Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«Южно-Уральский государственный университет»

(национальный исследовательский университет)

Высшая школа электроники и компьютерных наук

Кафедра «Системы автоматического управления»

Допустить к защите

Заведующий кафедрой

В.И. Ширяев

Выпускная квалификационная работа

«Двухосный гироскопический стабилизатор для космического робота для осмотра орбитальной станции»

ЮУрГУ - 240302.2017. 382.00 ПЗ ВКР

Руководитель работы

д.т.н., профессор А. Н. Лысов

Автор работы

студент группы КЭ-433 Здрогов А. В.

Нормоконтролер

к.т.н., доцент В.В. Седышев

Челябинск 2017



Аннотация

Здрогов, А. В. Двухосный гироскопический стабилизатор для космического робота для осмотра орбитальной станции: ЮУрГУ (НИУ), КЭ-433; 2017, 70с. 31 ил., библиогр. список - 10 наим, 20 листов слайдов презентации ф. А4.

Разработаны два двухосных гироскопических стабилизатора на базе микромеханического гироскопа и волоконно-оптического гироскопа, который будет использоваться в космическом роботе для осмотра орбитальной станции.

Также, рассмотрен принцип работы двухосного гиростабилизатора, его уравнения движения, построена числовая модель и получены динамические характеристики. Рассчитаны возмущающий момент трений, на основе полученных данных были выбраны двигатели стабилизации.



Оглавление

Аннотация

Введение

1. Анализ технического задания

2. Выбор и анализ чувствительных элементов

2.1 Микромеханические гироскопы

2.1.1 Вывод уравнений движения микромеханического гироскопа

2.2 Волоконно-оптический гироскоп

2.2.1 Вывод уравнений волоконно-оптического гироскопа

3. Математическая модель двухосного гиростабилизатора

3.1 Уравнение движения двухосного гиростабилизатора на волоконно-оптических гироскопах

3.2 Уравнения движения гиростабилизатора на микромеханических гироскопах

3.3 Передаточные функции канала гиростабилизатора на волоконно-оптических гироскопах

3.4 Передаточные функции канала гиростабилизатора на микромеханических гироскопах

4. Определение возмущающих моментов по осям стабилизации

5. Определение параметров стабилизации

6. Моделирование динамики гиростабилизатора

6.1 Моделирование динамики гиростабилизатора в режиме стабилизации на базе волоконно-оптического гироскопа

6.2 Режим управления гиростабилизатором на волоконно-оптических гироскопах

6.3 Моделирование динамики гиростабилизатора в режиме стабилизации на базе микромеханического гироскопа

6.4 Режим управления гиростабилизатором на микромеханических гироскопах

Заключение

Библиографический список

Приложения

Введение

С развитием современной авиационной и ракетной техники увеличились требуемые характеристики высоты полёта, скорости, маневренности и т.д. Основные задачи управления летательными аппаратами решаются с помощью гироскопических приборов и систем. Точность гироскопических приборов определяет на сколько эффективной будет работа летательных и космических аппаратов. Также на гироскопические системы возлагаются задачи по стабилизации и управлению специальных бортовых систем.

Бортовые системы, подлежащие стабилизации на заданном направлении в пространстве, обладают большим весом и моментом инерции; при этом они испытывают больше динамические нагрузки. Требования к высокой точности стабилизации бортовых систем и тяжёлые условия их эксплуатации привели к созданию гироскопических стабилизаторов[4].

Гиростабилизатор (ГС) - это гироскопическое устройство, предназначенное для стабилизации отдельных объектов или приборов, а также для определения угловых отклонений объектов [1].

Инерциальные системы управления подвижными объектами (ракетами, самолётами и т.д.) требуют стабилизации положения чувствительных элементов с высокой точностью. В системах управления баллистическими ракетами ньютонометры обычно стабилизируют относительно неподвижной в пространстве системы координат, в системах управления другими подвижными объектами, как правило - относительно некоторой вращающейся систем координат [4].

Стабилизация заключается в определение параметров углового положения платформы с приборами и в соответствии с этим выработки сигналов управления, обеспечивающих требуемое положение платформы в выбранной системе координат.

В настоящее время для определения параметров положения платформы, в большинстве случаев, используются гироскопы.

Также ГС используются и для измерения угловых отклонений объектов, то есть выполнять роль систем ориентации.

ГС бывают одноосные, двухосные, трёхосные.

По принципу стабилизации ГС можно разделить на [1]:

· ГС непосредственного типа, которые стабилизируются непосредственно гироскопом; такие ГС как правильно одноосные и представляют собой обычный трёхстепенный гироскоп с большим кинетическим моментом;

· ГС силового типа, в которых стабилизация осуществляется гироскопом совместного со стабилизирующим двигателем. Чувствительным элементом силового ГС является двухстепенный гироскоп;

· ГС индикаторного-силового типа, в которых стабилизация осуществляется в основном стабилизирующим двигателем. Чувствительным элементом индикаторно-силового ГС может быть поплавковый интегрирующий гироскоп, датчик угловой скорости или интегро-дифференцирующий гироскоп;

· ГС индикаторного типа, в них стабилизация осуществляется стабилизирующим двигателем, а гироскоп является лишь измерителем отклонения от требуемого положения. Его чувствительным элементом является трёхстепенный гироскоп или динамически настраиваемый гироскоп.

Двухосные гиростабилизаторы применяют для стабилизации и управления радиолокационными антеннами, прицелами, аэрофотоаппаратми, а также в качестве чувствительных элементов автопилотов и инерциальных систем.

В двухосном ГС два одноосных ГС соединены в единую систему, принцип действия каждого из них не отличается от принципа действия одноосного ГС или гирорамы. Платформа двухосного ГС имеет две степени свободы относительно ЛА, вращение же платформы вокруг оси, перпендикулярной плоскости заключающей оси стабилизации, происходит вместе с ЛА [1].

Двухосные ГС могут использоваться для создания силовых гировертикалей самолётов или для системы самонаведения зенитных ракет. Гировертикали силового типа применяются для определения углов крена и тангажа. В зависимости от числа применяемых гироскопов различают двухгироскопные и четырёхгироскопные гировертикали [1].

Также, двухосные ГС используют в системах самонаведения зенитных ракет. Самонаведение - это метод управления, при котором сигналы, необходимые для наведения ракеты на цель вырабатываются в аппаратуре ракеты за счёт отражения или излучения целью какого-либо вида энергии. Устройства, вырабатывающие информацию о движение цели, называют головкой самонаведения. Для вырабатывания сигналов управления головка самонаведения должна автоматически следить за целью и быть нечувствительной к колебаниям ракеты. Для выполнения этой задачи применяется двухосный гиростабилизатор с четырьмя гироскопами. Гиростабилизатор работает в двух режимах - стабилизации и слежения за целью. гиростабилизатор микромеханический оптический

Основными возмущающими моментами, действующие вокруг осей стабилизации, являются [4]:

а) моменты «тяжения» проводов;

б) моменты трения, возникающие в опорах осей карданова подвеса ГС

в) инерционные моменты, возникающие при движении «обкатки» и при карданном повороте рамок карданова подвеса, порождаемые вращением с ускорением роторов электродвигателей разгрузки;

г) инерционные моменты платформы и рамок карданова подвеса, возникающие при поворотах корпуса ГС вследствие геометрической погрешности кардана;

д) инерционные моменты, возникающие при статической несбалансированности элементов ГС в неустановившемся режиме полёта.

Цель работы: спроектировать двухосный гироскопический стабилизатора для космического робота для осмотра орбитальной космической станции.

Задачи:

· анализ технического задания,

· выбор расположения осей стабилизации относительно осей объекта и чувствительных элементов на платформе,

· вывод уравнений движения гиростабилизатора и их анализ,

· определение возмущающих моментов,

· определение параметров цепи стабилизации и выбор структуры и параметров корректирующего контура,

· моделирование динамики гиростабилизатора,

· разработка конструкторской документации.



1. Анализ технического задания

Необходимо провести анализ технического задания для того, чтобы понять сложность конструкции ДСГС. Узнать его конструктивные особенности.

Для разработки гиростабилизатора космического робота для осмотра орбитальной космической станции необходимо решить задачи минимальной массы и минимального потребления энергии. Так как по техническому заданию изначально известны массы чувствительных элементов (ЧЭ), то этого можно добиться оптимальным выбором чувствительных элементов, поэтому предлагается гиростабилизатор для стабилизации массы ЧЭ 5кг спроектировать на базе микромеханического гироскопа, а гиростабилизатор для стабилизации массы ЧЭ 10кг на базе волоконно-оптического гироскопа.

Гиростабилазторы должны удовлетворять следующим техническим характеристикам:

· угла прокачки, °±40;

· угловая скорость дрейфа, град/час1;

· частота колебаний объекта, Гц1;

· точность стабилизации, угл. мин3;

· линейная перегрузка, g1.

Спроектируем гиростабилизатор для космического робота «Декстер» (рис. 1), работающего на международной космической станции. Установим гиростабилизатор на конце его «руки». Декстер, или SPDM, созданный компанией Mac-Donald Dettwiler по заказу Канадского космического агентства, приступил к своим обязанностям еще в начале 2011 года. Этот робот предназначен для выполнения работ по обслуживанию МКС в открытом космосе. Он представляет собой корпус, оборудованный камерами и двумя руками-манипуляторами со множеством степеней свободы длиной по 3,35 м. Робот закрепляется на наружных элементах станции с помощью специальных захватов, а перемещает его по поверхности станции манипулятор Канадарм 2. С помощью этой механической руки робота можно доставить на любой модуль МКС, требующий обслуживания. «Декстер» представлен на рисунке 1.

Рисунок 1 - Космический робот Декстер

Вывод: было проанализировано техническое задание, приведены технические требования для ДСГС, и выбран робот на который предполагается установить гиростабилизатор.



2. Выбор и анализ чувствительных элементов

Для понимания работы чувствительных элементов гиростабилизаторов, необходимо рассмотреть их теорию, принципы работы. Также стоит обратить внимание на заводы производители гироскопов.

Для того, чтобы обеспечить стабилизацию платформы применяются двухосные гиростабилизаторы (ГС). На платформе двухосного гиростабилизатора устанавливаются два микромеханических (волоконно-оптических) гироскопа. Двухосный ГС можно рассматривать, как два одноосных ГС, каждый из которых стабилизируют платформу относительно одной из осей. Двухосный ГС имеет две степени свободы. Кинематическая схема показана на рисунке 2.

Рисунок 2 - Кинематическая схема двухосного ГС

В качестве чувствительных элементов на гиростабилизаторе можно использовать гироскопические приборы, такие как: датчик угловых скоростей, поплавковый интегрирующий гироскоп, динамически настраиваемый гироскоп, волоконно-оптический гироскоп, микромеханический гироскоп, вибрационные гироскопы и т.д. Остановимся на более перспективных: волокнно-оптический и микромеханический гироскопы, они обладают малой точность, но при этом имею малые габариты, массу и малое энергопотребление, что необходимо для космической робототехники.



2.1 Микромеханические гироскопы

Общим конструктивным признаком микромеханического гироскопа (ММГ) является использование в них различных по конфигурации двухстепенных упругих подвесов чувствительного элемента. Принцип работы ММГ - создание поступательного знакопеременного движения чувствительного элемента по одной оси и измерении перемещений по другой оси, возникающих под действием Кориолисовых сил или гироскопических моментов при наличии переносной угловой скорости корпуса [2].

Микромеханические гироскопы по виду движения инерционных масс разделяют на: LL-, RR-, RL-типа:

1) ММГ RR (rotate-rotate) типа - обе формы колебаний являются угловыми.

2) ММГ LL (linear-linear) типа - обе формы колебаний являются линейными.

3) ММГ RL (rotate- linear) типа - сочетание угловой и линейной формы колебаний ротора.

Рассмотрим по подробнее типы ММГ [2]:

· ММГ LL-типа (гироскопы с сосредоточенной массой)

Рассмотрим ММГ LL-типа по рисунку 3.

Инерционная масса 2 выполненная в виде рамочной структуры, имеет подвес относительно анкеров 5, связанных с подложкой, состоящий из упругих элементов 3 и 4 (по 4 шт.), каждая пара которых разделена жестким недеформируемым элементом 1. Инерционная масса способна перемещаться вдоль оси X со скоростью v с помощью электростатических приводов, неподвижные, гребенчатые структуры 8 которых связаны с подложкой, а подвижные электроды являются частью инерционной массы.



Рисунок 3 - Принцип работы микромеханического гироскопаLL-типа: 1 - жёсткий элемент подвеса; 2 - инерционная масса; 3 и 4 - упругие элементы подвеса; 5 - анкер; 6 и 7 - электроды емкостного измерителя перемещений в РЧ; 8 - неподвижные электроды электростатических приводов; 9 и 10 - емкостные измерители перемещений в РД с гребенчатыми структурами.

Для измерения перемещений ИМ 2 в режиме движения служит ёмкостный измерить 9, гребенчатая структура которого является частью ИМ 2, а две неподвижные структуры электродов 10 соединены с подложкой. Появление угловой скорости вокруг оси Z вызывает перемещение ИМ 2 вместе с элементами 1 под действием сил инерции Кориолиса вдоль оси Y (РЧ). Перемещения в РЧ измеряются двумя ёмкостными измерителями перемещений с двух сторон ИМ 2, которые стоят из неподвижных электродов 6, связанных с подложкой, и неподвижных 7, являющихся частью ИМ 2. Элементы 1 выполняют функцию усиления жесткости в местах соединения элементов 3 и 4. Такая конструкция ММГ обеспечивает снижение погрешности гироскопа от линейных ускорений, а также от ударов и линейных вибраций основания. Толщина механической структуры подвеса -- 6 мкм. Корпус ММГ не вакуумируется, поэтому, несмотря на невысокую жесткость подвеса из-за его малой толщины и относительно большой площади, устойчивость к воздействию ударов и вибраций в направлении, перпендикулярном плоскости подложки, обеспечивается воздушной «подушкой», возникающей в зазоре между подложкой и поверхностью ЧЭ [3].

Прибор размещается в керамическом корпусе размером 7 х 7 х 3 мм и имеет массу менее 1 г.

Достоинством этого ММГ является его высокая защищенность от линейных перегрузок, вибраций и ударов, обеспечиваемая воздушным демпфированием в подвесе и дифференциальными структурами подвеса и системы съема. Другое важное достоинство -- расположение сервисной электроники в интегральном исполнении на одной подложке с механической структурой в одном чипе, что существенно снижает уровень паразитных и шумовых сигналов в системе съема. В качестве достоинства ММГ следует также отметить отсутствие необходимости в обеспечении вакуума в корпусе гироскопа. Величина случайного дрейфа составляет ~ 0,3 град/с [2].

· Микромеханический гироскоп LR-типа:

Рисунок 4 - ММГ LR-типа

Конструкция изготовлена из монокристаллического кремния и представляет собой камертон, реализованный в виде двух инерционных масс 1, закреплённых с помощью упругих элементов 2 по внешней рамке. Рамка связана с основанием также через упругие элементы 4, обеспечивающие ей вращательное движение вокруг оси.

Электростатический двигатель, выполненный в виде «гребенчатой» структуры возбуждаются противофазные поступательные колебания масс. При наличии угловой скорости Щ, вектор которой совпадает с измерительной осью 2 вращения рамки, возникают Кориолисовы силы создающие переменный момент, приводящий к угловым колебаниям рамки вокруг оси с частотой, равной частоте двигателя. Амплитуда колебаний рамки является мерой измеряемой угловой скорости. Измерение колебаний рамки осуществляется с помощью емкостного датчика, электроды которого расположены на подложке под инерционными массами.

· ММГ RR-типа (гироскоп с карданным подвесом):

Ротор гироскопа (диск) при работе совершает первичные угловые колебания относительно оси первичных колебаний Z. При появлении угловой скорости относительно оси чувствительности Y возникает гармонический момент сил Кориолиса, вызывающий вторичные угловые колебания ротора ММГ относительно оси X (ось вторичных колебаний). Амплитуда вторичных колебаний пропорциональная действующей скорости.

Здесь реализован упругий карданный подвес. Чувствительного элемента. Вокруг оси внутренней рамки с помощью электростатического вибрационного двигателя создаётся кинетический момент. Съём колебаний осуществляется с помощью ёмкостного датчика, пара электродов которого расположена на под внешней рамкой [5]. Микромеханический гироскоп RR-типа представлен на рисунке 5.

Рисунок 5 - ММГ RR-типа: 1 - ротор; 2,5 - упругие элементы подвеса; 3 - анкер; 4 промежуточный (кинематический) элемент подвеса.

Микромеханические гироскопы на данный момент достигают точности от 10 до 100

Исторически первыми появились планарные, т.е. ММГ LL-типа. В отличие от роторных, данный вид гироскопов используется в основном в гражданской технике.

Все микромеханические гироскопы по своему принципу функционирования являются вибрационными. Вибрационные микромеханические гироскопы отличаются от других сложностью их функционирования. Информационный сигнал не формируется на выходе устройства без механического возбуждения инерционных масс. Для получения информационного сигнала, необходимо привести инерционные массы в колебательное линейное или угловое движение [2].

Инерционная масса может перемещаться по оси X со скоростью V благодаря электростатическим приводам (двигателям) - это неподвижные, гребенчатые структуры, связанные с подложкой, а подвижные электроды являются частью чувствительного элемента (ЧЭ) [5].

Электростатический двигатель относится к устройствам электромеханического преобразования энергии и является быстродействующим высокоэнергоемким емкостным электромеханическим преобразователем энергии, который изготавливается методами технологии микроэлектроники, и может быть использовано в устройствах, в которых необходимо создание больших механических сил за короткое время.

Для измерения перемещения чувствительного элемента используются ёмкостные датчики измерения их гребенчатые структуры тоже являются частью ЧЭ, а неподвижные структуры электродов соединены с подложкой.

Принцип работы микромеханического гироскопа рассмотрим по рисунку 3. Под действием электростатической силы происходит возбуждение ЧЭ по оси x (Режим движения). При наличии угловой скорости Щ вокруг оси Z возникает перемещение ЧЭ под действием сил инерции Кориолиса вдоль оси Y - режим чувствительности. В режиме чувствительности перемещения измеряются ёмкостными измерителями перемещений с двух сторон чувствительного элемента, которые состоят из неподвижных электродов, связанных с подложкой и подвижных, являющихся частью ЧЭ. Анкеры нужны для крепления конструкции на подложке [3].

Работы по созданию ММГ начались с 1990-х г. в ряде ведущих лабораторий и институтов зарубежных стран. В настоящее время несколько крупных зарубежных фирм серийно выпускают ММГ низкого класса точности, например, Analog Devices, Silicon Sensing, Honeywell, Bosch, Systron Donner, Murata и др.

Например, Микромеханический гироскоп ММГК, разработанный компанией «Лаборатория Микроприборов» совместно с НИУ МИЭТ отличается высокими характеристиками и надежностью. Датчики серии ММГК измеряют угловую скорость в диапазоне 100°/с и 10000°/с. Данный гироскоп показан на рисунке 7.

Его ключевой особенностью являются:

· Высокая надёжность и эксплуатационные характеристики;

· Уникальный технологии отечественной науки производства.

Рисунок 6 - Микромеханический гироскоп ММГК

В нём находится чувствительный элемент отечественного производства. Прибор успешно прошёл испытания при различных условиях, что позволяет использовать его в системах стабилизации, инерциальных навигационных систем, в измерительной оборудование для определения угловой скорости [10].

ММГ-Эптрон построен по типу вибрационного RR-гироскопа с внутренней торсионной подвеской, электростатическим возбуждением первичных колебаний, ёмкостным съёмом информации. По технологии «кремний на изоляторе». Рассматриваемый гироскоп представлен на рисунке 7.

Его особенности:

· Малые габаритные размеры;

· Малое время готовности;

· Низкое энергопотребление.

Рисунок 7 - ММГ-Эптрон

ММГ-Эптрон является совместной разработкой с фирмой TRONOC'SMicrosystemsSA (Франция). В настоящее время производство микромеханического гироскопа ММГ-Эптрон налажено в ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» (Россия, г. Санкт-Петербург).

2.1.1 Вывод уравнений движения микромеханического гироскопа

На рисуне 8 представлена принципиальная схема одномассового гироскопа, на рисунке 9 схема вибрационного гироскопа на основание которых будет производиться вывод уравнений движений [3].

Рисунок 8 - Принципиальная схема одномассовго ММГ: 1 - инерционная масса; 2 - жёсткие элементы подвеса; 3, 4 - упругие элементы подвеса; 5 - основание.

Рисунок 9 - Схема вибрационного гироскопа: 1 - чувствительный элемент; 2 и 3 - датчик колебаний; 4 и 5 - привод (возбудитель).

Основание вращается вокруг оси Z относительно инерциального пространства с угловой скоростью. Центр тяжести A массы чувствительного элемента 1 сместился в точку A₁ (рис. 11). Тогда проекции угловой скорости на оси x и y будут равны [5]:

,

Получим выражения кинетической энергии T, потенциальной П и диссипативной функции Ф:

,

(1)

,

где - коэффициенты демпфирования; - коэффициенты, характеризующие присоединения массы m к основанию.

Подставив выражения (1) в уравнения Лагранжа второго рода:

,

,

,

получим систему уравнений движения осциляторного вибрационного гироскопа:

(2)

,

где

- амплитуда и частота силы вдоль оси x от электромагнитного возбудителя 5 и 7.

Если, и, то и влиянием движения по координате y на движение по координате x можно пренебречь. Тогда уравнения (2) примут вид [3]:

.

.

для моделирования в относительных величинах запишем систему уравнений в виде:

(3)

(4)

Из уравнений (3) найдём выражения для x:

,

(5)

Подставим это выражение в (4), получим



,

(6)

Построим модель ММГ в программном обеспечение Visim.

Для составления модели выразим из уравнений движения (3) и (4) выразим старшую производную [3].

,

,

;

;

;

.

Подставим все значения в (6) и найдём , подставив полученные значения в (5) найдём силу:

,

Построим модель (рис. 10):



Рисунок 10 - Модель ММГ

Для использования данного сигнала в качестве чувствительного элемента гиростабилизатора необходимо преобразовать выходной сигнал, используя демодулятор с последующей фильтрацией (рис. 11).

Рисунок 11 - Модель ММГ с демодулятором и фильтром



Получим результаты моделирования:

Рисунок 12 - Смещения по координате x

Рисунок 13 - Смещения по y

Вывод: Из уравнений движения и результатов моделирования следует, что величина выходной угловой скорости пропорциональна амплитуде колебания чувствительного элемента.

2.2 Волоконно-оптический гироскоп

Волоконный оптический гироскоп (ВОГ) - оптико-электронный прибор, создание которого стало возможным лишь с развитием и совершенствованием элементной базы квантовой электроники. Прибор измеряет угловую скорость и углы поворота объекта, на котором он установлен. Принцип действия ВОГ основан на вихревом (вращательном) эффекте Саньяка. Принципиальная схема ВОГ показана на рисунке 14.

Рисунок 14 - Принципиальная схема ВОГ

Уникальные свойства ВОГ [7]:

· Высокая чувствительность (от 0,01 до 10);

· Малые габариты и масса конструкции, благодаря создания конструкции на интегральных оптических системах;

· Малая стоимость производства и конструирования;

· Относительная простота технологии;

· Малое потребление энергии;

· Большой динамический диапазон измеряемых угловых скоростей (одним прибором можно измерять скорость поворота от 1 град/ч до 300 град/с);

· Отсутствие вращающихся механических элементов и подшипников, что повышает надёжность и удешевляет производство;

· Мгновенная готовность к работе;

· Нечувствительность к большим линейным ускорениям, работа при больших перегрузках;

· Высокая помехоустойчивость.

Появление идеи и первых конструкций волоконного оптического гироскопа тесно связано с разработкой кольцевого лазерного гироскопа (КЛГ). В КЛГ чувствительным элементом является кольцевой самовозбуждающийся резонатор с активной газовой средой и отражающими зеркалами, в то время как в ВОГ пассивный многовитковый диэлектрический световодный контур возбуждается "внешним" источником светового излучения. Эти особенности определяют по крайней мере пять преимуществ ВОГ по сравнению с КЛГ [7]:

1) В ВОГ отсутствует синхронизация противоположно бегущих типов колебаний вблизи нулевого значения угловой скорости вращения, что позволяет измерять очень малые угловые скорости, без необходимости конструировать сложные в настройке устройства смещения нулевой точки;

2) Эффект Саньяка, на котором основан принцип работы прибора, проявляется на несколько порядков сильнее из-за малых потерь в оптическом волокне и большой длины волокна.

3) Конструкция ВОГ целиком выполняется в виде твердого тела (в перспективе полностью на интегральных оптических схемах), что облегчает эксплуатацию и повышает надежность по сравнению с КЛГ.

4) ВОГ измеряет скорость вращения, в то время как КЛГ фиксирует приращение скорости.

Эти свойства ВОГ, позволяющие создать простые высокоточные конструкции полностью на дешевых твердых интегральных оптических схемах при массовом производстве привлекают пристальное внимание разработчиков систем управления.

Принцип действия.

Принцип действия ВОГ основан на эффекте Саньяка. Сущность эффекта Саньяка заключается в следующем. Если в замкнутом оптическом контуре в противоположных направлениях распространяются два световых луча, то при неподвижном контуре фазовые набеги обоих лучей, прошедших весь контур будут одинаковыми. При вращении контура вокруг оси, нормальной к плоскости контура, фазовые набеги лучей неодинаковы, разность фаз лучей пропорциональна угловой скорости вращения контура.

Таким образом, измеряя разность фаз Саньяка, можно получить информацию об угловой скорости вращения объекта, на котором закреплен этот контур, а ее интегрированием - информацию о угле поворота. Эта информация используется затем для измерения угловой скорости или для управления движением и стабилизации положения объекта Кинематическая схема Саньяка приведена на рисунке 15.

От источника, которым обычно является полупроводниковый лазерный или суперлюминесцентный диод, подается на светоделитель и разделяется на два луча. Эти лучи распространяются в волоконном контуре в противоположных направлениях и, пройдя его, попадают снова на светоделительную пластинку, а затем на вход фотодетектора. Фотодетектор регистрирует результат интерференции встречных волн [3].

Рисунок 15 - Кинематическая схема вихревого эффекта Саньяка

Наиболее распространенный вариант ВОГ - многовитковая катушка оптического волокна. Достигнутые в лабораторных образцах точности ВОГ приближаются к точности КЛГ. ВОГ из-за простоты конструкции является одним из наиболее дешевых среднеточных гироскопов, и можно ожидать, что он вытеснит КЛГ в диапазоне точностей 10-2 град/ч и ниже.

Наиболее распространенный вариант ВОГ - многовитковая катушка оптического волокна. Достигнутые в лабораторных образцах точности ВОГ приближаются к точности КЛГ. ВОГ из-за простоты конструкции является одним из наиболее дешевых среднеточных гироскопов, и можно ожидать, что он вытеснит КЛГ в диапазоне точностей 10-2 град/ч и ниже [3].

Волоконно-оптические гироскопы отличаются от прежних отсутствием механических систем, что делает их пригодными не только в навигации, но и в других областях, например, для контроля движения бура при бурении нефтяных скважин. Кроме того, если увеличить диаметр кольца из оптического волокна, удлинить интервал интегрирования выходного сигнала, то можно повысить чувствительность, что позволит использовать гироскоп для прогноза погоды, измерения флюктуаций собственного вращения Земли.

2.2.1 Вывод уравнений волоконно-оптического гироскопа

Пусть коэффициент преломления на оптическом пути n=1. При радиусе оптического пути r, время достижения расщепителя лучей светом, движущимся по часовой стрелке, выражается как

,

,

с - скорость света.

Из формул разность времени распространения двух световых волн [7]

,

Это означает, что появляется разность длины оптических путей:

.

Или иначе говоря разность фаз

,



Где S - площадь, окаймленная оптическим путём; k - волновое число.

В настоящее время компанией ООО НПК «Оптолинк» налажено массовое производство высокоточных волоконно-оптических гироскопов (ВОГ). У компании имеется уникальная комбинация всех технологий, необходимых для производства ВОГ, что позволяет значительно снизить себестоимость приборов. Продукция компании пользуется успехом на мировом рынке - продажи охватывают более 30 стран мира.

Интерферометрические волоконно-оптические гироскопы (ВОГ) с замкнутым контуром обратной связи являются высокоточными датчиками угловой скорости объекта. Они сочетают в себе высокую надёжность, большой срок службы, превосходную точность и низкий уровень шума при низкой себестоимости в условиях массового производства. Принцип действия волоконно-оптических гироскопов основан на использовании эффекта Саньяка. Из каталога гироскопов компании «Оптолинк» был выбран ВОГ, подходящий под характеристики нашего гиростабилизатора, ниже приведены его технические характеристики.

· Диапазон измеряемой угловой скорости:	<500 град/сек*
· Случайная составляющая дрейфа нулевого сигнала при фиксированной температуре:	0.6 град/час
· Случайная составляющая дрейфа нулевого сигнала при изменении температуры от -40°C до 60°C:	1.5 град/час
· Погрешность масштабного коэффициента:	0.1%
· Полоса пропускания:	до 400 Гц
· Спектральная плотность мощности шума:	0.02 град/vч.
· Питание от источника постоянного напряжения:	5 В (+-0.25 В)
· Мощность, потребляемая прибором:	<5 Вт (в НУ не более 3 Вт)
· Масса прибора (нетто):	0.22 кг
· Габаритные размеры:	Ш70x28 мм
· Выходной сигнал:	RS-485

*-может быть расширен по выбору заказчика (с некоторым ухудшением точностных параметров)

Рисунок 16 - ОИУС-500

Габаритный чертёж прибора приведён в ПРИЛОЖЕНИЕ А.

Вывод по главе: была рассмотрена теория микромехенического и волоконно-оптического гироскопа, принцип их работы. Выведены уравнения движения гироскопов и получены динамические характеристики. Приведена продукция заводов-производителей гироскопов и их технические характеристики.



3. Математическая модель двухосного гиростабилизатора

Для оценки динамических характеристик и работоспособности двухосного гиростабилизатора необходимо получить его математическую модель.

3.1 Уравнение движения двухосного гиростабилизатора на волоконно-оптических гироскопах

Для оценки динамических характеристик и работоспособности двухосного гиростабилизатора необходимо получить его математическую модель.

Введём систему координат Oозж связанную с основанием, систему координат связанную с рамой, систему координат связанную с платформой [4].

Рисунок 17 - Системы координат, связанные с основанием, рамой и платформой: - угол поворота рамы стабилизатора относительно основания; -угол поворота платформы относительно рамы; - углы поворота гироблоков; - момент инерции рамы относительно оси; - момент инерции рамы относительно оси;

Проекции абсолютных скоростей рамы и платформы на связанные оси



;;

;;

;;

Запишем выражения для инерционных моментов относительно осей платформы в виде [4]:

,

,

,

Рисунок 18 - Моменты относительно осей платформы

Сумма моментов относительно оси платформы

,

,

Сумма моментов относительно оси рамы

,

,

Рисунок 19 - Моменты относительно оси рамы

Получим уравнения движения в виде системы:

(7)

,

Выведем уравнения движения двухосносного гиростабилизатора на неподвижном основании.

;(8)

;

,

подставим полученные выражения (8) в уравнения движения (7) и получим:

,

.

В качестве чувствительных элементов используются измерители скорости, поэтому момент стабилизации запишем в виде [4]:

;

;

Для реальных значений параметров двухосных ГС коэффициенты:

,

,

Изменяются очень незначительно и их можно считать постоянными [4].

Подставив и преобразовав получим:

(9)

.

Вывод по главе: выведены уравнения движения двухосного гироскопического стабилизатора на ВОГ.

3.2 Уравнения движения гиростабилизатора на микромеханических гироскопах

С помощью уравнений движения микромеханического гироскопа (3) и (4) рассчитанных в пункте 2.1.1 получим уравнения движения гиростабилизатора на микромеханических гироскопах.

Получим уравнения движения двухосного гиростабилизатора на ММГ:

(10)

,

уравнения движения ГС на ММГ похожи на уравнения движения ГС на ВОГ, но в цепи стабилизации координата б и скорость , заменяются на смещения x и y.

3.3 Передаточные функции канала гиростабилизатора на волоконно-оптических гироскопах

Передаточные функции - это способ математического описания динамической системы. Представляет собой дифференциальный оператор, выражающий связь между входом и выходом линейной стационарной системы. Зная входной сигнал системы и передаточную функцию, можно восстановить выходной сигнал.

Запишем уравнения (9), преобразовав их по Лапласу при нулевых начальных условиях

,

,

отсюда получим передаточные функции:

(11)

,



Структурная схема 1-го канала гиростабилизатора будет выглядеть так:

Рисунок 20

Из передаточной функции (10) определим статическую ошибку при

,

откуда получим коэффициент усиления цепи стабилизации

(12)

Вывод по главе: были выведены передаточные функции, построена структурная схема. В дальнейшей работе, с помощью передаточных функций получим параметры цепи стабилизации для обеспечения устойчивости.

3.4 Передаточные функции канала гиростабилизатора на микромеханических гироскопах

Запишем уравнения (3), (4) и (10), преобразовав их по Лапласу при нулевых начальных условиях:

.

.

.

.

Структурная гиростабилизатора на микромеханических гироскопах будет выглядеть так:

Рисунок 21



4. Определение возмущающих моментов по осям стабилизации

Основным возмущающим моментом ГС является трение в опорах (в подшипниках). Исследования показывают, что трение в подшипниках качения складывается в основном из трёх составляющих: трения шарика при качении его по кольцам; трения шарика о сепаратор; трения обусловленного наличием смазки в подшипнике. Чтобы снизить трение используют смазку. Уменьшение трения от наличия смазки можно объяснить тем, что с увеличением нагрузки работа сила трения увеличивается, вызывая повышение рабочей температуры подшипника, в результате чего понижается вязкость смазки и трение в подшипнике [6].

В программном обеспечение Compas 3D была построена 3D модель двухосного гиростабилизатора на базе микромеханического и волоконно-оптического гироскопов. Из программного обеспечения были получены значения массы гиростабилизатора и моменты инерции:

Для ДСГС на базе ММГ:

;

=A₁₁ = 0.075057 Н·м² = 7.5 Н·см²;

= A₁₂ = 0.068393 Н·м² = 6.8 Н·см²;

= 0.035690 Н·м² = 3.5 Н·cм².

Для ДСГС на базе ВОГ:

;

=A₂₁ = 0.119057 Н·м² = 11.9 Н·см²;

= A₂₂ = 0.11193 Н·м² = 11.1 Н·см²;

= 0.101690 Н·м² = 10.1 Н·cм².

Рассчитаем момент трения в подшипниках в гиростабилизаторе на базе микромеханического гироскопа. Для этого рассчитаем осевую нагрузку.

,



k = 1 - линейная перегрузка (заданная величина);

g = 9.84 - ускорение свободного падения;

m = 11кг - масса гиростабилизатора.

,

Теперь можем рассчитать момент трения подшипника по формуле [4]:

,

;

;

;

.

,

Аналогично рассчитаем момент трения в подшипниках для гиростабилизатора на базе волоконно-оптического гироскопа. Чувствительный элемент массой 10кг.

И получим следующие значения:

,

;

;

;

.

,

Исходя из полученных возмущающих моментов трения выберем двигатель стабилизации из каталога. Для правильно работы, необходимо чтобы максимальный синхронизирующий момент был больше момента трения.

Для обоих гиростабилизаторов выберем двигатель МД50-1 (рис. 20). Он удовлетворяет все необходимые требования с запасом для обоих гиростабилизаторов.

Рисунок 22 - Двигатель МД50-1

Технические характеристики:

Наименование характеристики	МД50-1
1. Напряжение питания постоянного тока.	9
2. Электромагнитна редукция - число пар полюсов.	32
3. Пусковой максимальный синхронизирующий момент Нм.	0,09/0,12
4. Сопротивление фазы, Ом, ±15%	1,7
5. Пусковой ток,А, не более	2
6. Номинальный момент, Нм	0,07
7. Частота вращения при линейном напряжении, В: - номинальная, об/мин: - холостого хода, об/мин:	5,1 140 600
8. Потребляемая мощность пусковая / максимальная, Вт:	10,2/40,8
9. Остаточный момент сопротивления при обесточенной обмотке, % к, не более	8
10. Пульсация момента, % к, не более	±4
11. Длительный перегрев обмоток при не более	45
12. Максимальная допустимая температура двигателя,	130
13. Тепловая постоянная, мин.	20
14. Электромагнитная постоянная, мс	1
15. Электромеханическая постоянная, мс	0,93
16. Тепловое сопротивление статора,	4,41
17. Коэффициент противо-ЭДС, В/об/мин	0,0085
18. Постоянная МД,	0,028
19. Коэффициент момента,	0,045
20. Коэффициент использования,	113,3
21. Масса, кг, не более, В том числе ротора	0,122 0,033

Вывод по главе: исходя из массы гиростабилизатора были рассчитаны моменты трения гиростабилизатора в опорах. По полученным данным был выбран двигатель стабилизации МД50-1.



5. Определение параметров стабилизации

Для определения параметров коэффициентов усиления воспользуемся передаточной функцией (10) для чего запишем её в виде:

,

обозначим,

,

Из выражения (11) получим:

,

(задано в техническом задание).

Коэффициент демпфирования двигателя получим из характеристик двигателя:

,

Чтобы определить параметры цепи стабилизации была построена 3D модель (приложение Б, Ж) в программе Compas 3D в которой были определены моменты инерции и масса гиростабилизатора.

J_x =A₁ = 0.075057(Н·м²) = 7.5(Н·см²);

J_y = A₂ = 0.068393(Н·м²) = 6.8(Н·см²);



J_z = 0.035690(Н·м²) = 3.5(Н·cм²);

m = 11 кг.

Из передаточных функций выразим формулу для расчёта коэффициента усиления:

,

- возмущающий момент (рассчитан в пункте 5);

- точность стабилизации (амплитуда колебания платформы).

,

Также выразим формулу для расчёта собственной частоты платформы:

.

Коэффициент выразим через коэффициент демпфирования d, примем, получим следующее

,

,

.

Аналогично найдём те же значения для второго канала:

,



.

Коэффициент демпфирования примем равный d = 0.6:

,

.

Аналогично найдём все необходимые параметры для моделирования ДСГС на основе волоконно-оптического гироскопа.

=A₂₁ = 0.119057 Н·м² = 11.9 Н·см²;

= A₂₂ = 0.11193 Н·м² = 11.1 Н·см²;

= 0.101690 Н·м² = 10.1 Н·cм²;

m = 19 кг.

,

- возмущающий момент (рассчитан в пункте 5);

- точность стабилизации (амплитуда колебания платформы).

,

Также выразим формулу для расчёта собственной частоты платформы:

.

Коэффициент выразим через коэффициент демпфирования d, примем, получим следующее

,

,

.

Аналогично найдём те же значения для второго канала:

,

,

Коэффициент демпфирования примем равный d = 0.6:

,

,

Вывод по главе: в параграфе были рассчитаны параметры усиления ДСГС, собственная частота. В дальнейшем, с помощью этих параметров получим динамические характеристики в Visim.



6. Моделирование динамики гиростабилизатора

Чтобы оценить работы двухосного гиростабилизатора необходимо получить его динамические характеристики.

6.1 Моделирование динамики гиростабилизатора в режиме стабилизации на базе волоконно-оптического гироскопа

Используем уравнения движения (9) для построения модели

,

,

Выразим из уравнений старшую производную

,

,

Для построения модели ДСГС воспользуемся визуальным языком программирования Visim.



Рисунок 23 - Модель двухосного гиростабилизатора на базе ВОГ

Результаты моделирования двухосного гиростабилизатора на базе волоконно-оптических гироскопов представлены на рисунках 24 и 25.

Рисунок 24 - Переходная характеристика по углу

Коэффициент перерегулирования: ,



Рисунок 25 - Переходная характеристика по углу

Коэффициент перерегулирования:

,

Вывод: перерегулирование по = 12.5% и по, время переходного процесса.

6.2 Режим управления гиростабилизатором на волоконно-оптических гироскопах

Структурная схема управления имеет вид:

Рисунок 26: - скорость управления, а - коэффициент в режиме управления.

В режиме управления цепь стабилизации по координате б отключается.

Модель имеет вид (рис. 27):



Рисунок 27 - Модель ГС в режиме управления

Получим характеристики:

Рисунок 28 - переходная характеристика по углу

Из характеристики видно, что гиростабилизатор за 1 сек отклоняется примерно на 5є. Уменьшение скорости поворота происходит из-за наличия возмущающего момента.

Рисунок 29 - характеристика по скорости w



Видно, что изначально задана скорость , затем за счёт возмущающего момента скорость уменьшается.

6.3 Моделирование динамики гиростабилизатора в режиме стабилизации на базе микромеханического гироскопа

Используя модель микромахенического гироскопа (рис. 12) построим модель канала двухосного гиростабилизатора на микромеханических гироскопах (рис. 30).

Рисунок 30 - Модель канала двухосного ГС на ММГ.

Результат моделирования канала двухосного гиростабилизатора:



Рисунок 31 - Переходная характеристика по углу

.

Вывод: перерегулирование по = 16%, время переходного процесса.

6.4 Режим управления гиростабилизатором на микромеханических гироскопах

В режиме управления цепь стабилизации по y отключается

Полученная модель, представлена на рисунке 32.

Рисунок 32 - Модель двухосного ГС в режиме управления

Результат моделирования:

Рисунок 33 - переходная характеристика по углу

Из характеристики видно, что гиростабилизатор за 1 сек поворачивается примерно на 5є. Уменьшение угла поворота происходит из-за наличия возмущающего момента.



Рисунок 34 - характеристика по скорости w

Видно, что изначально задана скорость , затем из-за возмущающего момента скорость уменьшается. Также, наблюдаются колебания с высокой частотой. Это происходит из-за вибрации микромеханического гироскопа.

Вывод по главе: были получены динамические характеристики двухосного ГС на базе ММГ и ВОГ. Также, построена модель управления двухосного ГС.

Заключение

В дипломной работе были разработаны два двухосных гиростабилизатора для космического робота:

· гиростабилизатор на базе волоконно-оптических гироскопов с массой платформы 10 кг,

· на базе микромеханических гироскопов с массой платформы 5 кг.

Рассмотрены: теория гироскопических приборов, их точности, характеристики и заводы производители; выведены уравнения движения и приведены гироскопические характеристики.

Сделан расчёт возмущающих моментов гиростабилизатора, а именно момент трения в опорах, по полученным значениям из каталога были подобраны подшипники и двигатели МД50-1.

Выведены уравнения движения гиростабилизаторов и передаточные функции из них выведены параметры для моделирования гиростабилизаторов. Для обоих гиростабилизаторов построена модель в программном обеспечении VisSim и получены переходные характеристики. Также, построены модели гиростабилизаторов в режиме управления.

Разработаны две 3D модели, два сборочных и 5 рабочих чертежей.



Библиографический список

1. Пельпор, Д. С. Гироскопические системы ориентации и стабилизации. Справочное пособие / Д. С. Пельпор. - М: «Машиностроение», 1982. - 165с.

2. Копысов, О.Э. Микромеханические гироскопы и акселерометры / О.Э. Копысов. - М: «Машиностроение», 2012. - 15с.

3. Лысов, А.Н. Прикладная теория гироскопов / А. Н. Лысов, Н. Т. Виниченко, А. А. Лысова. - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2009. - 250 с.

4. Лысов, А.Н. Теория гироскопических стабилизаторов / А. Н. Лысов, А.А. Лысова. - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2009. - 115с.

5. Солодовников, В.В. Устройства и элементы систем автоматического регулирования и управления. Техническая кибернетика. Книга 1 / В. В. Солодовников. - М: «Машиностроение», 1973. - 671с.

6. Тищенко, О. Ф. Элементы приборных устройств / О. Ф. Тищенко. - М: «Высшая школа», 1982. - 181с.

7. Матвеева, Л. А. Реферат по теме: «Волоконно-оптические гироскопы»: студент / Л.А. Матвеева. - М., 1996. - 23с.

8. ЗАО «ЧИП и ДИП» Микромеханический гироскоп ММГК/ ЗАО «ЧИП и ДИП» // https://www.chipdip.ru/news/mmgk-gyroscope.



Приложения

Приложение А



Приложение Б

Приложение В



Приложение Г



Приложение Д

Приложение Е

Приложение Ж



Приложение З



Приложение И

Приложение К



Приложение Л

Размещено на Allbest.ru

...