкостью 11. В месте пересечения полостей размещен поплавок 14 датчика команд угловых скоростей (ДК), соединенный жесткой связью 13 с пьезокристаллами 12.ASG has two mutually perpendicular equatorial axes of inertia (X and Y) in two cavities in the form of spheres or cylinders 10 (Fig.2), placed diametrically opposite. The internal volumes of the spheres (cylinders) are filled with liquid 11. At the intersection of the cavities, a float 14 of the angular velocity command (DC) command is placed, connected by a rigid connection 13 to the piezoelectric crystals 12.

Воздействующим элементом на датчик команд угловых скоростей 4 является жидкость 11. Удельная массовая плотность жидкости (ρ_ж) должна быть больше удельной плотности поплавка 14 (ρ_п). Для обеспечения наименьшего сопротивления протеканию жидкости поплавки изготавливаются в форме пустотелых шариков или эллипсоидов вращения.The acting element on the angular velocity command sensor 4 is liquid 11. The specific mass density of the liquid (ρ _l ) should be greater than the specific density of the float 14 (ρ _p ). To ensure the least resistance to fluid flow, the floats are made in the form of hollow balls or rotation ellipsoids.

Пьезокристаллы 12 датчика команд угловых скоростей 4, расположенные в двух перпендикулярных полостях 10, электрически связываются друг с другом последовательно и согласно, что позволяет повысить величину выходного сигнала датчика в два раза. Пьезокристаллы изготавливаются в форме прямоугольных пластин, один конец которых жестко закреплен с поплавком 14, второй - с внутренней частью полости ротора 1.The piezocrystals 12 of the angular velocity command encoder 4, located in two perpendicular cavities 10, are electrically connected to each other in series and according to what allows to increase the output signal of the sensor by a factor of two. Piezocrystals are made in the form of rectangular plates, one end of which is rigidly fixed with the float 14, the second with the inside of the cavity of the rotor 1.

Датчик команд угловых скоростей 4 электрически связывается с роторными обмотками преобразователя координат 3 (ПК), т.е. с обмотками, размещенными непосредственно на оси вращения ротора 1 гироскопа. Сигналы с ПК через усилители 8, 9 (Уст X, Уст Y) подаются соответственно на стабилизирующий двигатель 6 и датчик момента 5, чем достигается стабилизация оси вращения ротора 1 гироскопа, т.е. двухкоординатная стабилизация прибора в целом.The angular velocity command sensor 4 is electrically connected to the rotor windings of the coordinate transformer 3 (PC), i.e. with windings located directly on the axis of rotation of the rotor 1 of the gyroscope. The signals from the PC through amplifiers 8, 9 (Set X, Set Y) are respectively supplied to the stabilizing motor 6 and the torque sensor 5, thereby stabilizing the axis of rotation of the gyro rotor 1, i.e. two-axis stabilization of the device as a whole.

Принцип работы ПГС заключается в следующем. При вращении ротора гироскопа 1 поплавок датчика команд угловых скоростей 4 занимает нейтральное положение и с него не поступает сигнал. Под действием моментов внешних сил, приложенных вдоль осей внутренней 16 или наружной 15 рамок гироскопа, ротор 1 начинает прецессировать, чем вызывается появление сил, действующих с двойной частотой вращения ротора гироскопа на жидкость ДК, а следовательно, и на поплавок датчика. Далее сигналы с датчика команд угловых скоростей 4 через преобразователь координат 3, усилители (Уст X, Уст Y) подаются на СД и ДМ, чем достигается устранение возмущающего воздействия, повышение чувствительности гироскопа и обеспечение систематического ухода осей подвеса гироскопа с точностью выше

(дуг.сек/мин).The principle of operation of ASG is as follows. When the rotor of the gyroscope 1 is rotated, the float of the angular velocity command sensor 4 occupies a neutral position and no signal is received from it. Under the action of external forces applied along the axes of the internal 16 or external 15 of the gyroscope, rotor 1 begins to precess, which causes the appearance of forces acting with a double rotation speed of the gyroscope rotor on the DC fluid, and therefore on the sensor float. Further, the signals from the angular velocity command sensor 4 through the coordinate converter 3, amplifiers (Ust X, Ust Y) are fed to the LED and the DM, thereby eliminating the disturbance, increasing the sensitivity of the gyroscope and ensuring the systematic departure of the gyroscope suspension axes with an accuracy higher

(arc sec / min).

Преобразователь координат 3 позволяет разделить управляющий сигнал пропорционально проекциям главного вектора возмущающего момента на соответствующие оси внешней 15 и внутренней 16 рамок и образовать новые цепи управления по этим осям, т.е. две выходные обмотки преобразователя координат размещены неподвижно на оси, относительно которой вращается ротор 1 гироскопа, и электрически связаны: одна через усилитель-преобразователь со стабилизирующим двигателем 6, другая через усилитель-преобразователь с датчиком моментов 5 по оси прецессии.Coordinate converter 3 allows you to divide the control signal in proportion to the projections of the main vector of the disturbing moment on the corresponding axis of the outer 15 and 16 inner frames and form new control circuits along these axes, i.e. two output windings of the coordinate transducer are stationary on the axis relative to which the gyro rotor 1 rotates, and are electrically connected: one through an amplifier-converter with a stabilizing motor 6, the other through an amplifier-converter with a moment sensor 5 along the precession axis.

Используется схема съема сигналов, когда каждая пара пьезокристаллов 12, размещенная по диаметру ротора 1 гироскопа, электрически согласована между собой и с одной из роторных обмоток преобразователя координат 3, которые закреплены неподвижно непосредственно на вращающемся роторе 1 гиромотора.A signal pickup scheme is used when each pair of piezocrystals 12 placed along the diameter of the gyro rotor 1 is electrically matched to each other and to one of the rotor windings of the coordinate transformer 3, which are fixed stationary directly on the rotating rotor 1 of the gyromotor.

Приведенная схема работы позволяет использовать абсолютные кинематические параметры движения главной оси ротора, а не относительные и с помощью однороторного гироскопа осуществить двухкоординатную стабилизацию объекта относительно инерциальной системы отсчета.The above work scheme allows using the absolute kinematic parameters of the main axis of the rotor, rather than the relative ones, and using a single-rotor gyroscope to perform two-axis stabilization of the object relative to the inertial reference frame.

Требуемая величина кинетического момента, коэффициенты вязкого трения, моменты инерции по осям подвеса регулируются коэффициентами передачи цепей стабилизации, вследствие чего отпадает необходимость в выборе гироскопов с большими кинетическими моментами и выведении дополнительных законов управления.The required magnitude of the kinetic moment, the coefficients of viscous friction, the moments of inertia along the axes of the suspension are regulated by the transmission coefficients of the stabilization chains, as a result of which there is no need to choose gyroscopes with large kinetic moments and derive additional control laws.

При использовании указанного устройства необходимо учитывать вполне определенные соотношения между жесткостью (модулем упругости) пьезокристаллов и моментом выталкивающей силы, который образуется при отклонении поплавка на некоторый угол φ.When using this device, it is necessary to take into account quite definite relations between the stiffness (elastic modulus) of the piezoelectric crystals and the moment of buoyancy force, which is formed when the float deviates by a certain angle φ.

Предлагаемое устройство работоспособно, не требует особых технологических подходов для конструктивной реализации, может быть изготовлено малогабаритным, обеспечивает угловую стабилизацию одновременно по двум взаимно перпендикулярным осям и повышает чувствительность гироскопа.The proposed device is operable, does not require special technological approaches for constructive implementation, can be made small-sized, provides angular stabilization simultaneously along two mutually perpendicular axes and increases the sensitivity of the gyroscope.

Источники информации:Information sources:

1. Магнус К. Гироскопы. - М.: Мир, 1974. - 512 с.1. Magnus K. Gyroscopes. - M .: Mir, 1974. - 512 p.

2. Каргу Л.И. Точность гироскопических устройств систем управления летательных аппаратов. - М.: Машиностроение, 1990. - 208 с.2. Kargu L.I. Accuracy of gyroscopic devices for aircraft control systems. - M.: Mechanical Engineering, 1990. - 208 p.

Claims

A precision gyrostabilizer (ASG) with a reversed-type rotor and a system of stabilization and unloading of moments acting along the axes of the external and internal frames, characterized in that it has design features of the rotor, in which along mutually perpendicular equatorial axes of inertia, at a certain but equal distance from the axis Four recesses are made in the form of spheres or cylinders filled with liquid, and with floats placed in them, fastened through piezoelectric crystals to the inner part of the gyro rotor base, each ara piezocrystals placed along the diameter of the rotor gyroscope, electrically matched with each other and with one of the rotor windings converter coordinates that are fixed directly to the rotating rotor giromotora.