Устройство для определения угла наклона подвижного объекта

Устройство для определения угла наклона подвижного объекта

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Использование: измерительная техника , в навигационных, пилотажных и судоводительских устройствах, в частности в гироскопических приборах. Сущность изобретения: на стабилизированной платформе жестко установлены датчик угла наклона 1, реагирующий как на угол наклона, так и на ускорение, и измеритель линейного ускорения 2, который содержит два герметичных сосуда 8 и 9, под вершинами которых размещены датчики давления. Блок обработки 3 сравнивает сигналы, поступающие с датчика угла наклона 1 и дифференциальной схемы 7, подключенной к датчикам давления. При наличии разности сигналов датчика угла наклона 1 и измерителя ускорения 2 дается команда на узел приведения платформы в горизонтальное положение. Поворот платформы осуществляется до совпадения выходных сигналов датчика угла наклона 1 и измерителя линейных ускорений 2. По величине поворота платформы, определяют искомый угол наклона подвижного объекта. 12 ил. ё

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (si)s G 01 С 9/00, 9/08

ГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ иь ь» ь (21) 4394723/10 (22) 15.02.88 в (46) 15.03.92. Бюл ЛФ 10 (75) M Н. Наумов и Г. М. Наумов (53) 528.54(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

N 195135, кл. 6 01 К 9/12, 22,12.65.

Патент Великобритании

М 1515646, кл. G 01 С 9/08, 28.06;78. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛА НАКЛОНА ПОДВИЖНОГО ОБЪЕКТА (57) Использование: измерительная техника, в навигационных, пилотажных и судоводительских устройствах, в частности в гироскопических приборах. Сущность изобретения: на стабилизированной платформе жестко установлены датчик угла. наклона

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в навигационных, пилотажных и судоводительских устройствах, в частности, в гироскопических приборах, для измерения угла наклона вокруг какой-либо горизонтальной оси, какой-либо платформы относительно горизонтальной плоскости или относительно вертикали.

Цель изобретения — расширение арсенала используемых средств.

На фиг. 1 показана схема устройства; на фиг. 2 и 3 — показаны одни из возможных взаимных расположений моноизмерителей ускорения и горизонтальной оси платформы

Х; на фиг. 4-упрощенная схема измерителя линейного ускорения (в сечении); на фиг. 5- одна из возможных форм герметичного сосуда; на фиг. 6 отвесными линиями

„„. Ж „„1719888 А1

1, реагирующий как на угол наклона, так и на ускорение, и измеритель линейного ускорения 2, который содержит два герметичных сосуда 8 и 9, под вершинами которых размещены датчики давления. Блок обработки 3 сравнивает сигналы, поступающие с датчика угла наклона 1 и дифференциальной схемы 7, подключенной к датчикам давления.

При наличии разности сигналов датчика угла наклона 1 и измерителя ускорения 2 дается команда на узел приведения платформы в горизонтальное положение.

Поворот платформы осуществляется до совпадения выходных сигналов датчика угла наклона 1 и измерителя линейных ускорений 2, По величине поворота платформы.. определяют искомый угол наклона подвиж- 3 ного объекта. 12 ил, АС и ВД показано место возможного размещения датчиков гидростатического давления; на фиг. 7-10 — сохранение равенства гидростатических высот от вершин сосудов до точек размещения датчиков давления Q при различных наклонах; на фиг. 11 и 12 — QO схема варианта выполнения датчика угла (, ф наклона в виде жидкостного дифференци- Q) ального акселерометра при различных наклонах.

Ось X представляет собои горивои- )3ь тальную ось, вокруг которой может пре- а цессировать (вращаться) платформа стабилизированная в горизонтальной плоскости. Ocb Z представляет собой другую горизонтальную ось платформы, лежащую в плоскости измерения Х. вдоль которой, при горизонтальном положении платформы, измеряется линейное ускорение. Ось (распо1719888 ложена в горизонтальной плоскости и при горизонтальном исходном положении платформы с этой осью совмещена горизонтальная ось Z платформы.

Измеритель угла негоризонтальности состоит (фиг. 1 и фиг. 2) из датчика угла наклона 1, например линейного акселерометра (дифференциального или недифференциального), измерителя 2 линейного ускорения, блока обработки 3, узла приведения платформы в горизонтальное положение — электромеханизма. отработки (отслеживания) 4. Выходы акселерометра 1 и измерителя ускорения 2 соединены со входами блока обработки 3, выход которого соединен со входом электромеханизма 4.

Блок обработки 3 может располагаться в любом удобном месте объекта и может быть представлять собой, например, магнитный усилитель по дифференциальной схеме или, например, электрический мост или другое подобное устройство. Злектромеханизм 4 крепится на платформе так, чтобы его ось вращения была параллельна горизонтальной оси Х иилли и ссооввппааддаалла а с с ннеейй, На выходном валу 5 (платформе) электромеханизма 4 жестко крепятся датчик угла наклона 1 и датчик 6 измерителя ускорения 2 так, чтобы при горизонтальном положении платформы их оси чувствительности линейного ускорения были взаимно параллельны и перпендикулярны оси вращения электромеханизма 5 и при этом были параллельны горизонтальной оси Zплатформы,,т.е. находились также в горизонтальной плоскости.

Измеритель 2 линейного ускорения состоит из датчика 6 линейного ускорения и дифференциальной схемы. Датчик 6 крепится на выходном валу 5 электромеханизма 4, а блок разности (дифференциальная схема

7) может быть располагаться в любом удобном мес;ге.

Датчик 6 состоит из двух моноизмерителей 8 и 9, ускорения. Выходы которых соединены со входами дифференциальной схемы 7, Каждый моноизмеритель представляет герметичный сосуд 10, заполненный paGoчей средой (жидкостью, газом или смесью), в котором крепится с внутренней или внешней стороны датчик давления (вакуума). В моноизмерителе 8 крепится датчик 11 гидростатического давления, а в моноизмерителе 9 крепится датчик 12 давления.

Давление измеряемое датчиком 1;1, обозначается через Рщ; давление измеряемое датчиком 12, обозначается через Ри, а разность этих давлений Ь Р . Датчики 11 и

12 давления крепятся под вершинами А, В сосудов.

Оси вращения сосудов моноизмерителей должны быть параллельны оси вращения электромеханизма 4 или совпадать с ней. Моноизмерители могут располагаться вдоль вала 5, вдоль прямой параллельной оси вращения электромеханизма 4, на одинаковых расстояниях по обе стороны этой оси, на одинаковых расстояниях по обе стороны от центра 0 (точки подвеса), или же, чтобы вершины сосудов находились на валу

5 или даже находились в одной и той же точке этого вала. При таком расположении исключается влияние на выходной сигнал

0п измерителя ускорения центробежных, а также кориолисовых ускорений, возникающих, например, и при вращении платформы в азимуте, Но при любом таком креплении моноизмерителей их сечения должны быть друг относительно друга смещены в полоскости, перпендикулярной горизонтальной оси платформы, вокруг которой измеряется угол негоризонтальности, в противоположные стороны на один и тот же по величине угол (относител ь но платформы) Do н ачал ьно го смещения, При этом, если v> = О, то указанное смещение на угол д оказывается совершенным в вертикальной плоскости, относительно горизонтальной плоскости.

На различные точки чувствительного элемента (Ч,Э) датчика давления могут действовать различные давления. Однако, датчик давления выдает сигнал давления одной точки, а именно точки передаваемого давления, в которой давление пропорционально выходному сигналу этого датчика.

Как в случае, когда нет ускорения, так и в случае движения с постоянным ускорением, жидкость (газ или смесь) в моноизмерителе неподвижна. Если Ч,Э. датчика давления симметричен, то при измерении давления в неподвижной жидкости точка передаваемого давления является одновременно и точкой среднего давления, действующего на. этот Ч.Э.

Следует иметь в виду, что при измерении давления в какой-либо точке неподвижной жидкости, выходной сигнал Ч.Э. давчика давления не зависит от его пространственного углового положения, что является следствием закона Паскаля, в соответствии с которым, давление в какойлибо точке неподвижной жидкости или газа во всех направлениях одинаково, Для измерения давления в каждой из двух попарно независимых (контролируемых) точек необходимо совместить с этой

1719888 точкой точку среднего (передаваемого) давления (вакуума) Ч.Э.

Совмещение точки среднего давления

Ч.Э. с независимой точкой моноизмерителя, производимое при закреплении датчика давления (вакуума), осуществляется на заводе-изготовителя и во время эксплуатации в процессе монтажа и регулировки.

Следует иметь ввиду, что, если моноизмерители 8 и 9 заполнены разреженным веществом, то их вакуум (разрежение) может быть определен также путем измерения концентрации вещества.

Прямая, проходящая через проекции попарно независимых точек на одну и ту же полость, перпендикулярно горизонтальной оси X платформы, является осью чувствительности линейного измерителя ускорения. Вдоль этой оси измеряется ускорение

at>. При горизонтальном положении платформы попарно независимые точки выбираются на одинаковом расстоянии по перпендикулятору от стабилизированной платформы или на одинаковых расстояниях от вершин моноизмерителей. Поэтому, при горизонтальном положении платформы ось чувствительности измерителя линейного ускорения оказывается параллельной горизонтальной оси этой платформы или совпадает с ней.

Так как датчик 6 линейного ускорения (а, значит, и моноизмерители, из которых он состоит), а также и датчик угла наклона (линейный акселерометр) отслеживаются в горизонтальное положение, то их оси чувствительности оказываются наклоненными относительно горизонтальной плокости на весьма малый угол ю .

Для того, чтобы исключить влияние на выходной сигнал измерителя ускорения бо. кового линейного ускорения (направленного вдоль оси Х), обе независимые точки должны располагаться на одинаковых расстояниях от крайних боковых точек моноизмерителей ускорения. Для этого могут быть. использованы, например, одинаковые моноизмерители, а сечение (с независимой точкой) каждого из.них может быть выбрано, например, посредине моноизмерителя.

Формы такого сечения могут быть самые различные (полукруг, .сегмент, треугольник и др.). В качестве примера приведено сечение в виде полукруга (фиг. 4, 6, 7, 8, 9, 10), Вершинами являются точки А и В. Для того, чтобы эти точки находились всегда в верхнем положении, независимо от наклонов стабилизированной платформы вокруг оси Х, при горизонтальном положении плат55

Так как на датчик давления (вакуума возможно действие как горизонтального ускорения ага, так и вертикального ускорения

ab, то рассмотрим в отдельности влияние каждого из этих ускорений на выходной сигнал каждого датчика давления (Ощ — выходной сигнал датчика 11, U< — выходной сигнал датчика 12) в отдельности и на выходформы диаметры AA и ВВ смещены относительно оси 2 (вокруг оси Х) в противоположные стороны на угол д начального смещения (фиг. 4), превышающий или в

5 крайнем случае, равный максимально возможному углу vM негоризонтальности платформы (максимально возможный угловой ошибке горизонтальной стабилизации платформы), т.е. для этого необходимо обеспе10 чить усолвие до >9<. Осуществление угловых смещений диаметров сечений моноизмерителей, а значит, смещение и самих моноизмерителей на угол д начального смещения и закрепление моноизмерителей

"5 в этом смещенном положении производится на заводе-изготовителе в процессе за-, крепления моноизмерителей на валу электромеханизма отработки или же во время регулировки (настройки с помощью инс20 трументов и устройств, предназначенных для угловых измерений и закрепления с угловым смещением).

При наклонах платформы вокруг оси

Х на угол меньше, или в крайнем случае, 25 равный максимально возможной угловой ошибке горизонтальной стабилизации платформы, точки А и В будут оставаться верхними. Поэтому давление в каждой иэ этих точек будет, при отсутствии горизон30 тального di и вертикального db ускорений ага = о,аь = О, одинаковым и равным давлению заполнения Р (независимо от возможности наклонов вокруг оси Х), так как над каждой из этих точек нет никакого столба

35 жидкости (газа или смеси), т.е. высота h этого столба (над верхней точкой) при этом равна нулю. Если закрепить датчики давления (вакуума) 11 и 12 так, чтобы они измеряли давления в вершинах А и В, то давления

40 Рщ и Pug, измеряемые этими датчиками, при возможных наклонах изменяться не будут и, следовательно, не будет изменяться и разность Л Рц этих давлений (равная в этом случае нулю). Значит, независимо от возможности наклонов, выходной сигнал U (равный в этом случае также нулю) измерителя ускорения при этом также изменяться не будет, т.е. в отличие от известных акселерометров, не будет возникать ошибка, вызванная наклоном оси чувствительности.

1719888

Pn = Pcm+ Pgi где Pa — полное давление;

Рсв — статическое давление;

Pg — динамическое давление (скоросткой напор), хотя силы, создающие Р п и

Ря могут и не совпадать по направлению и быть взаимно перпендикулярными. Поэтому давление Р в какой-либо точке неподвижной жидкости (газа или смеси) может быть определено с помощью расчетных формул.

При 3 a = о,аь = 0 (2) Р=Po+ pgh, .что представляет собой основное уравнение-(закон) гидростатики. При этом, h — высота вертикального столба жидкости (газа или смеси) над точкой измерения давления, При аь = о, ага A 0;

Р= Ро+ pgh+ para fr. (3) ной сигнал U измерителя ускорения (U =

= Uuq- Uuz).

Выходной сигнал каждого датчика давления определяется не только величиной линейного горизонтального ускорения, но и длиной активного столба жидкости, расположенного перед датчиком давления (в направлении ускорения), который действует, вследствие инерции, на датчик давления (вакуума) в направлении, противоположном направлению этого ускорения. При этом длина активного столба жидкости (газа или смеси), действующая по горизонтали, обозначается через (с соответствуюЩими индексами, .а длина активного столба, действующего по. вертикали, обозначается через h (высота способа) также с соответствующими индексами.

Известно, что сила тяжести G и сила инерции F от горизонтального ускорения

are являются массовыми (а не поверхностными) силами, Также известно, что давления, создаваемые этими силами, определяются одинаковым образом (различие заключается в том, что в расчетной формуле для силы 6 фигурирует величина g а в ðàñчетной формуле для силы Fn фигурирует величина а 8 независимо от формы, следовательно, и толщины сосудов.

Давление в какой-либо точке неподвижной жидкости (газа или смеси), в отличие от силы, является скалярной величиной, а не векторной. Поэтому это давление определяется как арифметическая сумма давлений, создаваемых отдельными силами. Например, в соответствии с законами Паскаля и

Бернулли, в указателе воздушной скорости

При ага = î, ab A 0;

Р = Р. + р h(g + +ab) (4) 5 где г — длина горизонтального активного столба для данной точки неподвижной жидкости (газа или смеси);

- — перед ab ставится при аь, направленном вниз;

10 +- перед аь ставится при аь, направленном вверх.

Из (2), (3), (4) следует, что давление в какой-либо точке неподвижной жидкости (газа или смеси) определяется высокой h

15 столба жидкости (газа или смеси) над этой точкой (эа исключением случая движения вниз с ab > q) и совершенно не зависит от высоты столба жидкости (газа или смеси), расположенного под этой точкой. Это явля20 ется следствием основного уравнения гидростатики, скалярности (а не векторности) давления и его независимости от формы сосуда.

Однако, следует иметь в виду, что при

25 ab, направленном вниз, расчетная формула (4) справедлива лишь при ab Ы g,òàê как в случае ab > g на датчик давления будет действовать, вследствие величины g - ab, уже не столб жидкости (газа или смеси) над ним, а

30 находящийся под ним.

При ускорении ab, направленном вверх, в верхних точках А и В давления Рщ и РО2, а значит, и сигналы Uu> и Uuz изменяться не будут, так как в этих точках h = 0 независимо

35 от возможных наклонов. Значит, при этом не будет изменяться и сигнал U<.

Таким образом, при использовании в качестве независимых точек верхних точек

А и В ускорение ab, направленное вверх, не будет вызывать (независимо от возможных наклонов), в отличие от известных акселерометров, ошибку эа наклон оси чувствительности при наличии вертикального ускорения, а следовательно, и изменении выходного сигнала измерителя ускорения, Влияние ускорения ab, направленного вниз, различно в зависимости от того ab g или ab ъ g. Движение вниз с ускорением аь < g можно рассматривать как состоящее

50 из двух движений: движение вниз с ускорением g и движение вверх с ускорением gab (g-(g-аь) = аь), Но при движении с ускорением g ни один прибор (в том числе, и акселлерометр) не реагирует на g, а при движении вверх, как было показано, с любым ускорением, в том числе, конечно, и с ускорением g-аь, это ускорение не оказывает влияние:на Uu. Поэтому при движении вниз с ускорением ab < g ошибка за наклон

1719888

10 оси чувствительности рода также возникать не будет и, значит, выходной сигнал U при этом также изменяться не будет (независимо от возможных наклонов), Тот факт, что при движении вниз с ab < g выходной сиг- 5 нал Uu не изменяется можно обьяснить и по другому: так как высота h вертикального столба над обеими попарно независимыми точками одна и та же, то при движении вниз с ab < g вес столба жидкости над каждой из 10 этих точек уменьшится на одну и ту же величину и поэтому останется одинаковым для обеих точек (хотя и меньшим), следовательно, и разность давлений Л Р при этом также изменяться не будет, 15

Если верхние точки А и В совмещены практически в одну точку, а стабилизированная платформа наклонена вокруг-оси Х и имеют место еще и ее боковые наклоны (вокруг оси Z), то возможно возникаемая при 20 этом высота h столба жидкости (газа или смеси) над верхними точками А и В будет одной и той же для обеих точек. Поэтому сигналы UU1 и U z будут при этом изменяться на одну и ту же величину и, следовательно, выходной сигнал 0ц будет также оставаться неизменным. Поэтому при таком положении точек А и В (совмещенных в одну) в качестве формы полости моноизмери- . теля может быть безусловно использована, например, форма близкая полушарию (или другая соответствующая геометрическая форма).

При других расположениях точек А и В, если они не совмещены в одну можно до- З5 биться того, чтобы точки А и B оставались верхними не только при наклонах вокруг оси

Х, но и вокруг ocvi Z. Для этого форма и соотношения размеров полости каждого моноизмерителя должны быть специальны- 40 ми, в частности, например, быть такими, какими они показаны на фиг. 5, Фиг, 5 получен следующим образом.

Два пустотелых конуса (например, усеченных) с вершинами (например, мнимыми) S1 45 и Sz с общим основанием рассечены плоскостью, проходящей через прямую S1Sz. Иначе говоря, фиг. 5 представляет собой цельную совокупность круглых полуконусов (например, усеченных) с общим осно- 50 ванием. Это основание представляет собой наибольшее (по плодащи) сечение (перпендикулярное линии $1$2, а значит и оси Х) в виде полуокружности (точнее полукольца), опирающейся на диаметр АА,или 55

ВВ (концы А и А диаметра показаны на

1 фиг. 5 при вертикальном его положении).

Это основание показано как сечение пустотелого сосуда на фиг. 4. При этом длина моноизмерителя (2Ь) выбрана меньше или равной диаметру основания (2г). Угол же между горизонтальной осью платформы и каждой из образующих полуконусов выбран равный углу ho начального смещения.

В случае невозможности совмещения точки среднего давления Ч.Э. с верхней точкой моноизмерителя ускорения при измерении в этой точке давления в качестве независимых можно использовать не самые верхние, а точки, лежащие ниже.

На фиг. 7 показана верхняя точка А и верхняя точка В для случая, например, поворота платформы на угол 1 вокруг оси Х в направлении, против движения часовой стрелки, Пусть точки L1 и Lz являются попарно независимыми точками.

Точки 01 и 02 — центры окружностей, проходящих через вершины А и В, прямые

01А и OzB радиус-вектор верхней точки Т (r = 01А = ОгВ), а радиус-вектор независимой точки гг. Каждая независимая точка может быть определена полярными координатами: полярным углом ф(ф = iZc =

= < A01L1= < B0zLz) и радиусом-вектором rz (r2 = 01 -1 = = 02)-2).

Так как в исходном положении (т,е. при гориаонтапнном положении прямые 01А и

0zB (значит, и диаметры AA и ВВ ) смещены в противоположные стороны относительно горизонтальной плоскости на угол до начального смещения, то после поворота против движения часовой стрелки на угол

Va ПРЯМаЯ 01А ОКаЗЫВаЕтСЯ НаКЛОНЕННОй Относительно горизонтальной плоскости на угол äa + va, прямая о. .В окажется наклоненной относительно той же плокости на угол д, -и,.

Обозначим h1 и hz — высота активных по вертикали столбов жидкости соответственно над точками L1 и L2;

HA и Нв — высота точек А и В (расстояния по перпендикуляру от горизонтальной плоскости, проходящей через полюс, до точек А и В);

Н < 1 и Н < z — высоты попарно независимых точек L1 и Lz (расстояния по перпендикуляру от горизонтальной плоскости, проходящей через полюс, до точек L1 и Lz).

Из фиг. 7

h1 = HA - Н = r sin (до + va) - rL sin x х (до ф+ va) (5)

h2 =. Н2 - HL = Г sin (до — 3a) г1 sin x х (до ф 1 а) (6)

Поэтому после преобразований получаем

1719888

h h = Ь1-hz = 2г cos до sin 1 а — 2Г1 COS (до + ф ) Sin Va (7) Для того, чтобы при наклоне датчика 6 на угол va точки L1 и Lz оказались попарно независимыми, необходимо, чтобы Ah

Приравнивая (7) нулю, получаем расчетную формулу

r сов до (8) c0S (д6 справедливую для определения положения каждой из попарно независимых точек сечения различной формы, у которого одна из точек остается верхней, независимо от наклонов.

При ага = О, аь A 0 как при движении вверх с любым ab. так и при движении вниз с аЬ < g имеем

PU, =р +ah1(g аь), (9) Р02 = Ро + д h2 (g 8b ), (10) Поэтому в этом случае, так как h1 = hz получаем

АРи =PU1 — Pu2=0 и значит (12) 0о = Un1 — Unz = 0

Это означает, что и при использовании в качестве попарно независимых точек L1 и

Lz на выходной сигнал Оо измерителя ускорения не оказывает практически влияние вертикальное ускорение ab. Обьясняется эта тем, что высоты столбов жидкости над этими точками L1 и 12 равны независимо от величины возможных наклонов.

Из (8) следует,.что Возможно использование лишь ф < 2до (в противном случае, окажется г2 > 2, т.е. независимая точка окажется за пределами сечения моноизмерителя). При ф = 2 до, как и при ф = О, получаем

r2 = 2, т.е. независимая точка в этом случае (ф = 2 до) так же, как и при ф= О, находится на окружности радиуса r (но при ф= 0 и ф = 2 до независимые точки будут различнымии), Найдем расчетную формулу для выходного напряжения 01 измерителя ускорения, у которого сечение (перпендикулярное оси

Х) каждого моноизмерителя представляет собой, например, полукруг, а вектор а линейного ускорения горизонтален (т,е. а = ага) (1 = г.11 - 122, 6=61 (12

111 = Z Co s (до + Уа ) +Г <

< cos (до +va ф), !

12 = Г - Г < СО$ (до +1 а ф), (22= Г- Г< cos (до va ф), l21 = Г со$ (до va) + Г<

< С0$ (до Va 1P) (13) (14) 30 (15) (16) (17) (18) Подставляя (1 5), (17) и (8) в (13) и (18), (16) и (8) в (14) и, учитывая знаки ускорения ага и

40 угла v после преобразований получаем

t1= l2=2rcos va cosд,-г(1-cos x х (до + Và )) (19) Обозначив

l = f1 = h (20) имеем

f=2rcos vaсо$до- г(1 — cos(д, +. va))(21) 50 где à — длина горизонтального активного столба жидкости (газа или смеси) для датчика 6 линейного ускорения;

+ — ставится передка тогда, когда ускорение Bra направлено влево (вдоль положительного направления оси ();

- — ставится перед va тогда, когда ускорение ага вправо (вдоль отрицательного направления оси (), Для этого обозначим(фиг. 7) следующим образом; (11 — длина горизонтального активного столба жидкости, действующего на датчик 11 давления (в случае ускорения ага, 5 направленного вдоль положительного направления горизонтальной оси координат, т.е. справа налево); 112 — длина оризонтального активного столба жидкости, действующего на датчик 11 в случае ускорения ага, 10 направленного вдоль отрицательного напряжения оси, т,е. слева направо; lzz- длина горизонтального активного столба жидкости действующего на датчик 12 в случае ускорения ага, направленного справа налево;

15 l21 — длина горизонтального активного столба жидкости, действующего на датчик 12 в случае ускорения ага направленного слева направо; l1 — длине горизонтального активного столба жидкости (газа или смеси), дей20 ствующего на датчик 6 линейного ускорения в случае ускорения ага, направленного справа налево; Ц вЂ” длина горизонтального активного столба жидкости (газа или смеси), действующего на датчик 6 линейного уско25 рения в случае ускорения ara, направленного слева направо.

Из фиг. 7

1719888

При этом угол считается положительHblM(va > О) (при наклоне влево, т е. против часовой стрелки, и считается отрицательным (va < О) при наклоне вправо, т,е. по ч асо вой стрел ке. 5

Из (21) следует, что 1 не зависит от ф

Это означает, что совокупность местоположений точек представляет собой в каждом моноизмерителе отрезок прямой, перпендикулярной оси Х, одна из точек которого является вершиной сосуда, В моноизмерителе 8 (фиг. 6) таким отрезком независимых точек является отрезок АС, а в моноизмерителе 9 — отрезок ВД.

Точки С и Д представляют собой точки пересечения соответствующих отрезков прямых независимых точек с внутренними поверхностями моноизмерителей. Поэтому чувствительный элемент датчика давления. можно расположить таким образом, чтобы его точки совпали с точками отрезка независимых точек, Моноизмерители закрепляются на оси 5 вращения электромеханизма отработки так, чтобы при горизонтальном положении платформы каждый этот отрезок был перпендикулярен этой платформе.

На фиг. 8, 9, 10 показан пример обеспечения соблюдения условия Ah = О при различных углах наклона, В этом примере принято r = 24,1 мм, д0 =ф =300. Поэтому для этого примера д0 = 30 максимально допустимым углом наклона является угол т, = 30 а из (8) следует, что r < = 20,8 мм. Зная фи Z, легко определить положение каждой из точек L1 и L2.

В этом примере на фиг. 8 показано исходное (горизонтальное) полажение моноизмерителей; на фиг. 9 — положение моноизмерителей при наклоне датчика 6линейного ускорения (влево) против часовой стрелки на угол и = 300; на фиг 10 — положение моноизмерителей при наклоне датчика 6 линейного ускорения (вправо) по часовой стрелке на уголь, = 20 .

Из приведенных фиг. 8-10 следует, что

h1 = h2 а значит, ЛЬ = О, хотя значения h1 и

hz при различных углах наклона на каждом из этих чертежей различны.

Из (21) следует, что при наклоне на малый угол v, для которого правомерна замена cos va = 1, ип va = va вокруг оси Х расчетная формула длины I горизонтального активного столба жидкости (для датчика

6) оказывается практически одной и той же, независимо от величины угла д0 начального смещения, а также независимо от выбора попарно независимых точек, т.е. независимо от координат tP и 2г независимой точки, что обуславливает достаточные возможности для маневрирования в процессе разработки и наладки, Из (21) также следует, что при малых углах д, и и,, для которых правомерна замена их косинусов единицей может с высокой точностью считать

f. = 2ã. (22) Если же выбрать угол д достаточно большим, то, как это следует из (21) для малого угла va

to = 2(3 cos д0 - 1), (23) где 4 — длина горизонтального активного столба для датчика 6 линейного ускорения при va = О.

Расчетная формула (23) может быть использована при тарировке (1, = О), так как при малом угле она практически равноценна формуле (21)

Таким образом, как в том (22), так и в другом (23) случае изменением, вызванным наклоном на малый угол, длины горизонтального активного столба жидкости (газа или смеси) с высокой степенью точности, можно пренебречь;

Измеритель линейных ускорений 6 работает следующим образом, При ускорении Bra направленном справа, т.е. в положительном направлении ОО1 =

= 2кргp ara. Длина горизонтального активного столба для датчика 11 при этом практически равна г2, а О 2 = О. Длина горизонтального активного столба для датчика 12 практически равна нулю, Это означает, что при таком направлении аг жидкость (газ или смесь) воздействует, как инерционное тело, на датчик 11 и не оказывает практически влияние на датчик 12, Таким образом, при малых углах д0 и va в измерителе ускорения каждый датчик давления (вакуума) практически работает лишь при ускорении определенного знака (поэтому каждый герметичный сосуд с датчиком давления и назван моноизмерителем ускорения).

В общем случае и, в особенности, если длина горизонтального активного столба жидкости (газа или смеси) определяется для большего угла д0 (e соответствии с расчетной формулой (23), оба датчика давления выдают сигналы, независимо от знака ускорения аг>, но при этом сигнал одного из этих датчиков больше (и значительно) сигнала другого датчика..

Дифференциальная схема 7, получая сигналы Оц и Оц2 от датчиков 11 и 12 дав- .

1719888 ление, вырабатывает разностный сигнал Uu, пропорциональный ускорению а .

Описанный измеритель ускорения не только практически не реагирует, в отличие от известных линейных акселерометров, на 5 угол негоризонтальности и вертикальное ускорение даже при наклоненном положении этого измерителя, но вследствие использования дифференциального метода измерения (UU = Uu — Uug и различные другие 10 возмущающие факторы (изменение температуры, вибрации, центростремительные и кориолисовые ускорения и др.) не будут практически оказывать влияние на точность измерения. 15

Измеритель линейного ускорения может быть использован и самостоятельно, для чего его датчик линейного ускорения следует закрепить непосредственно на стабилизированной в горизонтальном положе- 20 нии платформе и обеспечить условие до Ром где ипм — максимальный угол негоризонтальности платформы.

В качестве датчика угла наклона 1 может использоваться любой известный ли- 25 нейный акселерометр. В частности, может быть использован дифференциальный акселерометр, представленный на фиг. 11, где показано горизонтальное положение акселерометра, и фиг. 12, где показано наклон- 30 ное на угол ма положение акселерометра.

Этот акселерометр состоит из датчика

13 акселерометра и блока разности 14, который может быть расположен в любом удобном месте. Сосуд датчика 13 может 35 быть, например, аким же, что и сосуд моноизмерителя ускорения. Датчик 13 также заполнен жидкостью (газом или смесью) 15, К . корпусу датчика 13 крепится с внутренней или с внешней стороны датчика давления 16 40 и 17, выходы которых соединены с входами блока разности 14. На фиг. 11 и 12 показано сечение датчика 13, перпендикулярное оси

Х. Датчики 16 и 17 крепятся к корпусу датчика 13 так, чтобы они измеряли давления в 45 противоположных точках сечения на таком расстоянии друг от друга, чтобы выполнялась условие исключения ускорения. При

- этом прямая, соединяющая точки измерений давлений является осью чувствительно- 50 сти (линейного ускорения) акселерометра.

При монтаже элементов устройства и градуировке следует добиваться такого положения, чтобы при горизонтальном положении платформы разностный выходной 55 сигнал акселерометра и измерителя линейного ускорения был равен нулю.

Устройство . работает следующим образом.

Датчик угла накона 1 выдает в блок обработки 3 сигнал U>, Измеритель линейного ускорения 2 выдает в этот блок разностный сигнал UU. Блок обработки 3 вырабатывает сигнал U и подает его в электродвигатель 18 узла приведения платформы в горизонтальное положение 5, Электродвигатель 18 поворачивает датчики 1 и 6 на угол наклона платформы, но в противоположную сторону, удерживая, этим самым, указанные датчики в горизонтальном положении. При этом, если вал датчика связан с валом электродвигателя 18 при помощи повышающего редуктора, то он повернется на угол значительно больший, чем угол наклона платформы, но пропорциональный ему, Это в свою очередь, обеспечивает более высокую точность измерения угла и,. При этом, чем точнее отслеживается сигнал U до нуля, т,е. чем меньше угол,, тем точнее выдается из электромеханизма 4 (точнее, из датчика 17) сигнал угла наклона платформы ип.

Таким образом, угол v< можно определяться путем измерения результатов отслеживания. Отслеживание разностного сигнала U до нуля позволяет повысить точность измерения угла 1 п, так как при этом практически исключается влияние на нее вертикального ускорения, В случае необходимости улучшения качества регулирования процесса слежения могут быть использованы для этого различ-. ные способы и средства (демфирование, введение корректирующих звеньев и др.) и, в частности, для этой цели может быть использована производная и, или v,, полученная дифференцированием величины v> или

v,; для этой же цели может быть использована величина U в качестве сигнала обратной гибкой связи и т.д.

Устройство может быть использовано на любой стабилизированной платформе, в том числе, и на такой, которая удерживается в горизонтальном положении с невысокой точностью (до углов в несколько градусов, для которых правомерна замена их косинусов единицей). Влияние измерителей углов негоризонтальности на стабилизацию такой платформы незначительно, и кроме того, оно практически не имеет значения, так как возникающие при этом незначительные изменения углов 1 п все равно измеряются этими измерителями и; следовательно, могут быть, при необходимости, учтены.

Сигналы углов Рп могут быть использованы для горизонтальной стабилизации платформы, для осуществления азимутальной коррекции, для определения карданной

18

1719888

17 ошибки, для измерения скорости и координат объекта и др.

Так как в устройстве устраняется Ълияние на точность измерения не только поступательных, но и вращательных ускорений (центростремительных и кориолисовых), то отпадает необходимость азимутальной стабилизации платформы, что в значительной степени упростит и удешевит конструкции навигационных устройств, предназначенных для измерения скорости и координат движущегося объекта.

Формула изобретения

Устройство для определения угла наклона подвижного объекта, содержащее датчик угла наклона, измеритель линейного ускорения, ось чувствительности которого расположена в плоскости измерения, блок обработки, стабилизированную платформу и узел приведения платформы в горизонтальное положение, с т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения арсенала используемых средств, датчик угла наклона и измеритель линейного ускорения жестко

5 связаны с платформой, а измеритель линейного ускорения выполнен в виде двух идентичной формы герметичных сосудов с вершинами, двух датчиков гидростатического давления, размещенных под вершинами

10 соответствующих сосудов, и дифференциальной схемы, подключенной .к выходам датчиков гидростатическаго давления, герметичные сосуды заполнены рабочей средой и установлены симметрично отно15 сительно отвесной плоскости, пернендикулярной плоскости измерения, при этом каждый сосуд выполнен асимметричным относительно. отвесной плоскости, проходящей через его вершину и перпендикулярной

20 плокости измерения.

37 l9888

1719888

3 = И

3r)

uz.f

Составитель С,Юмашев

Редактор И,Сегляник Техред М,Моргентал Корректор С.Шевкун

Заказ 764 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул,Гагарина, 101