Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы по бесплатформенным гироскопическим компасам. Постановка задачи 9
1.1. Анализ схем гирокомпасов 9
1.1.1 БГК на основе сканирующих однокомпонентных датчиков угловой скорости 12
1.1.2 БГК на основе БИНС 19
1.2 Постановка задачи диссертационного исследования 27
2. Физическая и математическая модель бесплатформенного гирокомпаса ...28
2.1 Построение физической модели бесплатформенного гирокомпаса 28
2.2 Разработка алгоритмов функционирования гирокомпаса 32
2.2.1 Тригонометрические алгоритмы начальной выставки 35
2.2.2 Алгоритмы определения оценок текущих углов курса, тангажа и крена 36
2.3 Выводы по главе 2 41
3. Анализ погрешностей бесплатформенного гирокомпаса 42
3.1 Определение погрешностей вычисления углов ориентации 42
3.1.1 Определение погрешностей БГК на этапе начальной тригонометрической выставки 51
3.1.2 Определение погрешностей БГК на этапе начальной выставки по дифференциальным уравнениям и в рабочем режиме 52
3.2 Алгоритмы повышения точности БГК 59
3.3 Применение модели погрешностей датчиков первичной информации для математического моделирования бесплатформенного гирокомпаса 62
3.3.1 Методика оценки величин погрешности БГК 68
3.4 Выводы по главе 3 71
4. Математическое моделирование процессов функционирования гирокомпаса 72
4.1 Математическое моделирование функционирования гирокомпаса по алгоритмам идеальной работы на борту подвижного объекта 72
4.2 Математическое моделирование функционирования гирокомпаса с учетом погрешностей датчиков первичной информации 79
4.3 Реализация методики оценки погрешностей БГК при использовании моделей различных ДЛИ 82
4.3 Математическое моделирование функционирования гирокомпаса с учетом шумовой составляющей сигналов ДЛИ 90
4.4 Выводы по главе 4 103
5. Экспериментальное исследование работы бесплатформенного гирокомпаса 104
5.1 Разработка схемы и методики экспериментальных исследований БГК.. 104
5.2 Проведение экспериментальных исследований. Анализ экспериментальных результатов 109
5.2.1 Лабораторные испытания по определению погрешностей статических характеристик БГК 109
5.2.2 Натурные испытания БГК на борту подвижного объекта 114
5.3 Выводы по главе 5 124
Заключение 125
Литература
- БГК на основе сканирующих однокомпонентных датчиков угловой скорости
- Тригонометрические алгоритмы начальной выставки
- Определение погрешностей БГК на этапе начальной выставки по дифференциальным уравнениям и в рабочем режиме
- Математическое моделирование функционирования гирокомпаса с учетом погрешностей датчиков первичной информации
Введение к работе
Актуальность темы. Бесплатформенные гирокомпасы (БГК) находят широкое применение на наземных, воздушных, морских подвижных объектах (ПО). Значительную роль в их использовании играют точность формирования выходных параметров и их конечная стоимость. Создание БГК средней и высокой точности стало возможным благодаря созданию как прецизионных гироскопов, в том числе оптических, так и акселерометров.
В настоящее время ряд фирм выпускает бесплатформенные гирокомпасы и гирогоризонткомпасы на основе трех волоконно-оптических гироскопов (ВОГ) и трех акселерометров, входящих в состав бесплатформенной инерциальной навигационной системы (БИНС). К числу таких систем относятся гирокомпас Octans (iXSea, Франция), Polaris FOG-100 (GEM Elettronica, Италия), LR-240 (Northrop Grumman, США), TOGS-S (CDL, Великобритания), гирогоризонткомпас ЦНИИ «Электроприбор», Россия, БИНС-1000 (ООО НПК «Оптолинк», Россия) и другие, устанавливаемые на надводных и подводных судах, наземных подвижных объектах. Постоянно совершенствуется элементная база, а также алгоритмическое обеспечение БГК.
Бесплатформенный гироскопический компас реализуется на основе БИНС, поэтому описание процесса функционирования БГК в значительной степени базируется на теории инерциальных систем ориентации и навигации. Современные подходы к созданию БИНС изложены в трудах А.Ю. Ишлинского, Д.М. Климова, П.В. Бромберга,
В.А. Каракашева, С.С. Ривкина, В.Ф. Журавлева, Д.С. Пельпора,
В.Н. Бранеца, И.П. Шмыглевского, В.Г. Пешехонова, Г.И. Емельянцева, О.Н. Анучина, П.К. Плотникова, Ю.Н. Челнокова, Ю.А. Литмановича,
С.П. Дмитриева, В.Я. Распопова, D.H. Titterton, J.L. Weston, K. Britting, P.G. Savage, D. Tazartes и других ученых. Вопросам исследования погрешностей различной природы датчиков первичной информации посвящены работы многих зарубежных и отечественных авторов. Так, глубокой проработкой погрешностей современных датчиков отличаются работы В.М. Панкратова и В.Э. Джашитова.
Гирокомпасы на основе БИНС имеют методические погрешности, а также инструментальные, которые в основном определяются погрешностями датчиков первичной информации. Методические погрешности связаны с алгоритмами функционирования БГК, вследствие чего возникает необходимость исследования особенностей их работы с целью повышения точности определения угла курса. Инструментальные погрешности датчиков также требуют внимательного исследования, поскольку вносят значительный вклад в формирование погрешностей БГК. Однако в условиях отсутствия возможности привлечения дополнительной внешней информации (автономный БГК) возникают значительные сложности в идентификации инструментальных погрешностей. Тем не менее остается возможность повышения точности БГК за счет применения алгоритмических решений на различных этапах его работы.
Цель работы: разработка алгоритмов работы автономного БГК на базе ВОГ и кварцевых акселерометров, а также определение источников погрешностей при вычислении угла курса для последующего повышения точности его работы.
Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:
– развитие математической модели и алгоритмов функционирования канала курса в БИНС, в основе которой лежат дифференциальные кинематические уравнения в углах Эйлера-Крылова, с введением коррекционных членов в выражения для определения угла курса;
– разработка алгоритмов начальной выставки гирокомпаса;
– вывод уравнений ошибок функционирования БГК и их анализ;
– разработка алгоритмов снижения погрешностей гирокомпаса и их реализация в виде уравнений коррекции;
– разработка программного обеспечения для математического моделирования работы БГК;
– проведение экспериментальных исследований БГК.
Методы исследования. В работе использованы методы теории сферического движения твердого тела в углах Эйлера-Крылова в виде дифференциальных уравнений Эйлера с введением членов горизонтальной и азимутальной коррекции от акселерометров, теории дифференциальных уравнений, теории автоматического управления, теории устойчивости, методов программирования, математического моделирования и экспериментальных исследований.
Научная новизна:
1. Развита математическая модель БГК на основе дифференциальных кинематических уравнений Эйлера в углах Эйлера-Крылова, с введением коррекции по сигналам акселерометров и формул гирокомпасирования.
2. Выведены уравнения ошибок работы БГК и дан их анализ.
3. На основе построенных алгоритмов работы БГК было разработано программное обеспечение для математического моделирования с учетом погрешностей реальных датчиков, а также для работы в бортовом вычислителе экспериментального образца гирокомпаса. Результаты испытаний опытного образца БГК подтвердили работоспособность предложенных алгоритмов.
Достоверность результатов подтверждается использованием теоретически обоснованных методов, корректностью математической постановки задач, строгостью применяемых методов решения, соответствием основных теоретических предпосылок результатам математического моделирования и эксперимента.
На защиту выносятся:
1. Математическая модель канала курса БГК.
2. Математическая модель ошибок гирокомпаса и их анализ.
3. Результаты математического моделирования и экспериментальных исследований БГК.
Практическая значимость. Построены дифференциальные уравнения БГК в углах Эйлера-Крылова, приведенные к осям горизонтного базиса, с горизонтальной коррекцией от акселерометров и настройкой на частоту Шулера, устраняющую баллистические погрешности от действия кажущихся ускорений. На основании построенных алгоритмов разработана серия программ для моделирования процесса функционирования БГК при различных условиях, а также бортовое программное обеспечение экспериментального образца БГК. Алгоритмы использованы в вычислительном устройстве опытного образца БГК, созданного на базе ООО НПК «Оптолинк». На его основе проведены экспериментальные исследования на неподвижном основании и на борту подвижного объекта, подтвердившие работоспособность разработанных алгоритмов. Результаты работы в виде программно-алгоритмического обеспечения были внедрены в производство на ОАО НПК «Оптолинк».
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на XI, XV и XVI международных научных конференциях по интегрированным навигационным системам (Санкт-Петербург, 2004-2009), на симпозиуме «Gyro Technology» (Штутгарт, 2004), на семинарах кафедры «Приборостроение» СГТУ 2004-2012 гг.
Публикации. По результатам диссертации лично и в соавторстве опубликовано 7 печатных работ, в том числе 2 – в рецензируемых журналах из перечня ВАК РФ, 1 патент на полезную модель.
Личный вклад автора в публикации [2] заключается в написании программ моделирования алгоритмов работы канала курса и встроенного вычислителя БГК, а также в обработке результатов экспериментов. В [3] – проверка и уточнение алгоритмов, моделирование и обработка результатов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 113 наименований, приложения и акта использования результатов в производстве. Работа изложена на 140 страницах, содержит 85 рисунков и 4 таблицы.
БГК на основе сканирующих однокомпонентных датчиков угловой скорости
Гирокомпасы на основе БИНС имеют методические погрешности, а также инструментальные, которые в основном определяются погрешностями датчиков первичной информации. Методические погрешности связаны с алгоритмами функционирования БГК, вследствие чего возникает необходимость исследования особенностей их работы с целью повышения точности определения угла курса. Инструментальные погрешности датчиков также требуют внимательного исследования, поскольку вносят значительный вклад в формирование погрешностей БГК. Однако в условиях отсутствия возможности привлечения дополнительной внешней информации (автономный БГК) возникают значительные сложности в идентификации инструментальных погрешностей. Тем не менее остается возможность повышения точности БГК за счет применения алгоритмических решений на различных этапах его работы.
Цель работы: разработка алгоритмов работы автономного БГК на базе ВОГ и кварцевых акселерометров, а также определение источников погрешностей при вычислении угла курса для последующего повышения точности его работы.
Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи: -развитие математической модели и алгоритмов функционирования канала курса в БИНС, в основе которой лежат дифференциальные кинематические уравнения в углах Эйлера-Крылова, с введением коррекционных членов в выражения для определения угла курса; . - разработка алгоритмов начальной выставки гирокомпаса; - вывод уравнений ошибок функционирования БГК и их анализ; -разработка алгоритмов снижения погрешностей гирокомпаса и их реализация в виде уравнений коррекции; -разработка программного обеспечения для математического моделирования работы БГК; - проведение экспериментальных исследований БГК.
Методы исследования. В работе использованы методы теории сферического движения твердого тела в углах Эйлера-Крылова в виде дифференциальных уравнений Эйлера с введением членов горизонтальной и азимутальной коррекции от акселерометров, теории дифференциальных уравнений, теории автоматического управления, теории устойчивости, методов программирования, математического моделирования и экспериментальных исследований.
Научная новизна: 1. Развита математическая модель БГК на основе дифференциальных кинематических уравнений Эйлера в углах Эйлера-Крылова, с введением коррекции по сигналам акселерометров и формул гирокомпасирования. 2. Выведены уравнения ошибок работы БГК и дан их анализ. 3. На основе построенных алгоритмов работы БГК было разработано программное обеспечение для математического моделирования с учетом погрешностей реальных датчиков, а также для работы в бортовом вычислителе экспериментального образца гирокомпаса. Результаты испытаний опытного образца БГК подтвердили работоспособность предложенных алгоритмов.
Достоверность результатов подтверждается использованием теоретически обоснованных методов, корректностью математической постановки задач, строгостью применяемых методов решения, соответствием основных теоретических предпосылок результатам математического моделирования и эксперимента.
На защиту выносятся: 1. Математическая модель канала курса БГК. 2. Математическая модель ошибок гирокомпаса и их анализ. 3. Результаты математического моделирования и экспериментальных исследований БГК. Практическая значимость. Построены дифференциальные уравнения БГК в углах Эйлера-Крылова, приведенные к осям горизонтного базиса, с горизонтальной коррекцией от акселерометров и настройкой на частоту Шулера, устраняющую баллистические погрешности от действия кажущихся ускорений. На основании построенных алгоритмов разработана серия программ для моделирования процесса функционирования БГК при различных условиях, а также бортовое программное обеспечение экспериментального образца БГК. Алгоритмы использованы в вычислительном устройстве опытного образца БГК, созданного на базе ООО НІЖ «Оптолинк». На его основе проведены экспериментальные исследования на неподвижном основании и на борту подвижного объекта, подтвердившие работоспособность разработанных алгоритмов. Результаты работы в виде программно-алгоритмического обеспечения были внедрены в производство на ОАО НПК «Оптолинк».
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на XI, XV и XVI международных научных конференциях по интегрированным навигационным системам (Санкт-Петербург, 2004-2009), на симпозиуме «Gyro Technology» (Штутгарт, 2004), на семинарах кафедры «Приборостроение» СГТУ 2004-2012 гг.
Публикации. По результатам диссертации лично и в соавторстве опубликовано 7 печатных работ, в том числе 2 - в рецензируемых журналах из перечня ВАК РФ, 1 патент на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованной литературы, включающего ИЗ наименований, приложения и акта использования результатов в производстве. Работа изложена на 140 страницах, содержит 85 рисунков и 4 таблицы.
Тригонометрические алгоритмы начальной выставки
Как можно видеть, три однокомпонентных ВОГ образуют ТГРІУС, а три однокомпонентных ИКУ - ТИКУ подвижного объекта; измерительные оси ГИУС и ИКУ соответственно параллельны и совпадают с осями oxlt ох2 и ох3 подвижного объекта (ПО). При этом &х1Лх2Лх3 информация, поступающая в БК от ТГИУС, a Wxl,Wx2,Wx3 - информация, поступающая в БК от ТИКУ - это оценки сих1 и Wxi,(i = 1,3); 4і\ц/,в,у - информация на выходе БК, являющаяся оценками углов курса, рыскания, тангажа и крена объекта.
Блок трех ВОГ представляет собой ТГИУС, блок трех акселерометров представляет собой ТИКУ некоторой точки ПО (например, центра масс). Совокупность ТГИУС и ТИКУ образует бесплатформенный инерциальный измерительный модуль (БИИМ), который изображен на рис. 2.2.
На рис. 2.2 изображена схема БИИМ БГК, где приняты следующие обозначения: правая ортогональная система координатох,х2х3, связанная с корпусом ИИМ 1. В качестве опорных поверхностей выступает грани, параллельные плоскостям ох2х3, охххъ, охххг соответственно. На опорных поверхностях имеются устройства для крепления корпуса 1 ИИМ к подвижному объекту, которые не показаны. На трех других гранях установлены три однокомпонентных гироскопических датчика угловой скорости (ВОГ а) 2, 3, и 4 с измерительными осями сох], сох2 и сох3 соответственно. На этих же гранях установлены три измерителя кажущихся ускорений (акселерометра) 5, 6 и 7 с измерительными осями Wxl, WX2 и Wx3 соответственно. На рис. 2.2 эти оси пересекаются в одной точке Oj, эта же точка является началом системы координат о х\х 2х\, оси которой соответственно параллельны осям системы координат оххх2хъ, а оси WxI, WX2 и Wx3 совпадают с осями о х х,о х 2,о х 3, сох1, сох2 и сох3 параллельны осям ох,, ох2,охъ и Wx\, Wx2 и Wx3 соответственно. При такой схеме БГК на основе БИНС могут использоваться различные гироскопические и акселерометрические датчики [21]- лазерные кольцевые и волоконно оптические [66] (как три одноосных, так и блок трехосного ВОГ [50]), волновые твердотельные [20], электростатические [35] и другие. Применение микромеханических датчиков затруднено (хотя они могут быть использованы совместно с другими, более точными, как например в [35]), однако в виду постоянного их совершенствования [28], в будущем не исключена возможность их использования.
В настоящей работе в качестве ГИУС в схеме БГК были использованы ВОГи марки ОИУС-1000 производства ООО НПК «Оптолинк» [97]. В качестве ИКУ в БГК применяются кварцевые акселерометры компенсационного типа - АКП-2 (ФГУП НПЦАП). 2.2 Разработка алгоритмов функционирования гирокомпаса
Для пояснения алгоритмов функционирования БГК на рис. 2.3 представлены схемы ортогональных географической сопровождающей системы координат о,(/ = 1,3), горизонтальной сопровождающей СК оЧ)(/ = 1,3), СК ох, (/ = 1,3), связанной с объектом (oxi - продольная, охг -нормальная оси) и повороты системы координат OXJ на углы курса Р, тангажа 0 и крена у; у - угол рыскания. На рис. 2.4 изображено взаимное положение горизонтальной сопровождающей системы координат оті,(і = 1,3) и системы координат (СК) о,(/ = 1,3). Их вертикальные оси ог\2 и оС,2 совпадают, угол Ч?к определяет поворот СК оц, относительно СК оС,, по азимуту в плоскости горизонта. На рис. 2.4 OTJI,OTJI - оси СК ох,(/ = 1,3), спроецированные на Рисунок 2.3. Базовые СК и схема поворотов горизонтальную плоскость. При использовании сферической модели Земли имеем следующие кинематические соотношения: r\ и к вектором ускорения силы тяжести, ось 0,х направлена на Север; h - высота точки О, отчитываемая от точки Оу, для которой h=ho. При /КО имеем глубину погружения ГК ВОГ; ф - географическая широта; лаД - абсолютная и географическая долгота; а - радиус Земли; U - угловая скорость вращения Земли. Для исходной точки Оу начала движения координаты местоположения обозначаем следующим образом: и принимаем их за координаты невозмущенного движения, \0, ф0 -начальные географические долгота и широта; t0 - начальный момент времени. С учетом (2.2) координаты возмущенного движения представим в следующем виде: h = h0+H; Ла=Л0+Л; ф = ф0+Ф, Х = Х0+А, (2.3) где А, - матрица направляющих косинусов оценок углов рыскания, тангажа и крена ці,е,у, имеющая вид матрицы А с заменой в ней истинных углов на их оценки; ку,к ,к&,к в - коэффициенты передачи позиционной и интегральной горизонтальной коррекции, вырабатываемой по сигналам ИКУ для системы координат 077, 0" = U); ф - оценка широты места; fi ,(f0) - начальные угловые скорости коррекции, которые можно определить из соотношения Выражения (2.17)-(2.18), относящиеся к определению оценки угла Ф, являются формулами гирокомпасирования. Поскольку принято [22], что угол курса отсчитывается по часовой стрелке и его значения находятся в диапазоне от 0 до 360, перед выдачей значение Т необходимо соответствующим образом скорректировать.
Начальная выставка производится для ПО, неподвижного относительно Земли. Определяют оценку угла широты места p{t0) = p0, которая затем используется для введения азимутальной коррекции в алгоритм ориентации. Нетрудно видеть из формул (2.8), (2.9), что ф0 определяется по известным, измеренным ТГИУС и ТИКУ, компонентам ФХІ и Й ,,(/ = ТД)векторов U и g Земли на основе формулы для скалярного произведения векторов.
Независимо от ф0 также по тригонометрическим формулам (2.11) определяются оценки начальных углов тангажа в" и крена у . Физической предпосылкой является то, что как и при определении ф0, векторы абсолютной угловой скорости ПО и кажущегося ускорения центра его масс равны соответственно U и g. По соотношениям (2.11) между углами в и у и компонентами кажущегося ускорения, следующим из формул (2.10) и (2.12) определяют произвольные конечные углы отклонений ПО относительно плоскости горизонта у и в . Затем по формуле (2.14) определяют угол курса Ф через компоненты вектора угловой скорости вращения Земли на оси Ощщщ горизонтного трехгранника, полученных с помощью формул (2.10) и (2.13). Формулы (2.14), (2.10) и (2.13) являются формулами гирокомпасирования для БГК в случае, когда объект неподвижен относительно Земли.
Определение погрешностей БГК на этапе начальной выставки по дифференциальным уравнениям и в рабочем режиме
Также проводилось математическое моделирование с целью определения повторяемости вычисления угла курса с помощью БГК. Для этого по описанной ранее методике вычислялись параметры погрешностей ДЛИ, в том числе шумовые (на рис и представлены графики вариаций Аллана, а также шумов ВОГ ОИУС-1000 и акселерометров АКП-2), а затем проводилась серия из 50 выставок с фиксацией погрешностей определения угла курса на каждой из них. Результаты представлены на графиках рис. 4.26.
Как видно из графиков, разброс (1а) составил 0,027 при среднем значении погрешности AVP=0,027.
Для проверки уравнений погрешностей БГК (3.16), (3.34), (3.42), (3.58). выводились значения углов погрешности ориентации СК 0гъ относительно истинной СК О Гі Сз
На графиках рис. 4.27 представлено изменение углов a(,fic,Xc за вРемя t= 18000 с. С момента времени t=1000 с включалась качка, а в промежутке t= 1200-1220 с действовало ускорение величиной 1 м/с . Компенсация скоростной погрешности для этого случая не вводилась.
На рис. 4.29 можно видеть разность между величинами погрешностей, полученными непосредственно из алгоритмов работы БГК и по формулам оценки погрешностей (графики погрешностей АУ,А0,Ау приведены на рис. 4.28): ДУ = -р - fa sin Ч - ас cos Ч )g9, be = -xicosy-ai.sinx (4.18) Ay = [хс sin 4х - ас cos F)/ cos в Разница составляет менее Ю"60, что в первую очередь обуславливается погрешностями линеаризации углов.
Графики изменения погрешностей определения углов курса, тангажа и крена, вычисленные по уравнениям модели погрешностей .„-з Reference-EU. At=0 019998 sec. До =0
Для определения величин вклада в погрешность ДЧ компонент ДЧ , (/ = 1,14) так же проводилось математическое моделирование для БГК с ДЛИ навигационного класса точности [73]. Условия работы БГК аналогичны (4.14)-(4.17). Длительность моделирования t=1800 с. Погрешности определения углов ориентации приведены на графиках рис. 4.30, 4.31. На рис. 4.32 приведен график суммарной погрешности ДЧ . На рисунке рис. 4.35 представлены графики изменения компонент погрешности угла ч\. - ДЧ , (/ = 1,14), вычисленными в соответствии с выражениями (3.60)-(3.73).
Как уже было сказано ранее, наибольшее влияние оказывает восточная составляющая угловой скорости дрейфа Дй)сз- Наличие скоростей и ускорений значительно влияют составляющие при Дшс, и при углах погрешностей горизонтирования а , х , эффект от которых тем больше, чем выше горизонтальные проекции относительной скорости.
1. Применена начальная тригонометрическая и дифференциальная выставка БГК, позволившая повысить точность выходных параметров системы.
2. Проведено моделирование работы автономного БГК по «идеальным» алгоритмам функционирования, показавшее их работоспособность и высокую точность при отсутствии погрешностей датчиков первичной информации.
3. Применена компенсация погрешностей, возникающих из-за действия кориолисовых ускорений, также позволившая повысить точность БГК.
4. Разработана методика математического моделирования, учитывающая основные виды погрешностей датчиков первичной информации, в том числе и шумы.
5. Произведено моделирование работы инерциального БГК с учетом погрешностей датчиков первичной информации. При использовании датчиков с параметрами точности: угловая скорость дрейфа ВОГ 0,009/ч, смещение нуля акселерометров 0,0003 м/с погрешность определения угла курса составила менее 0,1 за время 5 ч.
6. По экспериментальным данным ВОГ (ОИУС-1000) и акселерометров (АКП-2) были получены прогнозные оценки погрешностей БГК: погрешность определения угла курса ДЧМ) 0 за время /=1,8-104, с.
Объектом исследования является автономный бесплатформенный гирокомпас. Целью экспериментального исследования автономного БГК является установление точности определения системой БГК угла курса в лаборатории, а также при испытаниях на автомобиле.
Для определения параметров ориентации в БГК используется бортовой вычислитель. Основной функцией вычислителя в БГК является определение величин углов курса, тангажа и крена подвижного объекта в соответствии с алгоритмами работы (2.15)-(2.20).
Так как алгоритм определения параметров ориентации содержит достаточно много как арифметических, так и тригонометрических операций, модуль вычислителя должен обладать высокой производительностью, а также иметь поддержку арифметических и тригонометрических операций для ускорения процесса вычислений, т.е. иметь математический сопроцессор.
Помимо этого в функции вычислителя входит съем данных с датчиков первичной информации - с трех ВОГ ОИУС-1000 фирмы "Оптолинк" и трех акселерометров АКП-2. Т.е. вычислитель должен иметь интерфейс, с помощью которого производится обмен данными с датчиками. Интерфейс может быть как встроенным, так и подключаемым (в первом случае имеется некоторое удешевление конструкции в целом). ВОГ ОИУС-1000 имеют цифровой выход для снятия информации об абсолютной угловой скорости, поэтому необходимо наличие в модуле вычислителя цифровых входов/выходов.
В результате информационного поиска был выбран вычислительный модуль Advantech РСМ-2290, удовлетворяющий основным техническим требованиям.
В программе для бортового вычислителя БГК реализуется алгоритм функционирования бесплатформенного гирокомпаса. В нее входит процесс сбора данных с ДЛИ - гироскопов и акселерометров и последующее вычисление на основе этих данных угла курса подвижного объекта, на котором установлены датчики. Исходными данными для работы программы является информация, поступающая с датчиков первичной информации. Выходной информацией является определенные параметры угла курса.
106 Программа написана на языке высокого уровня C++ и состоит из следующих основных частей: описание констант, используемых при работе, сервисные процедуры работы с последовательным портом RS232C, вспомогательные математические процедуры, блок чтения параметров конфигурации, блок инициализации алгоритма и основной блок алгоритма (рис. 5.3).
Математическое моделирование функционирования гирокомпаса с учетом погрешностей датчиков первичной информации
Из графиков рис. 5.25 (поворотная платформа имеет нулевой угол курса) видно, что нестабильности угловых скоростей дрейфов ВОГ в пуске за время 13000 с составили Дсо =0,7/ч, Асах2=0,3/ч, Дю «0,57ч. Согласно графикам рис. 5.26 при установке платформы на угол курса 90) нестабильности угловых скоростей дрейфов ВОГ в пуске за время 18300 с составили Да х/=0,97ч, Дю,2=0,Г/ч, Дш, =1,17ч.
Данные таблицы 3 свидетельствуют, что имеет место заметный дрейф ВОГов в процессе функционирования БГК. В процессе работы величины дрейфов ВОГ снижаются за счет их определения и применения алгоритма компенсации, однако при начальной выставке погрешности скомпенсировать не удается. Акселерометры АКП-2 также имеют нестабильность нулевого сигнала, однако данная нестабильность лежит в приемлемом диапазоне значений и оказывает небольшое влияние на отклонения при определении угла курса.
Из таблицы 4 следует, что угловые скорости дрейфов ВОГ от запуска к запуску (при полном отключении питания) изменяют свое значение. Для продольного ВОГ эта разница составляет около 0,97ч, для вертикального 0,05-0,157ч и для поперечного ВОГ - до 1,77ч.
1. Алгоритмы функционирования БКГ реализованы в виде программного обеспечения бортового вычислителя. Результаты работы выдаются на внешнее устройство отображения по каналу RS-232 с частотой до 50 Гц.
2. При решении задачи ориентации ПО в лабораторных условиях погрешности статической характеристики по углу курса составили величину порядка 0,4. При этом разброс в показаниях от запуска к запуску составил примерно 0,2.
3. Проведена экспериментальная апробация построенной математической модели БГК при решении задачи ориентации ПО при заезде на легковом автомобиле марки «ГАЗель». Погрешность определения угла курса составил величину около 1,0.
Результаты решения практических задач показали работоспособность построенной модели.
1. Развита математическая модель БГК за счет алгоритмов гирокомпасирования в виде отношения (2.18) восточной и северной компонент горизонтальной коррекции (2.16), введенных в кинематические дифференциальные уравнения Эйлера (2.15);
2. Выведены уравнения ошибок БГК (3.16), (3.34), (3.42), (3.58), анализ которых показал, что наибольший вклад в погрешность определения угла курса вносят угловая скорость дрейфа по восточной оси &а 0, неточность горизонтирования моделируемой географической СК, имеющая место вследствие неточной начальной выставки, а также скоростная погрешность;
3. Разработана методика оценки точности выходных параметров БГК для стадии математического моделирования работы БГК с учетом погрешностей датчиков первичной информации, формируемой по записям реальных приборов с применением аппарата спектрального анализа и вариации Алана. Например, при использовании датчиков с параметрами точности: угловая скорость дрейфа ВОГ 0,009/ч, смещение нуля акселерометров 0,0003 м/с погрешность определения угла курса составила менее 0,1 за время 5 ч. Погрешность определения угла курса по алгоритмам (2.18) с достаточной точностью соответствует модели погрешностей (3.16), (3.34), (3.42), (3.58);
4. Проведены экспериментальные исследования с опытным образцом БГК с предложенными алгоритмами гирокомпасирования, подтвердившие теоретические предпосылки работы, в результате которых полученные значения погрешности определения угла курса составляли около 1,0 (или 0,62sec(p) при использовании датчиков с угловыми скоростями дрейфов 0,5... 1 /час, снижавшимися за счет дополнительной калибровки их перед заездом. 5. Результаты диссертации внедрены фирмой ООО НПК «Оптолинк», о чем имеются соответствующие акты.
