Підвищення точності навігаційних систем за рахунок удосконалення методів їх корекції та технологічного відпрацювання

1

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний технічний університет України

“Київський політехнічний інститут”

УДК 629.13.014

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Підвищення точності навігаційних систем за рахунок удосконалення методів їх корекції та технологічного відпрацювання

Спеціальність: 05.11.03 - Гіроскопи та навігаційні системи

Цірук Віктор Григорович

Київ - 2011

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” на кафедрі виробництва приладів та Публічному акціонерному товаристві “Науково-виробниче об'єднання “Київський завод автоматики ім. Г.І. Петровського”, м. Київ

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Румбешта Валентин Олександрович, НТУУ "Київський політехнічний інститут", м. Київ, професор кафедри виробництва приладів

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Карачун Володимир Володимирович, Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, м. Київ, завідувач кафедри біотехніки та інженерії надводний навігаційний технологічний

доктор технічних наук, професор Чіковані Валерій Валеріанович, Національний авіаційний університет, м. Київ, професор кафедри систем управління літальними апаратами

Захист відбудеться “10” червня 2011 р. о 1500 годині, на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.002.07 у Національному технічному університеті України "Київський політехнічний інститут" за адресою: 03056, м. Київ, Проспект Перемоги, 37, навчальний корпус № 1, аудиторія 317.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут"

Автореферат розісланий “28” квітня 2011 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, к.т.н., доцент Киричук Ю.В.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми дослідження. Аналіз сучасного стану навігаційного обладнання надводних рухомих об'єктів, дослідження переваг та недоліків автономних навігаційних систем (АНС) і апаратури користувача супутникових навігаційних систем (АК СНС) показали, що успішне виконання задачі високоточного, безперервного, надійного визначення навігаційних параметрів руху об'єкта можливо за умови раціонального використання всієї сукупності навігаційної інформації від різнотипних навігаційних засобів, об'єднаних у єдиний комплекс - інтегровану навігаційну систему (ІНС).

В зв'язку з необхідністю створення ІНС актуальним є: дослідження похибок системи та її функціональних елементів; аналіз математичної моделі похибок її функціональних елементів, та системи в цілому; синтез алгоритму обробки навігаційної інформації, врахування особливостей роботи ІНС від СНС.

ІНС надводного об'єкта складається з гірокомпасу, акселерометрів, датчиків кутової та лінійної швидкості, а також СНС. Таким чином, побудова ІНС спирається на типове навігаційне обладнання надводних рухомих об'єктів, яке використовується на борту транспортних засобів різних типів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Наукові та практичні результати дисертаційної роботи використовувалися по темам “Катран”, “Круіз-М”, “Стабільність” за програмою розвитку ВАТ “Науково-виробничий комплекс “Київський завод автоматики ім. Г.І. Петровського” на 2004-2005р.р. затверджений наказом Міністерства промислової політики України №534 від 13.10.04р. за бюджетною програмою КПКВ 2601250 “Заходи по використанню програм розвитку підприємств суднобудівної, літакобудівної промисловості підприємств концерну “Бронетехніка України” та підприємств і організацій, які виготовляють і розробляють боєприпаси, їх елементи”; за темою “Сапсан” за технічним завданням на складову частину випробувально-конструкторської роботи “Разработка комплекса командных приборов на основе ДНГ” для системи керування виробу Р01 (Сапсан-СУ 13307.001 ТЗ) в інтересах Міністерства оборони; по темі №2451-П “Розробка інтегрованих технологічних систем на основі сучасних інформаційних технологій та автоматичних систем керування якістю виготовлення” ДР №0111U000841.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення точності надводних навігаційних систем за рахунок удосконалення методів їх корекції та технологічного відпрацювання на основі виявлення всіх шкідливих похибок виготовлення таких систем, дослідження впливу цих похибок на точність роботи навігаційного обладнання та розробка ефективних методів компенсації похибок.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити наступні задачі:

1. Створити метод корекції траєкторії стаціонарного руху судна від супутникових радіонавігаційних систем, включаючи рівняння руху та похибок.

2. Розробити алгоритм застосування методу найшвидшого спуску в процесі корекції параметрів навігаційних систем.

3. Створити математичні моделі похибок двокільцевого динамічно настроюваного гіроскопа (ДНГ), які обумовлені конструкцією його пружного підвісу.

4. Надати рекомендації по зниженню похибок ІНС, та підвищенню надійності і достовірності навігаційних вимірів.

5. Розробити технологію виготовлення пружного підвісу ДНГ, яка дозволила значно підвищити точність отримання його перетинок, скоротити трудомісткість виготовлення, та підвищити точність роботи ДНГ.

Об'єкт дослідження - методи компенсації похибок навігаційних систем.

Предмет дослідження - точність інтегрованої навігаційної системи надводного рухомого об'єкта.

Методи дослідження. Методологія дослідження розроблена на базі сучасних методів і основних положень теоретичної механіки, теорії гіроскопів, систем автоматичного керування, випадкових процесів. В теоретичних дослідженнях застосовані методи чисельного інтегрування диференційних рівнянь, цифрового моделювання на ПЕОМ.

Наукова новизна одержаних результатів.

В дисертації вперше одержані такі нові результати:

1. Розроблений та науково обґрунтований новий метод послідовної компенсації похибок шляхом їх корегування у надводних навігаційних системах за допомогою інформації одержаної від СНС при цьому врахована можливість відсутності інформації від СНС в процесі роботи НС.

2. Визначені основні похибки, які впливають на роботу НС, отримана нова математична модель інтегрованої НС, і на базі розробленого нового методу їх компенсації, отримана можливість значно підвищити якісні показники навігаційних систем з ДНГ.

3. На основі аналізу чутливих елементів навігаційної системи (НС), а саме динамічно настроюваних гіроскопів, отримані нові результати розрахунку основних технічних характеристик і шляхи підвищення точності роботи цих елементів.

Практичне значення результатів роботи.

В результаті виконання дисертаційної роботи вирішена науково-технічна задача підвищення точності роботи навігаційних систем за рахунок удосконалення методів їх корекції та технологічного відпрацювання.

1. Розроблені методи виявлення усіх похибок, які шкідливо впливають на роботу ІНС, досліджено їх ступінь впливу на деякі характеристики НС, та виявлені методи корекції і компенсації таких похибок, що дало можливість значно підвищити точність роботи навігаційних систем.

2. Розроблені алгоритми корекції систем обчислення шляху, що дозволяють зменшити похибки траєкторії руху судна по широті та довготі приблизно у два рази.

3. Запропоновано метод, що дозволяє зменшити час приведення гірокомпасу в меридіан в два рази і складає до 25 хв., а похибка приведення зменшується у три рази, і складає до 0,15sec град, замість 0,5sec град.

4. Доведено, що лінійну рівножорсткість в пружному підвісі двокільцевого ДНГ можливо досягти за допомогою обрання певного кутового положення в розташуванні пружних елементів, а саме 3515.

5. Запропонована нова технологія виготовлення пружного підвісу ДНГ, яка дозволила значно підвищити точність отримання його перетинок в два рази, скоротити трудомісткість виготовлення цієї деталі, що підвищило точність роботи ДНГ.

Результати роботи впроваджено у ВАТ “Науково-виробничий комплекс “Київський завод автоматики ім. Г.І. Петровського” з річним економічним ефектом 200 тисяч гривен. Впровадження результатів дали можливість покращити характеристики системи обчислення шляху, гірокомпасу, дозволили підвищити технологічність приладу.

Особистий внесок здобувача. В дисертаційній роботі приведені результати досліджень, виконані особисто автором. Основні теоретичні результати дисертації, отримані здобувачем. Постановка задачі досліджень, розробка методології та підходів до її вирішення здійснювались спільно з науковим керівником. Особисто, здобувачем розроблені методи корекції похибок НС, які використовуються в процесі руху судна, розроблена структурна схема, алгоритм функціонування та математична модель ІНС. Автором були розроблені вимоги по точності до деталей, вузлів та приладу в цілому; розроблена і впроваджена оснастка для складання, контролю і регулювання параметрів вузлів

Апробація результатів дисертації. В продовж роботи основні положення та результати дисертаційної роботи докладались та обговорювались на наступних науково-технічних конференціях: V Міжнародній науково-технічній конференції “Гиротехнологии, навигация и управление движением” (Київ, 2005 р.), V науково-технічній конференції “Приладобудування: стан і перспективи” (Київ, 2006 р.), VI. VIІ, VIІІ Міжнародних науково-технічних конференціях “Гіротехнології, навігація керування рухом та конструювання авіаційно-космічної техніки” (Київ, 2007 р., 2009 р., 2011 р.).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи викладені в 11 наукових працях, із яких 5 статей у фахових виданнях, свідоцтво про реєстрацію авторського права на твір, 5 тез доповідей.

Структура та об'єм роботи. Дисертація складається із вступу, 5 розділів, загальних висновків, переліку використаних джерел та додатку. Основний текст дисертації викладено на 131 сторінці. Повний обсяг роботи складає 140 сторінок.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми, визначена мета і задачі дослідження, сформульована наукова новизна і показана практична цінність отриманих наукових результатів та наведені дані про публікації та апробацію роботи.

У першому розділі виконано огляд літературних джерел стосовно підвищення якості роботи надводних об'єктів навігаційних систем. Проведено аналіз теоретичних і експериментальних досліджень з підвищення точності роботи навігаційних систем за рахунок удосконалення методів їх корекції та технологічного відпрацювання.

Для точного управління рухомими об'єктами на Землі, у воді, в повітрі широко застосовуються різноманітні НС. В основі таких систем використовуються чутливі елементи - пристрої, які дозволяють встановлювати різні відхилення руху об'єкту в координатному просторі Землі. Для підвищення точності цих систем, необхідно мати повний аналіз можливих похибок роботи НС, причини їх виникнення, такі як конструкторські, експлуатаційні та технологічні.

В наш час існують багато різних НС. Жодна з традиційно використовуваних НС окремо не забезпечує вимоги по безперервному високоточному визначенню місцеположення рухомого об'єкта незалежно від часу роботи навігаційної апаратури. Це пояснюється тим, що повністю не з'ясовані усі фактори та похибки в більшості технологічні, що впливають на точносні характеристики цих систем. У той же час, жорсткі вимоги, висунуті до НС у частині надійного, безупинного, перешкодостійкого, високоточного визначення навігаційних параметрів руху об'єкта, можуть бути забезпечені при інтегруванні різнорідних навігаційних засобів, зокрема АНС та СНС в єдиний навігаційний комплекс.

Використання супутникових радіонавігаційних систем (СРНС) разом з навігаційними системами інших типів дозволяє суттєво зменшити похибки визначення координат рухомих об'єктів. Дослідженню таких ІНС присвячено багато робіт. В цих роботах проводиться аналіз похибок та методів корекції інерційних навігаційних систем від СРНС при маневруванні об'єкту, в них розглянуто можливість корекції інструментальних похибок датчиків первинної інформації навігаційних систем шляхом їх калібрування перед початком руху з подальшим використанням результатів калібрування.

На основі проведеного аналізу визначена наукова задача підвищення точності роботи надводних рухомих об'єктів навігаційних систем за рахунок удосконалення методів корекції та технологічного відпрацювання, дослідження впливу ряду похибок на якість роботи навігаційного обладнання та розроблені ефективні методи компенсації цих похибок.

В другому розділі викладені основні методи та методики експериментальних досліджень, визначені методи обробки результатів експериментів.

Розроблено метод корекції траєкторії стаціонарного руху судна від супутникових радіонавігаційних систем.

Нехай судно рухається курсом K(t) з лінійною швидкістю V(t) відносно води. Тоді в географічній системі координат вирази для зміни широти та довготи місця положення судна можна записати двома рівняннями:

, (1.1)

де - радіус земної сфери, - широта та довгота місця положення судна, - кут між подовжньою віссю судна та вектором його швидкості, - складові швидкості течії вздовж меридіана та паралелі відповідно, - інтервал часу між корекціями від СРНС.

На інтервалі часу [], де , істинний курс судна представлено як:

, (1.2)

де - курс судна, який визначається по курсовому приладу, - величина, що корегує похибку курсового приладу та визначена з інформації від СРНС, яка отримана в момент , - похибка визначення курсу на інтервалі часу [], яка виникає в наслідок того, що величина враховує похибку, яка визначається за даними, одержаними на момент часу . Звідки: .

Швидкість на тому ж інтервалі часу представлена у вигляді:

, (1.3)

де - швидкість судна, яка визначається згідно лагу, - величина, що корегує похибку лагу та визначена згідно інформації від СРНС, яка отримана в момент , - похибка визначення швидкості судна відносно води в інтервалі часу [], яка виникає внаслідок того, що величина враховує похибку, яка визначається за даними, одержаними на момент часу . Звідки: .

На кожному з інтервалів часу [] курс судна та його швидкість можна визначити тільки наближеними значеннями, тобто:

, . (1.4)

Записавши вирази для значень зміни широти та довготи місця положення судна, використовуючи формули (1.1, 1.2, 1.3, 1.4), після перетворень маємо:

, (1.5)

де , ,- точне (підраховане) та реальне значення зміни широти місця положення судна, відповідно, - точне (підраховане) та реальне значення зміни довготи місця положення судна, відповідно.

Розв'язавши матричне рівняння (1.5) відносно змінних , одержимо:

(1.6)

де визначник матриці дорівнює:

(1.7)

Рівняння (1.6) справедливі при та дають змогу на момент часу визначити похибки за результатами виміру поточного курсу , поточної швидкості , корегуючих поправлень курсу та швидкості , визначених на момент часу , а також різниці між розрахованими та реальними значеннями широти та довготи місця положення судна на момент часу , , які можуть бути визначеними за допомогою СРНС. Використовуючи рівняння (1.2, 1.4), знаходимо корегуючи поправки курсу та швидкості на наступному інтервалі часу .

Розбивши інтервал часу на невеликі інтервали на яких поточний курс та швидкість виразимо як: , , де - курс та лінійна швидкість судна у момент часу , - кутова швидкість та лінійне прискорення судна на інтервалі часу , . Для визначення похибок, позначимо: , , , де - дійсний шлях, пройдений судном, на інтервалі часу [], - шлях, пройдений судном на j+1 інтервалі часу , який визначається приладом обчислювання шляху, - величина, , яка отримана в момент корегує похибку приладу обчислювання пройденого шляху та підрахована згідно інформації від СРНС, - похибка визначення пройденого шляху на інтервалі часу [], яка виникає в наслідок того, що величина враховує похибку, що визначається за даними, одержаними на момент часу . Звідки: .

Тоді після перетворень маємо:

(1.8)

При наближенні до нуля величини наближаються до нуля, тобто поступово зменшуються до значень, які визначаються похибками СРНС знаходження місця положення судна в горизонтальній площині. Значення до яких наближаються величини знаходемо з виразів (1.6, 1.8), підставивши в них замість , , де - середнє квадратичне значення похибки СРНС знаходження місця положення судна в горизонтальній площині.

Метод найшвидшого спуску в процесі корекції параметрів НС використано для мінімізації цільової функції, яка визначає похибку траєкторії руху об'єкту по широті та довготі місця положення об'єкту, залежить від таких параметрів, а саме: масштабних коефіцієнтів, зміщень сигналів, які складаються з постійних складових та складових прямо пропорційних часу.

Швидкість та курс об'єкта: , , де - коефіцієнти передачі каналів швидкості та курсу, - складові похибок, - керуючі впливи каналів швидкості та курсу. За рахунок похибок параметрів , а також швидкість та курс відрізняються від розрахованих та . Скорегувати цю різницю можна шляхом корекції параметрів системи:

(2.1)

де wxi, wyi, wi - масштабні коефіцієнти корекції повздовжньої та поперечної складових швидкостей руху та курсу об'єкту, xi, yi, i - постійні складові зміщення відповідних швидкостей та курсу, xi, yi, i - коефіцієнти пропорційності складових зміщень відповідних швидкостей та курсу, пропорційних часу, i - поточний курс, яким рухається об'єкт на інтервалі часу Ti між i та корекціями, - повздовжня та поперечна складові швидкості руху об'єкту на інтервалі часу між та корекціями, - курс, яким повинен рухатися об'єкт по траєкторії, що мінімізує вибраний критерій якості, - повздовжня та поперечна складові швидкості руху об'єкту по траєкторії, що мінімізує вибраний критерій якості. Масштабні коефіцієнти та параметри зміщень з виразів (2.1) знаходяться такими, щоб мінімізувати вибраний критерій якості. Задамо такий критерій якості:

, (2.2)

де - значення проекцій швидкості та курсу, які на інтервалі розраховуються із необхідності забезпечити бажаних змін широти та довготи положення об'єкту у відповідності з формулою (1.1). Координати також розраховуються шляхом підстановки формули (2.1) в (1.1).

Знайдені шляхом мінімізації критерію (2.2) параметри , , використовують на наступному інтервалі часу для визначення відкоригованих швидкості та курсу, які задаються для відпрацювання, як програмні:

. (2.3)

Відповідно методу найшвидшого спуску значення параметрів , , на наступному інтервалі вираховуються як:

, , ,

, , , (2.4)

, , ,

Прирости: , , , , , , ,,.

- додатні величини. Наведені похідні розраховують на поточному інтервалі. На кожному інтервалі ітерації між корекціям, величина , підрахована із значеннями параметрів, визначених з рівняння (2.4), наближається до локального мінімуму. На малих інтервалах часу повздовжні та поперечні складові швидкості та курс з якими рухається об'єкт мають вигляд:

(2.5)

де , , - значення повздовжньої та поперечної складових швидкості та курсу на початку інтервалу часу, - прискорення відповідних складових швидкостей на інтервалі часу, - кутова швидкість на інтервалі часу, - поточний інтервал часу. Час , де .

Для використання цих виразів в критерії (2.2) необхідно запам'ятовувати значення , , , , (j = 1,…, j =Ti/i) протягом інтервалу . Інтеграли в виразах похідних від представимо як суму інтегралів, взятих на кожному з інтервалів , а потім взявши ці інтеграли отримаємо таку систему рівнянь:

(2.6)

де .

Знайшовши значення похідних , за допомогою виразів (2.4) визначимо прирости та нові значення параметрів .

Результати математичного моделювання показали ефективність запропонованого методу. Слід зазначити, що таку методику можна використовувати в процесі корекції інших типів НС. Для цього необхідно вибрати відповідну цільову функцію, яка залежить від заданих та реальних параметрів руху об'єкту, а потім провести розрахунки за аналогічною вище наведеною методикою.

У третьому розділі було розглянуто похибки двокільцевого ДНГ, які обумовлені конструкцією його пружного підвісу. Досліджуються двокільцеві ДНГ, підвіси яких містять пружні елементи, сформовані двома циліндричними отворами.

Основними елементами ДНГ (рис.1) є ротор 1, приводний двигун з валом 2, датчики кута і моменту 3 і 4, а також пружний підвіс. Приводний двигун обертає вал з постійною кутовою швидкістю і через пружний підвіс передає обертання на ротор ДНГ. Система координат Оx0y0z0, що обертається з валом приводу, і пов'язана з корпусом приладу координатна система мають кутове зміщення відносно осі . Податливість пружного підвісу дозволяє ротору зміщуватися щодо валу приводу.

Кутові зміщення ротора щодо осей і , незмінно пов'язаних з корпусом ДНГ і перпендикулярних осі обертання валу приводу , вимірюються датчиками кута, а управління кутовим рухом ротора здійснюється за допомогою датчиків моменту, закріплених на корпусі. Пружний підвіс двокільцевого ДНГ складається з двох однокільцевих пружних підвісів, що мають в своєму складі по одному інерційному елементу (карданові кільця 5 і 6). Причому в кожному з двох однокільцевих підвісів з'єднання карданового кільця з ротором і валом приводу здійснюється за допомогою двох пружних зв'язків. У дослідженнях врахована кінцева жорсткість пружного підвісу по всіх напрямах, а з технологічних чинників - тільки зміщення центру мас ротора щодо осей координатної системи Оx0y0z0, що визначається вектором . Наступні позначення:



Рис.1. Кінематична схема двокільцевого ДНГ

і - дрейфи ДНГ, що відбуваються відносно координатних осей і базової системи координат , пов'язаної з основою; , і - проекції лінійного прискорення основи на відповідні осі базової системи координат , пов'язаної з основою; - кутова жорсткість пружного підвісу відносно його робочих осей; - маса ротора; - кінетичний момент гіроскопа; , і - обумовлене технологічними чинниками зміщення центру мас ротора щодо робочих осей пружного підвісу.

Величини і дрейфів гіроскопа, викликаних лінійним прискоренням основи, можна представити у вигляді чотирьох доданків:

, (3.1)

Дрейфи ДНГ включають наступні доданки:

і - дрейфи, що відповідають випадку осьової незбалансованості ДНГ,

,

, (3.2)

і - дрейфи, що відповідають випадку радіальної незбалансованості ДНГ,

,

, (3.3)

і - квадратурні дрейфи ДНГ,

,

, (3.4)

і - дрейфи, обумовлені лінійною нерівножорсткістю пружного підвісу,

,

. (3.5)

У формулах (3.2)-(3.5) через позначені елементи матриці податливості пружного підвісу, які є коефіцієнтами пропорційності між узагальненими силами, що діють з боку ротора, і відповідними узагальненими переміщеннями ротора.

Дрейфи і , обумовлені лінійною нерівножорсткістю підвісу, будуть відсутніми при рівності лінійної податливості пружного підвісу у напрямі трьох осей координатної системи

: . (3.6)

У ДНГ досліджуваного типу пружний підвіс складається з восьми розташованих між ротором і валом пружних елементів змінного поперечного перетину (рис.2). Поздовжні лінії пружних елементів розташовуються на відстанях r1 і r2 від центру підвісу, утворюючи з осями, колінеарними осі Ox0, кути . Пружні підвіси, що досліджувалися, при їх ідеальному виконанні, мають осьову симетрію, а також (після повороту на 900 навколо осі Ox0) симетрію віддзеркалення щодо площини (рис.2).

Пружні елементи підвісу утворюються за допомогою двох циліндричних полуотворів і мають змінний по довжині поперечний переріз (рис.3). Для визначення жорсткістних характеристик пружного елементу введемо наступні позначення його геометричних розмірів: b- ширина пружного елементу; h0- товщина пружного елементу в його найбільш вузькій частині; - радіус циліндрових отворів, які утворюють пружний елемент. Для даних пружних елементів характерні наступні співвідношення між їх геометричними розмірами: .



Рис. 2. Схема розташування пружних елементів в підвісі двокільцевого ДНГ.

Рис. 3. Пружний елемент, утворений двома циліндричними отворами.

У локальній системі координат (рис.4.3), в якій координатні осі співпадають з осями симетрії пружного елементу, його матриця жорсткості матиме наступний діагональний вигляд: , де діагональні елементи матриці визначають лінійну жорсткість у напрямку осей (), () та (), а також кутову жорсткість відносно осей (), () та (). Аналіз геометричних розмірів пружних елементів, що використовуються в підвісах двокільцевих ДНГ, показує справедливість наступного співвідношення: . Тоді, якщо позначити через малий параметр, то з точністю до величин вищого порядку відносно параметру можна записати наступні наближені формули, що описують жорсткості пружних елементів:

; ; ; ; ; , (3.7)

де - приведена величина модуля пружності першого роду, що використовується при розрахунку пружного елементу, як пластини змінного перерізу; і - модуль пружності першого роду і коефіцієнт Пуассона матеріалу пружного елементу; - модуль пружності другого роду матеріалу пружного елементу.

При цьому порівняння величин жорсткостей пружного елементу, що описуються наближеними аналітичними формулами (3.7), згідно ступеня малого параметра і значення числових коефіцієнтів, дозволяє отримати наступні вирази характерних диспропорцій між величинами жорсткостей пружного елементу в різних напрямах:

; . (3.8)

Розглянемо квадратурні дрейфи двокільцевого ДНГ. При цьому відзначимо, що квадратурні дрейфи ДНГ не обмежується тільки постійними складовими і можуть описуватися наступним чином:

,

. (3.9)

Коефіцієнти і , що входять у формули (3.9), дорівнюють нулю, а коефіцієнти і , що характеризують квадратурну маятниковість, рівні за величиною і протилежні за знаком, тобто:

;.

При цьому величина робочої кутової жорсткості підвісу відзначається згідно наступної наближеної рівності: .

Проведені дослідження показали, що лінійної рівножорсткості в пружному підвісі двокільцевого ДНГ можливо досягти за допомогою обрання певного кутового положення в розташуванні пружних елементів, а саме . При цьому в рівножорсткому підвісі виникають пружні перехресні зв'язки, які обумовлюють істотну величину постійного квадратурного дрейфу при поступальній вібрації основи з частотою, що дорівнює подвоєній частоті обертання валу приводного двигуна.

В четвертому розділі приведені результати експериментальних досліджень впливу особливостей конструкції на міцність двокільцевого ДНГ які показали відповідність отриманим аналітичним результатам. На рис.4 представлено відшліфований зріз пружного елементу з типового пружного підвісу двокільцевого ДНГ (при 150-кратному збільшенні), підданого осьовому навантаженню, яке перевищувало допустиме.

Як видно з рис.4, перерізи із залишковими деформаціями розташовуються на периферії пружного елементу, на відстані, що становить приблизно 100 мкм, від його центру.

В результаті розрахунків конструктивно-технологічної розробки підвісу створено малогабаритний підвіс, який наведено на рис.5 в порівнянні з підвісом, який використовувався в ДНГ раніше.

Рис.4. Фотографія зрізу деформованого пружного елементу.

1

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.5. Пружні підвіси ДНГ

Технологія виготовлення пружного підвісу ДНГ. Виготовлення пружного підвісу ДНГ можна розділити на декілька етапів: вибір матеріалу, термічна обробка, технологічний процес виготовлення підвісу.

Застосовані матеріали вимагають комплексу термічних операцій для забезпечення необхідних магнітних властивостей, при цьому не порушуючи геометричних розмірів деталей і характеристик міцності.

Матеріал повинен мати високі елінварні властивості - еластичність, пружність, незмінність до впливу температури -40С до +60С. Матеріалом підвісу вибрано сплав 21НКМТ-ВИ мартенситностаріючий, що має елінварні властивості. У загартованому стані твердість сплаву складає 30…32 HRCе, що забезпечує хорошу оброблюваність різанням. Механічні властивості після дисперсійного старіння: границя міцності в 150 кг/мм2; границя пропорційності пр 120 кг/мм2; відносне подовження 7%; відносне зменшення 20%.

Наступний етап - електроіскрова обробка, що формує геометрію підвісу, після чого виконується шліфування бокових поверхонь і отворів, роз'єднання взаємно рухомих частин підвісу та довведення пружних перетинок до необхідної жорсткості згідно вимог конструкторської документації. Остаточна термообробка для зняття внутрішніх напружень проводиться при температурі (2805)С з витримкою 8 годин у вакуумній печі. Розроблено технологічний пристрій, який забезпечує точність виконання та геометричний контроль після кожного переходу технологічних операцій до повного виготовлення деталі не знімаючи її з пристрою. На рис.6 зображена конструкція пристрою для точного і симетричного виготовлення та контролю пружних перетинок підвісу.

Технологічний пристрій, виготовлений з високолегованої інструментальної сталі, має форму куба з точними розмірами, який забезпечує точне виконання перетинок під кутом 90°5ґміж собою та позиціонування деталі по відношенню до шпинделя верстата незалежно від оператора.



1

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.6. Конструкція пристрою для точного і симетричного виготовлення та контролю пружних перетинок підвісу, що включає: 1 - корпус, 2 - фіксатор, 3 - оправку, 4 - шайбу, 5 - штифт.

Впроваджено новий метод контролю лінійних і кутових зміщень пружних елементів підвісу, збіг їх осей між собою і по відношенню до головної осі підвісу, а також їх перпендикулярність до головної осі підвісу.

Запропонований метод виготовлення і контролю якості пружного підвісу ДНГ дозволяє значно скоротити брак з вини оператора, не дозволяє передавати деталі на інші операції з прихованим браком і, відповідно, зменшити технологічний відхід підвісів при складальних роботах, балансуванні і регулюванні ДНГ. Реалізація зазначених прийомів і технологічних режимів їх виконання дозволяють підвищити надійність і точність роботи гіроскопа, а також значною мірою скоротити трудомісткість і, відповідно, собівартість продукції.

Експериментальні дослідження підтвердили правильність вибраного технологічного процесу і показали, що відсоток браку після механічної обробки і термічних операцій зменшився до 3%.

У п'ятому розділі дисертаційної роботи приведено експериментальні дослідження роботи гірокомпасу, які проводилися шляхом заміру відповідних сигналів гірокомпасу по вертикальному та горизонтальному каналам. Заміри виконувалися за допомогою аналого-цифрового перетворювача та введення інформації в персональний комп'ютер.

Результати, одержані в процесі випробувань приведення гірокомпасу в меридіан на високих широтах при різних початкових умовах представлені на рис.7-11.

а) б)

Рис.7. Перехідний процес приведення гірокомпаса в меридіан на фазовій площині до доопрацювання (а) та після доопрацювання (б) при наступних початкових умовах: б0 =-0,003рад , в0 =0,0003 рад. Усталене значення похибок приведення в меридіан: -0,007 рад (а) та -0,0022 рад (б).

а) б)

Рис.8. Перехідний процес приведення гірокомпаса в меридіан по координаті в(в0 = 0,0003 рад) (а) та по координаті б (б0 = -0,003 рад) (б): 1- до доопрацювання, 2- після доопрацювання.

Як показали результати випробувань похибки приведення гірокомпасу в меридіан не перевищували: стала похибка дорівнює 0,15secц град, статична похибка - 0,05secц град, нестабільність сталої похибки від пуску до пуску - 0,06secц град.

а) б)

Рис.9. Перехідний процес приведення гірокомпаса в меридіан на фазовій площині до доопрацювання (а) та після доопрацювання (б) при наступних початкових умовах: б0 = 0,002 рад, в0 = - 0,0003 рад. Усталене значення похибок приведення в меридіан: - 0,005 рад (а) та - 0,002 рад (б)

а) б)

Рис.10. Перехідний процес приведення гірокомпаса в меридіан на фазовій площині до доопрацювання (а) та після доопрацювання (б) при наступних початкових умовах: б0 = -0,002 рад, в0 = - 0,0003 рад. Усталене значення похибок приведення в меридіан: -0,0042 рад (а) та -0,0025 рад (б).

а) б)

Рис.11. Перехідний процес приведення гірокомпаса в меридіан по координаті в(в0 = -0,0003 рад) (а) та по координаті б (б0 = -0,002 рад) (б): 1- до доопрацювання, 2- після доопрацювання.

Отримані результати підтвердили ефективність використання запропонованого методу розрахунків параметрів гірокомпасу в процесі його розроблення.

При використанні запропонованих в роботі методик час приведення гірокомпасу в меридіан зменшується в два рази і складає до 25 хв, а похибка приведення зменшується у три рази, і складає до 0,15secц град (було 0,5secц град).

Основні висновки

Проведені в дисертаційній роботі математичний аналіз, математичне моделювання та дослідження, одержанні математичні рішення та алгоритми, а також технологічні розробки вирішують наукову задачу підвищення точності роботи навігаційних систем за рахунок удосконалення методів їх корекції та технологічного відпрацювання і дозволяють зробити наступні висновки:

1. Розроблено нову методику оцінки характеристик підвісу ДНГ і їх впливу на точносні параметри ДНГ, що дає можливість виявити найбільш суттєві похибки і похибки виготовлення виробу.

2. Запропоновано ефективну методику компенсації похибок системи обчислення шляху, а також методу оптимальної фільтрації та екстраполяції, що значно впливає на якісні показники навігаційних систем з ДНГ.

3. Запропонована нова методика визначення за допомогою СРНС та введення в параметри процесу керування судна величин, що корегують курс, пройдений шлях та швидкість судна, що дозволило зменшити відхилення траєкторії стаціонарного руху судна від заданої траєкторії до величини, яка наближається до похибок СРНС визначення місця положення в горизонтальній площині.

4. На прикладі системи обчислення шляху показано можливість використання методу найшвидшого спуску для корекції параметрів таких систем з метою зменшення їх похибок, а також можливість використання зазначеного методу для корекції параметрів деяких інших типів навігаційних систем.

5. Результати випробувань гірокомпасу та ДНГ показали ефективність проведених наукових досліджень і можливість використання результатів цих досліджень, а саме розрахунку параметрів гірокомпасу на базі ДНГ, а також ДНГ для виконання розробок зазначених приладів.

6. Запропонована нова технологія виготовлення пружного підвісу ДНГ, яка дозволила значно підвищити точність отримання його перетинок до двох разів, скоротити трудомісткість виготовлення цієї деталі, що підвищило точність роботи і знизило собівартість приладу.

7. Розроблені алгоритми корекції систем обчислення шляху, що дозволяють зменшити похибки траєкторії руху судна по широті та довготі майже у два рази.

8. Запропоновано методику, яка дозволяє зменшити час приведення гірокомпасу в меридіан в два рази і складає до 25 хв., а похибка приведення зменшується у три рази, і складає до 0,15sec град, замість 0,5sec град.

9. Доведено, що лінійну рівножорсткість в пружному підвісі двокільцевого ДНГ можливо досягти обранням певного кутового положення в розташуванні пружних елементів, а саме 3515.

Результати роботи впроваджено у ВАТ “Науково-виробничий комплекс “Київський завод автоматики ім. Г.І. Петровського” з річним економічним ефектом 200 тисяч гривен.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Цірук В.Г. Корекція траєкторії стаціонарного руху судна від супутникових радіонавігаційних систем / В.Г. Цірук, Г.Є. Янкелевич, О.В. Збруцький, Л.Б. Хазанович // Наукові вісті НТУУ “КПІ”, 2005.- №1(39).- С.89-96. (Дисертантом розроблено методику, виконані експериментальні дослідження і аналіз отриманих результатів).

2. Цірук В.Г. Використання методу зворотного розповсюдження в процесі корекції параметрів навігаційних систем / О.В. Збруцький, В.Г. Цірук, Л.Б. Хазанович, Г.Є. Янкелевич // Наукові вісті НТУУ “КПІ”, 2007.- №4(56).- С.80-89. (Дисертантом розроблено алгоритм використання методу зворотнього розповсюдження для корекції параметрів НС з метою зменшення їх похибок).

3. Цірук В.Г. Похибки двокільцевого динамічно настроюваного гіроскопа, зумовлені конструкцією його пружного підвісу / В.Г. Цірук, І.В. Балабанов // Наукові вісті НТУУ “КПІ”, 2007.- №6(56) .- С.114-120. (Дисертантом запропоновано методику, проведені дослідження та зроблені висновки).

4. Цірук В.Г. Вплив особливостей конструкції на міцність двокільцевого динамічно настроюваного гіроскопа / В.Г. Цірук, І.В. Балабанов // Наукові вісті НТУУ “КПІ”, 2008.- №2(59).- С.15-19. (Дисертантом проведено розрахунок міцністних характеристик ДНГ та зроблені висновки).

5. Цірук В.Г. Поліпшений метод найскорішого спуску / Г.Є. Янкелевич, С.П. Маляров, В.Г. Цірук // Наукові вісті НТУУ “КПІ”, 2008.- №3(59).- С.104-110. (Дисертантом розроблено метод та зроблені висновки).

6. Цірук В.Г. Корекція навігаційних приладів від супутникових навігаційних систем при стаціонарному русі судна / Л.Б. Хазанович, В.Г. Цірук, Г.Є. Янкелевич // V Международная научно-техническая конференция “Гиротехнологии, навигация и управление движением”, 21-22 апреля 2005г.: Сб. докл. К.: НТУУ “КПІ”, 2005. -С.224-231. (Дисертантом отримано аналітичні залежності та зроблені висновки).

7. Скицюк В.І. Енергетичні процеси металообробки при виготовленні деталей надточних приладів / В.І. Скицюк, Г.С. Тимчик, М.М. Клочко, В.Г. Цірук // Збірник тез доповідей V науково-технічної конференції “Приладобудування: стан і перспективи”, 25-26 квітня 2006 р.- К.: НТУУ “КПІ”, 2006.- С.114. (Дисертантом проведені дослідження та зроблено аналіз отриманих результатів).

8. Цірук В.Г. Деякі алгоритми корекції параметрів навігаційних систем / В.Г. Цірук, Л.Б. Хазанович, Г.Є. Янкелевич // VI Міжнародна науково-технічна конференція “Гіротехнології, навігація керування рухом та конструювання авіаційно-космічної техніки”, 26-27 квітня 2007 р.: Збірника доповідей. Ч1/К.: НТУУ “КПІ”, 2007.- С.339-345. (Дисертантом представлені методики корекції та зроблено аналіз отриманих результатів).

9. Цірук В.Г. Компенсація похибок датчиків первинної інформації // VIІ Міжнародна науково-технічна конференція “Гіротехнології, навігація керування рухом та конструювання авіаційно-космічної техніки”, 23-24 квітня 2009 р.: Збірника доповідей. Ч1/К.: НТУУ “КПІ”, 2009.- С.36-42. (Дисертантом проведені дослідження та зроблено аналіз отриманих результатів).

10. Комплект конструкторської та технологічної документації приладу "ГД09": Свідоцтво про реєстрацію авторського права на твір №29795/ Цірук В.Г., Маляров С.П., Пономаренко А.І., Янкелевич Г.Є., Бондарук В.А., Асілов С.М., Гержан О.М., Касьянов В.Г., Грецький П.П.- Заяв.27.07.2009. (Дисертантом розроблено комплект конструкторської та технологічної документації).

11. Цірук В.Г. Вибір періоду дискретизації в цифрових системах / В.Г. Цірук, О.В. Збруцький, С.П. Маляров, Г.Є. Янкелевич // V Міжнародна науково-технічна конференція “Гіротехнології, навігація, керування рухом та конструювання авіаційно-космічної техніки”, 21-22 квітня 2011г.: Збірника доповідей. Ч2/К.: НТУУ “КПІ”, 2011.-С.180-185.. (Дисертантом отримано аналітичні залежності та зроблені висновки).

Анотація

Цірук В.Г. Підвищення точності навігаційних систем за рахунок удосконалення методів їх корекції та технологічного відпрацювання. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.03 - Гіроскопи та навігаційні системи. - Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, Київ, 2011. Дисертаційна робота вирішує науково-технічну задачу підвищення точності роботи надводних рухомих об'єктів навігаційних систем за рахунок удосконалення методів їх корекції та технологічного відпрацювання, дослідження впливу ряду похибок на точність роботи навігаційного обладнання та розробка ефективних методів компенсації цих похибок.

В роботі запропоновано метод корекції траєкторії стаціонарного руху судна від супутникових радіонавігаційних систем, включаючи рівняння руху та похибок, що дозволило зменшити відхилення траєкторії стаціонарного руху судна від заданої траєкторії до величини, яка наближається до похибок СРНС визначення місця положення в горизонтальній площині. Надані рекомендації по зниженню похибок інтегрованої НС, та підвищенню надійності і достовірності навігаційних вимірів.

Запропонована нова технологія виготовлення пружного підвісу ДНГ, яка дозволила значно підвищити точність отримання його перетинок до двох разів, скоротити трудомісткість виготовлення цієї деталі, що підвищило точність роботи і знизило собівартість приладу.

Розроблені нові технології по удосконаленню якості виготовлення навігаційного обладнання, надані практичні рекомендації по їх впровадженню.

Ключові слова: навігаційні системи, рухомі об'єкти, гірокомпас, двокільцевий динамічно настроюваний гіроскоп, пружний підвіс, корекція параметрів НС.

Аннотация

Цирук В.Г. Повышение точности навигационных систем за счет усовершенствования методов их коррекции и технологической отработки. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук за специальностью 05.11.03 - Гироскопы и навигационные системы. - Национальный технический университет Украины “Киевский политехнический институт”, Киев, 2011.

Диссертационная работа решает научно-техническую задачу повышения точности работы надводных подвижных объектов навигационных систем за счет усовершенствования методов их коррекции и технологической отработки, исследования влияния ряда погрешностей на точность работы навигационного оборудования и разработка эффективных методов компенсации этих погрешностей.

В работе предложен метод коррекции траектории стационарного движения судна от спутниковых радионавигационных систем, включая уравнение движения и погрешностей, что позволило уменьшить отклонение траектории стационарного движения судна от заданной траектории к величине, которая приближается к погрешностям СРНС определения места положения в горизонтальной плоскости. Предоставлены рекомендации по снижению погрешностей интегрированной НС, и повышению надежности и достоверности навигационных измерений.

Предложена новая технология изготовления упругого подвеса ДНГ, которая позволила значительно повысить точность получения его перемычек до двух раз, сократить трудоемкость изготовления этой детали, что повысило точность работы и снизило себестоимость прибора.

Внедрен новый метод контроля линейных и угловых величин упругих элементов подвеса, параллельность их осей между собой и по отношению к главной оси подвеса, а также их перпендикулярность к главной оси подвеса. Для реализации метода разработано новое технологическое приспособление для контроля линейных и угловых перемещений упругих элементов подвеса. Технологическое приспособление обеспечивает точность изготовления и геометрический контроль упругих перемычек подвеса после каждого перехода технологических операций до полного изготовления деталей не снимая ее с приспособления. Оно изготовлено из высоколегированной инструментальной стали, имеет форму куба с точными размерами, которое обеспечивает точное изготовление перемычек под углом 90°5ґмежду собой и позиционирование детали по отношению к шпинделю станка независимо от оператора. Предложенный метод изготовления и контроля точности упругого подвеса ДНГ позволяет значительно уменьшить брак по вине оператора, не позволяет передавать детали на другие операции со скрытым браком и, соответственно, уменьшить технологический отход подвесов при сборочных роботах, балансировке и регулировки ДНГ.

Реализация указанных приемов и технологических режимов их исполнения позволяют повысить надежность и точность роботы гироскопа, а также в значительной степени уменьшить трудоемкость и, соответственно, себестоимость продукции. Экспериментальные исследования подтвердили правильность выбранного технологического процесса и показали, что процент брака после механической обработки и термических операций уменьшился до 3%. Разработаны новые технологии по усовершенствованию качества изготовления навигационного оборудования, предоставлены практические рекомендации по их внедрению.

Результаты испытаний гирокомпаса и ДНГ показали эффективность проведенных научных исследований и возможность использования данных результатов, а именно расчета параметров гирокомпаса на базе ДНГ, а также ДНГ для использования разработок указанных приборов.

Ключевые слова: навигационные системы, подвижные объекты, гирокомпас, двухколечный динамически настраиваемый гироскоп, упругий подвес, коррекция параметров НС.

Annotation

Tsiruk V.G. Accuracy increase of the navigation systems by improve of its correction methods and technological development. - Manuscript.

The dissertation on bachelor of science degree acquire on profession 05.11.03 - Gyroscopes and Navigation Systems - National Technical University of Ukraine - “Kiev polytechnical institute”, Kiev, 2011.

The dissertation work is solved the science-technical task of increasing work quality of the ground-based navigation systems by improve of its correction method and technological development and by investigation effects of row errors on the accuracy of navigation equipment work and development of the effective methods compensation this errors.

This methods offers the correction methods of stationary moving trajectory of vessels from satellite radio navigation systems including equations of moving and errors. This lets to decrease the trajectory deviation of stationary moving of vessel to value which approach to errors of the radio navigation systems of determine ship`s position in horizontal plane. Recommendations were give on decrease errors of the integrated navigation system and increase reliability and degree of navigation measurement certainty.

The new technology was offered for manufacturing spring suspension of dynamic turning gyro which lets substantial increase accuracy of making its strips to two time, increasing the labor input of making this components that increase working accuracy of this device and decrease its manufacturing costs.

The new technology processes were developed for improve quality of navigation equipment manufacturing and were done practical recommendations on their introduction to practice.

Keywords: navigation systems, moving objects, gyrocompass, two ring dynamic turning gyro (DTG), spring suspension, parameter correction of navigation systems.

Размещено на Allbest.ru

...