Исследование динамики чувствительных элементов опорного направления Восток-Запад с осциллирующей по вертикали места массой тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ
|
Гладышев, Юрий Германович
АВТОР
|
||||
|
кандидата технических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Томск
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
2006
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.02.06
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
На правах рукописи
ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ОПОРНОГО НАПРАВЛЕНИЯ ВОСТОК-ЗАПАД С ОСЦИЛЛИРУЮЩЕЙ ПО ВЕРТИКАЛИ МЕСТА
МАССОЙ
Специальность: 01.02.06. - «Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры»
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Томск-2006
Работа выполнена в Томском политехническом университете
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор Дмитриев B.C.
Официальные оппоненты:
Доктор технических наук, профессор JI.T. Дворников
Кандидат технических наук, доцент A.B. Рудаченко
Ведущая организация: Томский государственный университет
диссертационного совета Д 212. 269.01 при Томском политехническом университете по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30, корпус 4.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского политехнического университета по адресу: г. Томск, ул. Белинского, 53
Защита состоится
часов на заседании
Автореферат разослан « !? » иоЯ$>рЗ_2006 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
кандидат технических наук,
доцент
Т. Г. Костюченко
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы Ориентирование человека, подвижных и неподвижных объектов в наземных и подземных условиях, на водной поверхности и в подводной среде, несмотря на достигнутые успехи в области навигации, продолжает оставаться технической проблемой. Особенно это касается объектов, для функционирования которых необходимы автономные навигационные устройства. Кроме того, при возникновении чрезвычайных ситуаций существующие средства инструментального ориентирования: магнитные, индукционные, гироскопические и радиокомпасы не всегда могут в полной мере обеспечить получение достоверной информации об опорных направлениях пространства в реальном режиме времени. Поэтому создание автономных навигационных устройств на базе чувствительных элементов, способных надежно работать без ограничений по месту и времени базирования, не чувствительных к помехам естественного и техногенного происхождения, продолжает оставаться актуальной задачей.
Цель работы и основные задачи диссертационной работы
Целью работы является исследование динамики чувствительных элементов опорного направления Восток—Запад с осциллирующей вдоль вертикали места массой, принцип функционирования которых построен на волновом гравитационно-инерциальном механизме ориентирования, действующем в живой природе.
Цель достигается решением следующих задач:
1. Разработка и техническая реализация чувствительных элементов опорного направления Восток-Запад с осциллирующей вдоль вертикали места массой.
2. Исследование динамики разработанных чувствительных элементов опорного направления.
3. Оптимизация динамических характеристик чувствительных элементов по критерию максимальной амплитуды колебаний инерционного тела в плоскости Восток-Запад.
4. Разработка бесконтактных методов съёма информации о колебаниях инерционного тела в направлении Восток—Запад.
5. Компьютерное моделирование динамических процессов в чувствительном элементе.
6. Физическое моделирование чувствительных элементов опорного направления Восток—Запад для подтверждения теоретических положений.
7. Оценка точности исследованных чувствительных элементов.
Научная новизна работы
1. Теоретическое и экспериментальное подтверждение возможности реализации в технических устройствах ориентирования механизма волновой
гравитационно-инерциальной ориентации биологических объектов.
2. Исследование динамики чувствительных элементов опорного направления Восток-Запад с осциллирующей вдоль вертикали места массой.
3. Определение природы погрешностей созданных чувствительных элементов.
4. Разработка методов устранения погрешностей либо существенного уменьшения их величины.
Достоверность полученных в диссертации результатов и обоснованность научных положений подтверждается:
— физическим макетированием чувствительных элементов;
— результатами компьютерного моделирования.
Практическая ценность и реализация результатов диссертационной работы:
— получена зависимость нарастания амплитуды отклонения, осциллирующего вдоль вертикали места инерционного тела в плоскости Восток-Запад и определены области параметрического резонанса для чувствительного элемента с неподвижной точкой упругого подвеса;
— определены условия и области отрыва инерционного тела от колеблющейся вдоль вертикали места горизонтальной площадки в чувствительном элементе на основе свободнопадающего инерционного тела;
— разработан и опробован способ центрирования инерционного тела в чувствительных элементах жидкостного типа за счет использования свойств поверхностного натяжения жидкости;
— проведен сравнительный анализ чувствительных элементов четырех типов с точки зрения максимальной точности выявления направления Восток-Запад;
— создано четыре типа чувствительных элементов для устройств ориентирования, построенных на базе осциллирующего вдоль вертикали места инерционного тела, отклоняющегося в плоскости Восток-Запад под действием силы Кориолиса. Все типы чувствительных элементов защищены патентами РФ;
— разработана методика расчета и выбора чувствительных элементов по критерию достижения максимальной амплитуды смещения в плоскости Восток-Запад;
— получены и технически реализованы рекомендации по подбору параметров системы «жидкость-инерционное тело» на основе компьютерного моделирования переходных процессов жидкостных чувствительных элементов баллистического типа;
— разработаны и технически реализованы бесконтактные оптико-электронные методы съема информации о положении инерционного тела чувствительного элемента.
На защиту выносятся следующие основные положения:
— результаты теоретических исследований динамики чувствительных элементов с осциллирующей вдоль вертикали места массой;
— схемы построения чувствительных элементов, позволяющие выделить максимальную амплитуду движения инерционного тела точно в направлении Восток-Запад;
— результаты математического моделирования переходных процессов в жидкостном чувствительном элементе баллистического типа;
— результаты физического моделирования чувствительных элементов трех типов.
Апробация работы Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: III Корейско-Российском международном симпозиуме по науке и технологии, Новосибирск, 1999 г., V Корейско-Российском международном симпозиуме по науке и технологии, Томск, 2001г., российской научно технической конференции «Новейшие технологии в приборостроении», Томск, 1999 г., XVI научно-технической конференции ФГУП «НПЦ «Полюс» Российского авиационно-космического агенства «Электронные и электромеханические системы и устройства», Томск, 2000 г., международном технологическом конгрессе «Современные технологии при создании продукции военного и гражданского назначения», Омск, 2001г., международных научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии», Томск 1999 г. (2001г., 2004 г.), V Всероссийской научно-практической конференции, посвященной памяти Генерального конструктора ракетно-космических систем академика М.Ф. Решетнева, Красноярск, 2001г.
Публикации Основные научные положения и результаты диссертации опубликованы в 15 печатных работах, в числе которых четыре патента РФ.
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на 137 страницах машинописного текста, содержит 47 рисунков и фотографий, семь таблиц. Список литературы содержит 53 наименования на пяти страницах.
Содержание работы
Во введении обоснована актуальность вопросов, рассмотренных в диссертационной работе.
Первая глава — постановочная, в ней произведен анализ существующих устройств инструментального автономного ориентирования (магнитный и гироскопический компасы, их комбинации и радионавигационные устройства), и присущих им погрешностей. Рассмотрены ограничения при применении существующих навигационных
устройств. Для магнитных компасов это зоны техногенных магнитных и электромагнитных полей (высоковольтные линии, тоннели, подземные коммуникации, и т.д.), приполярные районы (ошибка может достигать до 45°). Причиной этого являются: локальное искажение естественного магнитного поля Земли и реакция магнитной стрелки на окружающие ферромагнитные вещества, а для гироскопического компаса нарастание погрешности во времени (дрейф). Комбинации гиро- и магнитного компасов присущи в той или иной мере недостатки обоих устройств. Радионавигационные устройства ограничено или полностью не работоспособны под землей, под водой, особенно под ледяным покровом. Наличие радиопомех и препятствий распространению радиоволн (радиопрозрачность среды, наличие радиотени) создают серьёзные препятствия функционированию таких устройств. Радионавигационные устройства и системы не являются автономными. В этой связи интерес представляет принцип ориентации биологических объектов. Он позволяет создать устройство ориентирования свободное от перечисленных недостатков. Принципиальные изменения в существующие представления о пространственной ориентации животных внесла работа Г.А.Швецова «Гравитационно-инерциальный механизм ориентации у птиц и других позвоночных животных», опубликованная в 1991 году в Докладах Академии наук СССР. На основе инженерного подхода к полету птиц, а также проведенным аналитическим и биологическим исследованиям, им выявлен волновой гравитационно-инерциальный механизм ориентирования у птиц и животных. В результате исследований, выполненных Г.А. Швецовым, сформировалось понятие принципа работы биологического гравитационно-инерциального компаса (биоГИК). Он содержит совокупность чувствительных элементов, способных улавливать переносное ускорение, возникающее вследствие наличия вертикальных возвратно-поступательных перемещений центра масс биологического объекта и суточного вращения Земли. Центральной нервной системой этих объектов (на основе анализа величины и направления этого ускорения) с высокой точностью определяется направление Восток—Запад в реальном времени. Биологический навигационный прибор на основе такого механизма ориентирования автономен. Он не подвержен никаким известным на сегодняшний день науке видам помех и также не имеет погрешности от дрейфа.
Также проведен обзор существующих чувствительных элементов с осциллирующими массами, сформулированы цели и задачи исследования приведены типы исследуемых чувствительных элементов.
Во второй главе
а) проведено исследование возможности построения чувствительного элемента определения опорного направления Восток-Запад на основе
выявления смещения от действия Кориолисовой силы на
свободнодвижущееся вдоль вертикали места инерционное тело;
б) рассмотрены различные схемы построения чувствительных элементов механического типа. Исследована их динамика и определена природа погрешности измерения чувствительных элементов, построенных по различным схемам.
Первоначально формулировались физические основы построения чувствительного элемента с осциллирующей вдоль вертикали места массой. Было установлено, что величина смещения осциллирующего вдоль вертикали места инерционного тела в направлении Восток-Запад под действием силы Кориолиса ничтожно мала и в реальных конструкциях чувствительных элементов не превышает долей мкм. Поэтому исследование динамики чувствительных элементов были направлены на разработку методов получения максимально возможной величины смещения. Исследование динамики проводилось для чувствительного элемента в виде маятника с подвижной точкой подвеса. Было показано, что при реализации такой схемы не удастся достичь больших величин смещения инерционного тела под действием силы Кориолиса в направлении Восток—Запад, что следует из выражения
^ = +2тО,р-
--рт
\ Р
соя Л. (!)
Значительно увеличить силу Кориолиса, действующую на осциллирующее вдоль вертикали места инерционное тело, позволяет изменение упругости подвеса инерционного тела и достижения в системе параметрического резонанса. Предложенная схема чувствительного элемента с неподвижной точкой упругого подвеса, защищена патентом РФ № 2174217. Закон нарастания смещения инерционного тела в направлении Восток—Запад, определяется
<Р.=Р,е 1 '-1- (2)
Из выражения (2) следует, что нарастание амплитуды зависит исключительно от параметров самой колебательной системы, в частности, от жесткости упругого элемента подвеса. Нарастание происходит достаточно быстро и за 3...4 периода колебаний достигает большой величины. Определены области параметрического резонанса, причем схема с неподвижной точкой упругого подвеса имеет бесконечное множество областей параметрического резонанса в отличие от схемы чувствительного элемента с подвижной точкой упругого подвеса.
-052ц
0.5 Z, D
(р ЧЬеличенце игла итклотения ИТ от Вертикали мегта
2
Вынцжаенные колебания ИТ Моль Вертикали места
a
б
Рисунок 1. Маятниковый чувствительный элемент на упругом подвесе (а); нарастания амплитуды колебаний инерционного тела (б).
Принципом построения чувствительного элемента является то, что вектор силы Кориолиса, действующий на осциллирующее вдоль вертикали места инерционное тело всегда совпадает с направлением Восток-Запад. Реализация этого принципа путем создания различных схем чувствительных элементов неизбежно связана с возникновением погрешности, обусловленной конкретной схемой чувствительного элемента и её техническим исполнением (схемотехническая погрешность). Величина схемотехнической погрешности в чувствительных элементах «маятникового» типа определяется выражением
Согласно (3) движение инерционного тела по параллели (Восток-Запад)
происходит по закону cos pt, а по меридиану (Север-Юг) —-sinpt.
Результирующее движение инерционного тела в горизонтальной плоскости будет иметь вид сильно вытянутого по параллели эллипса, его большая ось, проходящая через точки фазового перехода, является линией опорного направления Восток—Запад. Этот эллипс будет медленно вращаться вокруг вертикали места.
Для улучшения характеристик «маятникового» чувствительного элемента с неподвижной точкой упругого подвеса была предложена другая схема построения чувствительного элемента. Известно, что при свободном падении инерционного тела оно всегда под действием силы Кориолиса отклоняется в Восточном направлении. Поэтому на данном принципе возможно создать устройство, позволяющее выявить опорное направление Восток-Запад. Проблему при его создании представляет то, что свободное падение инерционного тела должно происходить с высоты несколько метров. Только в этом случае смещения инерционного тела в Восточном направлении достигает величины, достаточной для его фиксирования системой съёма информации.
(3)
а
р
Ддя создания чувствительного элемента в приемлемых габаритах автором был предложен алгоритм его функционирования. Суть его в замене однократного падения с достаточно большой высоты на многократно повторяющийся цикл: падение инерционного тела с малой высоты, его подъём вертикально вверх из точки касания горизонтальной плоскости, падение инерционного тела с малой высоты из новой точки, смещенной относительно первоначальной в Восточном направлении. На чувстшпельиый элемент, построенный на данном принципе (рисунок 2), получен патент РФ № 2217698.
Вертикаль песта
Рисунок 2. Кинематическая схема чувствительного элемента на основе свободнопадающего инерционного тела
Для успешной реализации такого алгоритма были определены условия, при которых происходит отрыв инерционного тела от колеблющейся вдоль вертикали места горизонтальной площадки:
тах = тВр2 eos у sin pt - mg sin q> + fmpNmp ± Fmp eos (p mav = mBp2 sin y sin pt - mg eos <p + N±F[. sin <p
Решая систему уравнений (4), получаем условия, определяющие состояния инерционного тела:
Bu" sin у
-± 2mgí23 sin pt cos Ásin<p<l, (5)
gcosq>
R 2
P Sm ^ + 2mgí23 sin pt cos Л sin cp = 1, (6)
g cos <p
3p~ sm у „ _ , .
—-+ 2mgí23 sin pt cos Xsincp> 1.
gcoscp
Выражение (5) определяет условия, при которых инерционное тело будет совершать колебания вместе с площадкой без отрыва от неё.
Выражение (6) определяет условия, при которых инерционное тело
будет двигаться по криволинейной траектории в плоскости площадки без отрыва от неё.
Выражение (7), являясь общим случаем, определяет условия, при которых инерционное тело отрывается от площадки, зависает и свободно падает под действием силы тяжести.
На рисунке 3 представлены в графическом виде области движения инерционного тела при различных условиях.
Исследование динамики чувствительного элемента такого типа показало, что при движении инерционного тела вдоль вертикали места вниз, оно отклоняется к Востоку, под действием силы Кориолиса
хс=-2ё—{^1-е^П3созЯ,. (8)
Данное выражение описывает движение по дуге большого круга постоянного радиуса, центр которого, совмещен с центром Земли. В этом случае на инерционное тело действует сила Кориолиса, направленная в северном полушарии вправо по ходу движения. Под действием этой силы инерционное тело одновременно с движением в восточном направлении будет отклоняться к Югу, что приведет к появлению погрешности выявления опорного направления Восток-Запад
Ус = солЯяшЯ . (9)
Графическое решение выражений (8) и (9) с привлечением программы МаШСАО приведено на рисунке 4.
Из вышеизложенного следует, что свободнопадающее инерционное тело отклоняется не строго в направлении Восток-Запад, а в Юго-Восточном направлении. Наличие смещения к Югу вносит погрешность чувствительного элемента, построенного на данном принципе. Хотя смещение к Югу на три порядка меньше смещения к Востоку оно может быть определено и учтено исходя из требований к точности определения направления Восток-Запад.
р. Гц
90--
дд.. \ - 7 Область отрыВа
7д.. \ инерционного тела
¿д.. \ от диВрируюшеи
50-4£Н" 302010-
площадки
& , —_
¡<1 ОЗлость колебании инерционного тела Опесте с площадкой д ш Н—I—I—I—I—I—I—I—I—ь '
о 123156789 10
Рисунок 3. Область отрыва инерционного тела от вибрирующей площадки
Рисунок 4. Траектории движения свободнопадающего инерционного тела и его проекция на плоскость горизонта
Дальнейший анализ сил, действующих на свободнопадающее инерционное тело, показал, что наибольшее смещение будет при движении инерционного тела в вакууме. Сила Кориолиса при этом возрастает на два порядка (с 3,24х. 10~7 Н до 8,4х10~5 Н ), но её абсолютная величина всё равно мала. В данной схеме имеет место схемотехническая проблема — «отскок» инерционного тела от вибрирующей площадки. Больший эффект, как бы это ни казалось на первый взгляд не логично, может дать падение инерционного тела в сопротивляющейся среде. Поскольку за счет выдавливания её (среды) из под инерционного тела, происходит воздушное демпфирование, рисунок 5.
к!
ВыйайлиВание Воздуха.
Инелцшннае тепп
и
ВыдайлиВание Воздуха X
Рисунок 5. Схема действия сил на падающее инерционное тело
В данном случае возникает планирующий эффект, за счет которого смещение увеличивается. При исследовании созданного макета величину смещения в направлении Восток-Запад удалось увеличить до 0,47 мкм за один цикл, т.е. в 293 раза, по сравнению с движением инерционного тела в вакууме. При этом скорость касания площадки телом резко снижается, «отскок» исчезает.
В третьей главе исследованы чувствительные элементы жидкостного типа, а также проведен сравнительный анализ вновь разработанных чувствительных элементов.
При анализе навигационных способностей животных Г.А.Швецовым установлено, что в их бионавигационном механизме оттолиты взвешены в жидкости-эндолимфе. Эндолимфа несёт несколько важных функций в формировании первичных электрических импульсов: поддерживающей среды, изоляции, демпфирования и т.д. Поэтому при поиске оптимальной конструкции чувствительного элемента и исследовании его динамики работа
велась в направлении создания чувствительного элемента, в котором используются уникальные свойства жидкости: текучесть (малое
сопротивление деформации сдвига, определяемое величиной внутреннего трения), способность жидкости создавать телу плавучесть (при определенном соотношении параметров жидкости и погруженного в неё тела). Сочетание этих двух свойств в поле сил тяготения обеспечивает помещенному в жидкость инерционному телу определенной конфигурации жидкостной подвес, удерживающий его во взвешенном состоянии за счет плавучести, а также способность располагаться и
перемещаться вдоль вертикали места (с одного уровня на другой за счет изменения плавучести), возвращаясь после вынужденных отклонений в первоначальное положение. На чувствительный элемент, построенный на данном принципе (рисунок 6) получен патент РФ № 2183820.
Колебания инерционного тела вдоль вертикали места обеспечиваются за счет изменения давления воздуха над жидкостью. Центрирование инерционного тела обеспечивается за счет сил поверхностного натяжения жидкости. Съем информации о положении инерционного тела оптический.
Проведенный анализ действующих на инерционное тело в жидкости сил, исследование динамики системы «жидкость-инерционное тело» и проведенные эксперименты показали возможность создания работоспособного чувствительного элемента для определения направления Восток—Запад. Однако резко увеличить скорость перемещения инерционного
места
Рисунок 6. Кинематическая схема чувствительного элемента с инерционным телом полупогруженным в жидкость
тела вдоль вертикали места в чувствительном элементе поплавкового типа не представляется возможным из-за большого сопротивления среды.
Поэтому с целью более надежного выявления направления Восток-Запад был предложен чувствительный элемент с баллистическими свойствами (рисунок 7).
Принцип действия такого чувствительного элемента заключается в том, что жидкость не поступает непосредственно в инерционное тело, а перемещается по трубке малого по отношению к инерционному телу сечения. При этом скорость движения жидкости может достигать больших величин, не оказывая влияние на остойчивость инерционного тела. После окончания действия импульса силы начинается поворот инерционного тела на угол <р в сторону действующей при движении жидкости силы Кориолиса. Достигнув отклонения на величину угла <р за счет «маятниковости», инерционное тело вернется к исходному положению и, совершив несколько затухающих колебаний, снова установится вдоль вертикали места. На чувствительный элемент, построенный на данном принципе, получен патент РФ № 2234062.
Структурная схема чувствительного элемента баллистического типа представлена на рисунке 8.
"г 1 Мв 2 Ф 3 и
ЖиЗкость 6 трубке ПоЗбижная часть чубстЬительнога элемента Датчик измерения угла ф
Рисунок 8. Структурная схема баллистического чувствительного элемента
Входным сигналом является скорость жидкости в трубке инерционного тела и2, порождающая силу Кориолиса Рк., а выходным сигналом — напряжение V датчика. Мй вращающий момент, действующий на подвижную часть инерционного тела.
При малых углах <р , какими и являются повороты инерционного тела, передаточная функция звена 1 будет равна
схема баллистического чувствительного элемента
М,
— = 2т...£2Л„ со$ Я .
ж
(10)
Звено 2 (подвижная система) преобразует вращающий момент в угол
М„ {р) Т^р3 + & + кдр + сж (7; +;) ■
Тр + 1
(П)
Передаточная функция звена 3 определяется как
(12)
Общая передаточная функция баллистического чувствительного элемента в соответствии со структурной схемой и выражений (10), (11), (12) определяется как
Важным свойством чувствительных элементов баллистического типа является возможность определения опорного направления Восток—Запад за один-два периода колебаний инерционного тела после его «баллистического заброса», вызванного движением жидкости по трубке инерционного тела. Затем необходимо вернуть инерционное тело в исходное состояние, после чего возобновится процесс определения опорного направления Восток—Запад. При этом происходит «обнуление» накопившейся погрешности измерения. Важным фактором повышающим точность измерения является возможность выполнять за короткий промежуток времени большое количество циклов измерения с последующей статистической обработкой результатов.
Сравнительный анализ схем рассмотренных чувствительных элементов приведен в таблице.
Наиболее перспективными на данном этапе исследований схемами построения чувствительного элемента для дальнейшей разработки являются жидкостные схемы. В них процесс выявления опорного направления Восток-Запад сведен к однократному циклу измерения, погрешность отсутствует, если измерения проводить только в точках фазового перехода, смещение в направлении Восток—Запад достигает значительной величины.
1¥{р) =
_ Ц(р) _ тжП310Бп (Тр +1) соз Я о, Т^р3 +^+{Ко+ ТдСж )р+Сж
(13)
Первое наибольшее отклонение (рта. (баллистический заброс)
(14)
Таблица
Тип Траектория движения инерционного тела Пофешность выявления опорного направления Восток-Запад Возможность технической реализации без схемотехнической погрешности
I , ЗопоЗ 1 Восток Имеется постоянный дрейф линии 1-2 Возможно при периодическом арретировании инерционного тела
II ? ^ Г Запей Восток Имеется постоянный дрейф линии 1-2 Возможно при периодическом арретировании инерционного тела
III ЗопаЗ Восток Имеется Невозможно
IV ЗопаЗ ' Восток Отсутствует по линии 1-2 Возможно при выявлении положения большой оси эллипса по точкам 1-2
V 2 Запой —^-чУвосток Отсутствует по линии 1-2 Возможно при выявлении положения большой оси эллипса по точкам 1-2
В таблице приняты следующие обозначения:
I — маятник с подвижной точкой упругого подвеса (схема Г.А. Швецова);
II — маятник с неподвижной точкой упругого подвеса;
III- на основе свободнопадающего инерционного тела;
IV- жидкостный поплавковый;
V- жидкостный баллистического типа.
F^ ,FÜ -силы Кориолиса, действующие на инерционное тело в направлении Восток—Запад и Север-Юг соответственно; 1,2- точки фазового перехода.
В схеме чувствительного элемента на основе свободнопадающего инерционного тела процесс выявления опорного направления Восток-Запад
сведен к однократному акту падения инерционного тела вдоль вертикали места с последующим повторением процесса и постоянным нарастанием смещения в восточном направлении. Оптимизация аэродинамической формы инерционного тела позволяет увеличить величину однократного смещения. Однако каждый цикл сопровождается наличием схемотехнической погрешности.
Маятниковые чувствительные элементы не имеют перечисленных преимуществ, хотя на их базе также возможно создать работоспособное устройство для ориентирования.
Выбор конкретной схемы построения чувствительного элемента определяется исходя из задач навигации, решаемых гравитационно-инерциальным компасом.
В четвертой главе приведены результаты физического и математического моделирования созданных чувствительных элементов. Дано описание разработанных автором оптико-электронных методов съема информации о положении инерционного тела: теневого двухкоординатного (канального) и непосредственного измерения (матричного).
Проведено физическое моделирование различных схем чувствительных элементов. Макетирование чувствительных элементов типов IV и V проводилось с целью проверки работоспособности и получения повторяемости результатов. Проверка точности определения направления Восток-Запад проводилась для макетов схем типов И и III. Общий вид макетов их отдельных узлов, а также схем измерения положения инерционного тела представлен на рисунках 9.. 14. Среднеквадратичная погрешность определения направления Восток-Запад составила для чувствительного элемента тип II ±26,6', а для чувствительного элемента тип III ±14,7'
Рисунок 9. Общий вид макета чувствительного элемента с неподвижной точкой упругого подвеса (тип II)
Рисунок 10. Блок инерционного тела чувствительного элемента тип II со снятым кожухом на стенде
Рисунок 11. Схема непосредственного измерения положения инерционного тела
Рисунок 12. Блок инерционного тела с системой съема информации чувствительного элемента тип III
Рисунок 13. Оптико-электронный теневой двух координатный метод измерения положения инерционного тела
Помимо физического моделирования проводилось и математическое моделирование процесса затухания колебаний в чувствительном элементе баллистического типа. Один из графиков процесса затухания колебаний в
жидкости для значений ¡5 = 0,1; р = 790 Щ-; Сж =0,52-10'5 Кг М; приведен
м с
на рисунке 15.
I к»'
' (Й г 1
9" (рад)
♦ СО
30 40 50 оО
Рисунок 14. Элементы осциллятора для исследования чувствительного элемента на основе свободнопадающего инерционного тела
Рисунок 15. Процесс затухания колебаний в жидкостном чувствительном элементе баллистического типа
В заключении обобщаются результаты проведенных аналитических и экспериментальных исследований.
1. Впервые в области приборов азимутального ориентирования технически реализован чувствительный элемент на принципе биологического механизма пространственной ориентации, действующего в живой природе.
2. При осциллировании инерционного тела вдоль вертикали места за счет переносного движения (суточное вращение Земли) на инерционное тело действует сила Кориолиса. Вектор силы Кориолиса при скорости инерционного тела отличной от нулевой всегда расположен на линии Восток-Запад (линия опорного направления или линии первого вертикала).
3. За один период осцилляции инерционного тела вдоль вертикали места проекция его траектории на плоскость горизонта имеет вид сильно вытянутого эллипса, большая ось которого (проходящая через точки фазового перехода) является линией опорного направления Восток-Запад.
4. Выявленное свойство осциллирующего вдоль вертикали места инерционного тела перемещаться постоянно (без ограничения по времени и широте места) в направлении Восток-Запад является основой для создания гравитационно-инерциального компаса.
5. Результаты теоретических исследований динамики осциллирующего вдоль вертикали места инерционного тела подтверждаются экспериментальными исследованиями.
6. На основе вышеизложенных теоретических положений созданы макеты четырех типов чувствительных элементов.
Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:
1. Д.Н. Фролов, А.Р. Свендровский, А.А. Гольцеймер, Ю.Г. Гладышев. Опыт разработки устройства бесконтактного измерения диаметра кабельных изделий // Электротехника. - 1991. — №3- С.26-28.
2. Патент № 2174217 РФ. МПК GO 1N 17/00. Устройство для ориентирования (его варианты) / Г.Н. Гладышев, Ю.Г. Гладышев, B.C. Дмитриев. Заявлено 27.09.2000; Опубл. 27.09.2001, Бюл. №27. - 4 е.: ил.
3. Патент № 2183820 РФ. МПК7 G01N 17/00. Устройство для ориентирования / Г.Н. Гладышев, B.C. Дмитриев, Ю.Г. Гладышев, Г.А. Швецов. Заявлено 20.03.2001; Опубл. 20.06.2002, Бюл. № 17. - 3 е.: ил.
4. Патент № 2217698 РФ. МПК7 G01N 17/00. Устройство для ориентирования / Г.Н. Гладышев, B.C. Дмитриев, Ю.Г. Гладышев. Заявлено 01.07.2002; Опубл. 27.11.2003, Бюл. №33. - 5 е.: 2 ил.
5. Патент № 2234062 РФ. MTIK7G01N 17/00. Устройство для ориентирования / Г.Н. Гладышев, B.C. Дмитриев, Ю.Г. Гладышев, Г.А. Швецов. Заявлено 17.02.2003; Опубл. 10.08.2004, Бюл. №22. - 4 е.: ил.
6. Gladyshev G.N., Dmitriev V.S., Gladyshev J.G. GRAVITATION-INERTIAL COMPASS SENSITIVE ELEMENT MOVEMENT DYNAMICS RESEARCH. The Third Russian-Korean International Symposium on Science and Technology. June 22-25, 1999, Novosibirsk Russia. Vol.1, pp. 338-342.
7. Dmitriev V.S., Gladyshev G.N., Gladyshev J.G. Floated Sensitive Element For Gravitylnertial Compass // The 5th Korea-Russia International Symposium Science and Technology.June 26-Jule 3, 2001, Tomsk, Russia,Vol. 1, pp. 25-26.
8. Г.Н. Гладышев, Ю.Г. Гладышев, B.C. Дмитриев, А.И. Лоскутников, Г.А. Швецов. Проблемы инженерной реализации гравитационно-инерциального компаса // Новейшие технологии в приборостроении: Труды Российской научно-практической конференции. 4.1. - Томск, 1999.-С. 19-20.
9. Ю.Г. Гладышев, А.Р. Свендровский. Серия измерителей диаметра «Цикада» для круглых протяженных изделий // Новейшие технологии в приборостроении: Труды Российской научно-практической конференции. 4.2. - Томск, 1999. - С.72-75.
10. Ю.Г. Гладышев. Оптический метод съёма информации с чувствительного элемента гравитационно- инерциального компаса // Современные техника и технологии: Труды V областной научно-практической конференции молодых учёных. - Томск, 1999. — С.118-119.
11. Ю.Г. Гладышев. Жидкостный чувствительный элемент для определения направления Восток-Запад // Современные техника и технологии: Труды X международной научно-практической конференции молодых ученых. - Томск, 2004. - С.79-80.
12. Г.Н. Гладышев, Ю.Г. Гладышев, B.C. Дмитриев, А.И. Лоскутников. Динамика чувствительного элемента гравитационно- инерциального компаса // Электронные и электротехнические системы и устройства / Сборник научных трудов НПЦ «Полюс». - Томск: МГП «РАСКО» при издательстве «Радио и связь». 2001г. - С.360-366.
13. B.C. Дмитриев, Г.Н. Гладышев, Ю.Г. Гладышев. Гравитационно-инерциальный компас на основе биологического механизма ориентирования новый тип гироскопического компаса // Сборник докладов технологического конгресса «Современные технологии при создании продукции военного и гражданского назначения». 4.2. — Омск, 2001. - С. 140-143.
14. B.C. Дмитриев, Г.Н. Гладышев, Ю.Г. Гладышев. Измерение углов отклонения космического аппарата на основе волнового принципа ориентирования // Решетневские чтения: Тезисы докладов V Всероссийской научной конференции. — Красноярск, 2001.— С. 144-145.
15. В. С. Дмитриев, Ю.Г. Гладышев. Чувствительные элементы опорного направления Восток-Запад с осциллирующей вдоль вертикали места массой для гравитационно-инерциального компаса // Известия Томского политехнического университета. — 2006. —Т. 309. — №4.— С. 140-144.
Тираж 100 экз. «Штемпельная мастерская» г. Томск, ул. Советская 47
ВВЕДЕНИЕ.
СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ, ПРИНЯТЫХ В ТЕКСТЕ.
Глава 1 АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ УСТРОЙСТВ ОРИЕНТИРОВАНИЯ.
1.1 Чувствительные элементы устройств инструментального ориентирования.
1.2 Принципы ориентации и навигации биологических объектов.
Новые подходы к совершенствованию чувствительных элементов.
1.3 Обзор существующих чувствительных элементов с осциллирующими массами.
1.4 Цель и задачи исследования.
Выводы.
Глава 2 МЕХАНИЧЕСКИЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ОПОРНОГО НАПРАВЛЕНИЯ.
2.1 Чувствительные элементы на основе свободно движущегося вдоль вертикали места инерционного тела.
2.1.1 Физические основы построения чувствительного элемента.
2.1.2 Структурная схема чувствительного элемента.
2.2 Чувствительный элемент с подвижной точкой подвеса инерционного тела. Анализ динамических характеристик.
2.3 Чувствительный элемент с неподвижной точкой упругого подвеса инерционного тела.
2.3.1 Кинематическая схема, принцип действия.
2.3.2 Исследование динамики.
2.3.3 Оценка наличия и величины погрешности.
2.4 Чувствительный элемент на основе свободно падающего инерционного тела.
2.4.1 Уравнение движения свободно движущегося вдоль вертикали места инерционного тела.
2.4.2 Исследование динамики. Условия и область отрыва.
2.4.3 Оптимизация динамических характеристик.
2.4.4 Кинематическая схема и принцип действия.
Выводы.
Глава 3 ЖИДКОСТНЫЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ОПОРНОГО НАПРАВЛЕНИЯ. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ.
3.1 Поплавковый чувствительный элемент.
3.2 Поплавковый чувствительный элемент баллистического типа.
3.2.1 Динамические (переходные) характеристики.
3.2.2 Оптимизация динамических характеристик.
3.2.3 Конструктивная схема.
3.3 Сравнительный анализ чувствительных элементов различных типов.
Выводы.
Глава 4 ФИЗИЧЕСКОЕ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ.
4.1 Осцилляторы вертикальных колебаний инерционного тела.
4.2 Методы съема информации с чувствительных элементов.
4.3 Физическое моделирование чувствительного элемента типа II.
4.4 Физическое моделирование чувствительного элемента типа III.
4.5 Анализ результатов физического моделирования чувствительных элементов.
4.6 Математическое моделирование чувствительных элементов типа V.
Выводы.
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ
Ориентирование человека, подвижных и неподвижных объектов в наземных и подземных условиях, на водной поверхности, в воздушной и подводных средах остаётся жизненной необходимостью индустриального общества. Постоянное развитие науки и техники требует совершенствования инструментальных средств ориентирования для успешного решения как существующих, так и вновь возникающих проблем. Особенно это касается объектов, для функционирования которых необходимы автономные навигационные устройства. Кроме того, в условиях чрезвычайных ситуаций (зоны мощных магнитных и электромагнитных полей, очаги природных и техногенных катастроф и т. д.) существующие средства ориентирования: магнитные, индукционные, гироскопические и радио компасы не могут в полной мере обеспечить получение достоверной информации об опорных направлениях пространства в реальном режиме времени. В связи с этим создание автономных навигационных устройств на базе чувствительных элементов, способных надежно работать без ограничений по месту базирования, не чувствительных к помехам естественного и техногенного происхождения, продолжает оставаться неотложной потребностью.
Работа Г.А. Швецова по изучению ориентирования в пространстве птиц и насекомых внесла принципиальные изменения в существующие представления о средствах пространственной ориентации в животном мире.
На основе инженерного подхода к полету птиц и насекомых, проведенным аналитическим и биологическим исследованиям им был выявлен волновой гравитационно-инерциальный механизм взаимодействия волнообразного передвижения животных с глобальными динамическими характеристиками самоорганизованного околоземного пространства: гравитационным полем и скоростью вращения Земли, обладающими высокой стабильностью.
Поэтому создание и изучение динамики чувствительных элементов на принципе волновой гравитационно-инерциальной ориентации является актуальной задачей науки и техники.
ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ является исследование динамики чувствительных элементов опорного направления Восток-Запад с осциллирующей вдоль вертикали места массой, принцип функционирования которых построен на волновом гравитационно-инерциальном механизме ориентирования, действующем в живой природе.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА диссертационной работы заключается в:
1. Теоретическом и экспериментальном подтверждении возможности реализации в технических устройствах ориентирования механизма волновой гравитационно-инерциальной ориентации биологических объектов.
2. Исследовании динамики чувствительных элементов опорного направления Восток-Запад с осциллирующей вдоль вертикали места массой.
3. Определении природы погрешностей созданных чувствительных элементов.
4. Разработке методов устранения погрешностей либо существенного уменьшения их величины.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ
- получена зависимость нарастания амплитуды отклонения осциллирующего вдоль вертикали места инерционного тела в плоскости Восток-Запад и определены области параметрического резонанса для чувствительного элемента с неподвижной точкой упругого подвеса;
- определены условия и области отрыва инерционного тела от колеблющейся вдоль вертикали места горизонтальной площадки в чувствительном элементе на основе свободнопадающего инерционного тела; разработан и опробован способ центрирования инерционного тела в чувствительных элементах жидкостного типа за счет использования свойств поверхностного натяжения жидкости;
- проведен сравнительный анализ чувствительных элементов четырех типов с точки зрения максимальной точности выявления направления Восток-Запад;
- создано четыре типа чувствительных элементов для устройств ориентирования, построенных на базе осциллирующего вдоль вертикали места инерционного тела, отклоняющегося в плоскости Восток-Запад под действием силы Кориолиса. Все типы чувствительных элементов защищены патентами РФ;
- разработана методика расчета и выбора чувствительных элементов по критерию достижения максимальной амплитуды смещения в плоскости Восток-Запад;
- получены и технически реализованы рекомендации по подбору параметров системы «жидкость-инерционное тело» на основе компьютерного моделирования переходных процессов жидкостных чувствительных элементов баллистического типа;
- разработаны и технически реализованы бесконтактные оптико-электронные методы съема информации о положении инерционного тела чувствительного элемента.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
- Третьем Корейско-Российском международном симпозиуме по науке и технологии, Новосибирск, 1999г.;
- Пятом Корейско-Российском международном симпозиуме по науке и технологии, Томск, 2001г.;
- Российской научно технической конференции «Новейшие технологии в приборостроении», Томск, 1999г.;
- XVI научно-технической конференции ФГУП НПЦ «Полюс» Российского авиационно-космического агентства «Электронные и электромеханические системы и устройства», Томск, 2000г.;
- Международном технологическом конгрессе «Современные технологии при создании продукции военного и гражданского назначения», Омск, 2001г.;
-Международных научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии», Томск 1999 г., 2001г., 2004г.;
- V Всероссийской научно-практической конференции, посвященной памяти Генерального конструктора ракетно-космических систем академика М.Ф.Решетнева, Красноярск, 2001г.
ПУБЛИКАЦИИ
Основные научные положения и результаты диссертации опубликованы в 15 работах, в числе которых 4 патента РФ.
НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ:
- результаты теоретических исследований динамики чувствительных элементов с осциллирующей вдоль вертикали места массой;
- схемы построения чувствительных элементов, позволяющие выделить максимальную амплитуду движения инерционного тела точно в направлении Восток-Запад;
- результаты физического моделирования чувствительных элементов трех типов;
- результаты математического моделирования переходных процессов в жидкостном чувствительном элементе баллистического типа.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В первой главе проанализированы устройства инструментального автономного ориентирования. Рассмотрены ограничения при применении существующих навигационных устройств. Рассмотрены принципы ориентации биологических объектов и открытый Швецовым Г.А. механизм волновой гравитационной ориентации. На его основе предложены новые подходы к решению задач ориентирования объектов. Проведен обзор чувствительных элементов с осциллирующими массами, сформулированы цели и задачи исследования, приведены схемы исследуемых чувствительных элементов.
Во второй главе рассмотрены физические основы построения чувствительного элемента опорного направления с осциллирующей вдоль вертикали места массой, его структурная схема. Исследованы динамические характеристики трех типов механических чувствительных элементов: с подвижной точкой подвеса, с неподвижной точкой упругого подвеса, на основе свободнопадающего тела. Выявлены погрешности определения опорного направления Восток-Запад каждым из представленных чувствительных элементов и предложены методы устранения или существенного уменьшения погрешностей.
В третьей главе исследованы динамические характеристики двух типов чувствительных элементов с осциллирующей вдоль вертикали места массой жидкостного типа: поплавкового и баллистического. Выявлены погрешности определения опорного направления Восток-Запад каждого из созданных чувствительных элементов и предложены методы устранения или существенного уменьшения этих погрешностей. Проведен сравнительный анализ всех рассмотренных типов чувствительных элементов.
В четвертой главе изложены практические вопросы создания чувствительных элементов с осциллирующей вдоль вертикали места массой. Дано описание разработанных автором оптико-электронных методов съема информации о положении инерционного тела: теневого двухкоординатного (канального) измерения и непосредственного измерения (матричного). Приведены результаты физического (проверка точности определения направления Восток-Запад) и математического (процесса затухания колебаний в чувствительном элементе баллистического типа) моделирования созданных чувствительных элементов.
В заключении обобщаются результаты проведенных исследований.
СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ, ПРИНЯТЫХ В ТЕКСТЕ
А - работа, совершаемая внешней силой для подъема на определенную высоту (подъем жидкости по трубке в баллистической схеме);
Ап, Вп - постоянные интегрирования в чувствительном элементе баллистического типа (определяются из начальных условий); ак - Кориолисово ускорение; ах,а2 - проекции ускорения свободнопадающего тела на соответствующие оси; В - амплитуда внешней силы; b - коэффициент, характеризующий свободнопадающее инерционное тело; Сж - коэффициент жесткости упругих элементов для механических систем («гравитационной пружины» в жидкостных схемах);
С - коэффициент сопротивления среды, зависящий от формы инерционного тела; D - коэффициент относительного затухания; cl - декремент затухания (диаметр трубки в баллистической жидкостной схеме); Е - энергия колебания инерционного тела; F - Архимедова (выталкивающая) сила;
Fac - аэродинамическая сила;
FH - выталкивающая сила для схемы свободнопадающего инерционного тела; Fx - сила гидродинамического сопротивления при движении инерционного тела в жидкости;
FK - сила Кориолиса (общий случай);
F", F'K - силы Кориолиса, действующие на инерционное тело при его движении вдоль вертикали места и в горизонтальной плоскости соответственно; Fu - сила притяжения магнита;
F(. -сила сопротивления среды, в которой движется инерционное тело;
FT = mg - сила тяжести;
Fn, - сила внутреннего трения жидкости;
Fm - сила поверхностного натяжения жидкости; - частота вращения жужжальца насекомого; g - гравитационная постоянная;
Н - двойная амплитуда колебаний площадки и высота, с которой падает инерционное тело для схемы свободно падающего инерционного тела. Высота подъема (опускания) инерционного тела в поплавковой схеме. Высота подъема (опускания) жидкости в трубке инерционного элемента в баллистической жидкостной схеме; Нп - высота трубки в баллистической жидкостной схеме; Ht,H2,H3- высота подъема жидкости в трубке инерционного элемента в баллистической жидкостной схеме при различных давлениях; h- коэффициент демпфирования;
J - момент инерции подвижной части инерционного элемента; к - коэффициент жесткости подвеса; ко - коэффициент демпфирования в чувствительном элементе баллистического жидкостного типа; ки - параметр модуляции. Коэффициент удлинения упругого подвеса; кт - отношение п-то периода затухающих колебаний к начальному; / - плечо действия силы Кориолиса относительно опоры в чувствительном элементе баллистического жидкостного типа;
1п, - длина границы (периметр) поверхностного слоя жидкости; 10 - длина подвеса инерционного тела на упругом элементе. Для инерционного элемента баллистического жидкостного типа расстояние от центра масс до центра поворота; ЛI - относительное удлинение упругого элемента подвеса;
М - возмущающий момент, отклоняющий подвижную систему от положения равновесия;
Мв,Мпг, Mv -моменты, действующие на подвижную часть инерционного элемента баллистического жидкостного типа: вращающий, противодействующий, успокоения соответственно; ш-масса инерционного элемента; тж - масса движущейся по трубке жидкости в баллистической жидкостной схеме; N.IV -нормальная реакция, действующая перпендикулярно плоскости основания (давление); п- количество периодов колебаний; Р - давление;
Рв - давление воздуха в кольцевом зазоре между инерционным телом и горизонтальной площадкой;
Р,,Р2- давление в объеме над жидкостью в жидкостных схемах; р - частота внешней силы; Q - добротность системы;
R - радиус инерционного тела в схеме свободнопадающего тела и баллистической жидкостной схеме;
S - площадь поперечной, относительно вертикали места, проекции инерционного тела трубки в баллистической жидкостной схеме);
Scv - площадь смоченной поверхности инерционного тела;
Sn - чувствительность датчика в баллистической жидкостной схеме;
Т - период вынужденных колебаний инерционного тела, совершаемых вдоль вертикали места;
Т0 - постоянная времени демпфирования в чувствительном элементе баллистического жидкостного типа;
Тп - собственный период колебаний инерционного элемента при его постоянной длине («маятниковый» период); V - объем инерционного тела;
Vn,Vl,V2 - объем инерционного тела с трубкой при различных давлениях в баллистической жидкостной схеме; и - скорость инерционного тела (линейная); их ,uy,vz- скорость инерционного тела относительно соответствующей оси координат; х, - амплитуда отклонения инерционного тела в жидкости в первый период его баллистического заброса; хс,ус - величина смещения свободнопадающего инерционного тела в направлении
Восток-Запад (Север -Юг) под действием силы Кориолиса; уд - величина дрейфа инерционного элемента относительно направления Восток
Запад;
Zu - амплитуда вынужденных колебаний вдоль вертикали места; ZK - амплитуда колебаний инерционного тела;
Zn4, Zm. - мгновенное значение амплитуды колебаний площадки и высота падения инерционного тела соответственно; Zn. - статическое смещение;
Р - коэффициент, определяющий динамические характеристики в чувствительном элементе баллистического жидкостного типа; у - угол между горизонтальной плоскостью и линией возбуждения колебаний инерционного тела;
8В - сдвиг фаз вынужденных колебаний; 5СТ - статическое удлинение подвеса; б - показатель затухания;
С, - угол отклонения магнитной системы от меридиана;
7 - коэффициент внутреннего трения между слоями жидкости; 9 - угол, характеризующий величину поверхностного натяжения; Я - широта места; i - коэффициент пропорциональности между силой сопротивления Fc и скоростью движения инерционного тела о; v - скорость инерционного тела (угловая); р - плотность среды, в которой движется инерционное тело; а - коэффициент поверхностного натяжения; т - время действия силы Кориолиса в чувствительном элементе баллистического жидкостного типа; & - коэффициент затухания; р - угол отклонения инерционного элемента от вертикали места относительно точки подвеса;
Q - угловая скорость нарастания ошибки определения направления Восток- Запад;
Qi -угловая скорость вращения Земли; со - резонансная частота собственных колебаний; со{) - частота собственных колебаний; й)2 - угловая скорость поворота туловища насекомого по курсу. СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ, ПРИНЯТЫХ В ТЕКСТЕ ВМ - вертикаль места;
ГИК - гравитационно-инерциальный компас;
ИТ - инерционное тело;
ЦЦ - центр давления;
ЦМ - центр масс;
ЧЭ - чувствительный элемент.
Выводы
Проведенное математическое и физическое моделирование показало:
1. Принципиальную возможность создания чувствительных элементов с осциллирующей вдоль вертикали места массой для определения опорного направления Восток-Запад.
2. Правильность и достоверность проведенных теоретических исследований (главы 2 и 3).
3. Необходимость проведения дальнейших теоретических исследований и практических разработок с целью устранения погрешности определения опорного направления Восток-Запад, повышение достоверности и надежности его определения.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проведенные теоретические исследования динамики чувствительных элементов опорного направления Запад-Восток с осциллирующей вдоль вертикали места массой и их физическое и математическое моделирование показали:
1. Впервые в области создания приборов азимутального ориентирования технически реализованы чувствительные элементы на принципе биологического механизма пространственной ориентации, действующего в живой природе.
2. При осциллировании инерционного тела вдоль вертикали места за счет переносного движения (суточное вращение Земли) на инерционное тело действует сила Кориолиса. Вектор силы Кориолиса при наличии скорости инерционного тела вдоль вертикали места отличной от нулевой всегда расположен на линии Восток-Запад (линия опорного направления или линии 1-го вертикала).
3. За один период осцилляции инерционного тела вдоль вертикали места проекция его траектории на плоскость горизонта имеет вид сильно вытянутого эллипса, большая ось которого (проходящая через точки фазового перехода) является линией опорного направления Восток-Запад.
4. Выявленное свойство осциллирующего вдоль вертикали места инерционного тела перемещаться (без ограничения по времени и широте места) в направлении Восток-Запад является технической основой для создания чувствительного элемента гравитационно-инерциального компаса.
5. Результаты теоретических исследований динамики осциллирующего вдоль вертикали места инерционного тела подтверждаются экспериментальными исследованиями.
6. На основе вышеизложенных теоретических положений созданы макеты четырех типов чувствительных элементов.
1. Лесков М.М., Баранов Ю.К., Гаврюк М.И. Навигация.- М.: Транспорт, 1986.-С. 29-40, 78-86, 174-176.
2. Платонов А.В., Апрелев С.В. Синяев Д.Н. Советские боевые корабли. Вооружение.- Санкт- Петербург: «Цитадель», 1997.- С. 7-8.
3. Магнус К. Гироскоп. Теория его применения. М.: Мир, 1974. - С. 422-444.
4. Кудревич Б.Н. Теория гироскопических приборов. Л.: Судостроение, 1965.-Т.2.-С. 18-29, 57-58.
5. Александров И. Космическая радионавигационная система НАВСТАР // Зарубежное военное обозрение. 1995. -№5 -С. 52-63.
6. Заколодяжный В., Пантелеев В. Радионавигационные средства определения места и тенденции их развития // Морской сборник. -1995. №6 - С. 66-69.
7. Лобойко Б., Бублик С. Влияние ионосферных возмущений на космические навигационные определения // Морской сборник. 1997. - №8 - С. 16-19.
8. Левченко И.А. Передача информации о координатах источника корма у пчелы медоносной. Киев: « Наукова думка», 1976. - С. 11-51.
9. Швецов Г.А. Гравитационно инерциальный механизм ориентирования у птиц и других позвоночных животных // Доклады Академии Наук.- 1991.-Т.319.-№2,- С. 508-511.
10. Швецов Г.А. Гравитационно инерциальный механизм определения опорного направления в плоскости горизонта у пчёл и других насекомых // Доклады Академии Наук.- 1993.- Т. 328- №6.- С. 750-752.
11. Швецов Г.А., Еськов К.А., Гладышев Г.Н., Дмитриев B.C., Гравитационно инерциальное ориентирование.-Томск: Изд-во ТПУ, 2004.- Ч.1.- 177с.
12. Павлов В.А. Гироскопический эффект, его проявления.- JI.: Судостроение, 1978.-С. 175-176.14. «Эталонприбор» 454080 Челябинск, а/я 8121 ул. С.Кривой 79. Каталог фирмы.- С. 66-68.
13. Ривкин С.С., Береза А.Д. Гироскопическая стабилизация морских гравиметров.- М.: Наука, 1985.- С. 11-28.
14. Брозгуль Л.И., Смирнов E.JI. История механики гироскопических систем // Вибрационные гироскопы.- М.: Наука, 1975.- С. 43-60.
15. Брозгуль Л.И. Динамические настраиваемые гироскопы: Модели погрешностей для систем навигации.- М.: Машиностроение, 1989.- С. 5.
16. Павловский М.А., Збруцкий А.В. Динамика роторных вибрационных гироскопов.- Киев: «Вища школа», 1984.- С. 6-13.
17. Арнольд Р.Н., Мандер JI. Гиродинамика и её техническое применение.-М.: Машиностроение, 1964.- 364с.
18. Брозгуль Л.И. Вибрационные гироскопы.- М.: Машиностроение, 1970.-С. 174.
19. Бразгуль Л.И. Вибрационные гироскопы (обзор) // Вопросы ракетной техники.- М.: Мир, 1967,- №5 (149)- С. 81-94.
20. Klass P.J. Vibrating- beam rate sensor tested // Aviat Week.- 1970- №12- p. 92.
21. Гейтс В.Д. Вибрационный датчик угловой скорости // Электроника.-1968.-№12-С. 41-47.
22. А.с. 1675671 СССР, МКИ5 G01 С1/00. Способ ориентирования / Г.А. Швецов (СССР); Заявлено 31.03.89; Опубл. 07.09.91.- Бюл. №33.
23. Копытов В.И., Нестеренко Т.Г., Плотникова И.В. Быстродействующий миниатюрный компас / Приборы и системы ориентации, стабилизации и навигации: Сборник докладов научно-технической конференции
24. М.: МГТУ им Н.Э. Баумана, 1998.- С. 142-144.
25. Патент №2174217 РФ. МПК7 G01N 17/00. Устройство для ориентирования (его варианты) / Т.Н. Гладышев, Ю.Г. Гладышев, B.C. Дмитриев. Заявлено 27.09.2000; Опубл. 27.09.2001, Бюл. №27.-4 е.: ил.
26. Стрелков С.П. Введение в теорию колебаний.- М.: Наука, 1964 С. 179-184.
27. Копытов В.И. Некоторые вопросы теории нелинейных и параметрических колебаний.- Томск: Изд-во ТПУ, 1995.- С.79-87.
28. ТаргС.М. Краткий курс теоретической механики. М.: Наука, 1972.-С. 392-395.
29. Дербаремдикер А.Д. Гидравлические амортизаторы автомобилей.-М.: Машиностроение, 1969.- С. 92.
30. Патент №2217698 РФ. МПК7 G01N 17/00. Устройство для ориентирования / Г.Н. Гладышев, B.C. Дмитриев, Ю.Г. Гладышев. Заявлено 01.07.2002; Опубл. 27.11.2003, Бюл. №33.-5 е.: 2 ил.1. Литература к главе 3
31. Dmitriev V.S., Gladyshev G.N., Gladyshev J.G. Floated Sensitive Element For Gravitylnertial Compass // The 5th Korea-Russia International Symposium Science and Technology.June 26-Jule 3, 2001, Tomsk, Russia,Vol. 1, pp. 25-26.
32. Патент №2183820 РФ. МПК7 G01N 17/00. Устройство для ориентирования / Г.Н. Гладышев, B.C. Дмитриев, Ю.Г. Гладышев, Г.А. Швецов. Заявлено 20.03.2001; Опубл. 20.06.2002, Бюл. №17.- 3 е.: ил.
33. Алексеев П.Г., Скороходов И.И., Поварин П.И. Свойства кремнийорганических жидкостей.-М.: Энергоатомиздат, 1997.- 328с.
34. Иориш Ю.И. Виброметрия.- М.: Государственное научно-техническое издание машиностроительной литературы, 1963.- С. 142-159, 310-312, 454.
35. Ильин М.М., Колесников К.С., Саратов Ю.С. Теория колебаний. -М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003.- С. 160-164.
36. Патент 2234062 РФ. МПК7 G01N 17/00. Устройство для ориентирования / Г.Н. Гладышев, B.C. Дмитриев, Ю.Г. Гладышев, Г.А. Швецов. Заявлено 17.02.2003; Опубл. 10.08.2004, Бюл. №22.- 4 е.: ил.1. Литература к главе 4
37. Браславский Д.А. Приборы и датчики летательных аппаратов. -Л.: Машиностроение, 1965.- С. 240-259.
38. Асс Б.А. Детали авиационных приборов.- М.: Машиностроение, 1979.-С. 130-132,140-146.
39. ЗАО «СЕНСОР» 620017 г. Екатеринбург, ул. Арутюнская 4. WWW. SENSOR com. ru. Каталог фирмы.- С. 95-97.
40. Дюгуров С.М., Ландау Б.Е. Сравнительный анализ систем съёма информации бескарданных электростатических гироскопов // Гироскопия и навигация.- 1997.-№2- С. 34-44.
41. Богомолов Е.Н., Василец Н.В., Вертопрахов В.В. и другие Двухканальный оптический измеритель геометрических параметров движущихся изделий «КОНТУР-3» //Автометрия.- 1989.- №5- С. 73-83.
42. Богомолов Е.Н., Василец Н.В., и др. Фотодиодный оптико- электронный измеритель размеров «СЕНСОР» //Автометрия.- 1989.-№5- С.83-91.
43. Фролов Д.Н., Свендровский А.Р., Гольцеймер А.А., Гладышев Ю.Г. Опыт разработки устройства бесконтактного измерения диаметра кабельных изделий // Электротехника.- 1991.-№3- С.26-28.
44. Зайдель А.Н. Ошибки измерений физических величин. Л.: Наука,1974,- С. 53-55,98,99.
45. МСШШМ аддамщм Приложение А1. ВВВВ1. ИЛ ИЗОБРЕТЕНИЕ2174217тшвв в в т ш в в. в ш в.Вв в га а я ш в в в в
46. Российским агентством по патентам и товарным знакам на основании Патентного закона Российской Федерации, введенного в действие 14 октября 1992 года, выдан настоящий патент на изобретение
47. УСТРОЙСТВО для ОРИЕНТИРОВАНИЯ (ЕГО ВАРИАНТЫ)1. Патентообладатель(ли):
48. Шомский политехпикскпА университетпо заявке № 2000124600, дата поступления: 27.09.2000 Приоритет от 27.09.2000 Автор(ы) изобретения:ладмшев &е.?ман 91иколае8и1, &ладышев 9€j?ud &фмапо8н1, Юмитрнеё ffiukmof? Стетновн1
49. Патент действует на всей территории Российской Федерации в течение 20 лет с 27 сентября 2000 г. при условии своевременной уплаты пошлины за поддержание патента в силе
50. Зарегистрирован в Государственном реестре изобретений Российской Федерацииг. Москва, 27 сентября 2001 г.
