РАЗДЕЛ 2
ИНЕРЦИАЛЬНЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ В ТЕХНИКЕ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ
Инерциальные измерительные системы нашли широкое применение в современных видах
транспорта [43]. Они отличаются как по принципу действия, так и по
конструктивному исполнению и предназначены для измерения кинематических
параметров движения ? фазового состояния объекта. Использование существующих
инерциальных измерительных систем к потребностям железнодорожного транспорта
составляет новое техническое направление, актуальность которого возрастает по
мере увеличения скорости подвижного состава. Реализация этого технического
направления в железнодорожном транспорте, как представляется, не может
встретить принципиальных затруднений, так как подготовлена богатой предысторией
развития инерциальных измерительных систем применительно к ракетоносителям,
баллистическим ракетам, космическим летательным аппаратам, космическим
транспортным кораблям, подводным и надводным судам, крылатым ракетам, самолетам
различного назначения. Для этих видов транспорта инерциальные измерительные
системы служат решению задач навигации, управления, стабилизации [4, 15, 35,
36, 44, 46]. Очевидно, что теоретические основы, функциональные элементы
разработанных инерциальных измерительных систем могут быть использованы для
решения задач безопасности, динамической прочности, комфортности движения
железнодорожных экипажей на высокоскоростных магистралях [3, 12, 14, 39, 49,
85, 110, 117].
Инерциальные измерительные системы
Задача инерциальной измерительной системы заключается в определении фазового
состояния объекта, т.е. параметров, характеризующих положение полюса и
ориентацию базовых направлений в пространстве, линейную и угловую скорость и
ускорение. Инерциальная измерительная система включает в себя комплекс
технических средств, необходимых для контроля фазового состояния объекта. [4,
8, 15, 46, 98, 118]. В общем случае для полного измерения фазового состояния
объекта инерциальная измерительная система строится на основе блока элементов,
состоящих из трех линейных акселерометров и трех угловых акселерометров, оси
которых образуют первый и второй ортогональные базовые триэдры. Помимо блока
инерциальных элементов, измерительно-обрабатывающий комплекс включает в себя
счетно-решающее устройство и блок выработки моментов компенсации.
Принципиальная схема инерциальной измерительной системы представлена в
Приложении А.1. на рис. 1.1. Здесь, основным узлом системы является блок
чувствительных элементов, представляющий собой жесткую конструкцию с шестью
инерциальными элементами: тремя угловыми акселерометрами (например,
гироскопические датчики угловой скорости) и тремя линейными акселерометрами,
главные оси которых попарно совпадают и образуют ортогональный триэдр.
Акселерометры размещаются на платформе в трехстепенном подвесе по осям которого
устанавливаются датчики углов и датчики моментов для выработки моментов
компенсации возмущений (Приложение А.1. рис. 1.2). В соответствии с заданным
алгоритмом ЭВМ преобразует измеряемую акселерометрами информацию в искомые
кинематические параметры движения. Требования, предъявляемые к техническим
средствам измерительно-обрабатывающего комплекса, включают характеристики
быстродействия, времени безотказной работы, ограничения на габарит, вес и т.д.
[98]. В связи с этим, применяемые в настоящее время и разрабатываемые
инерциальные измерительные системы отличаются между собой как разнообразием
физических принципов и методов измерения, так и технических средств их
реализации.
Наряду с гиростабилизированными рассматриваются бесплатформенные или
бескарданные инерциальные измерительные системы. Здесь оси базовых триэдров
линейных и угловых акселерометров совмещены между собой и жестко связываются
непосредственно с осями корпуса объекта. Это позволяет исключить из системы
сложный механических подвес со многими степенями свободы, уменьшить вес и
габариты, повысить надежность и обеспечивает удобство размещения чувствительных
элементов на объекте. Вместе с тем алгоритм преобразования исходной информации
акселерометров усложняется и увеличивается объем вычислений на ЭВМ.
В качестве чувствительных элементов используются высокоточные акселерометры и
гироскопы, действие которых основано на различных физических и конструктивных
принципах, использующих инерцию и способные обнаруживать кинематические
параметры углового и линейного пространственного движения. Используются
физические эффекты лазера и ядерных частиц, электромагнитных и электрических
полей, электронных и ионных потоков, элементов криогенной и СВЧ-техники,
силочувствительных свойств p-n переходов, закономерности пневматики и
гидравлики, а также вибрацию и д.р. Электромеханические акселерометры
традиционного использования в настоящее время совершенствуются конструктивно и
за счет технологии изготовления.
2.2. Предыстория инерциальных измерительных систем
Впервые пространственная инерциальная измерительная система, состоящая из трех
двухстепенных гироскопов ? гиротахометров и трех акселерометров, расположенных
на борту самолета Р-5, была эффективно использована в 1934 году В.С. Ведровым,
Н.А. Пилюгиным и их коллегами из ЦАГИ для анализа динамики самолета при решении
проблемы выхода из «штопора». В этой работе приводится наиболее полное решение
задачи пространственной инерциальной навигации применительно к актуальной
технической проблеме «штопора» самолета на основе дифференциальных уравнений
Эйлера?Пуассона и системы уравнений Ньютона [43]. По измеренным и записанным по
времени трем составляющим угловой
- Київ+380960830922