СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЯ ВЕКТОРА УСКОРЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК G01P15/14 

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться в системах управления ракет и других летательных аппаратов (ЛА) для эффективного контроля режима нагружения конструкции.

В настоящее время для измерения вектора ускорения в заданной системе отсчета используются акселерометры. Существуют пространственные измерители вектора линейного ускорения, представляющие собой сравнительно несложный прибор [1]
Ближайшей по технической сущности является система измерения вектора ускорения, состоящая из блока акселерометров, оси чувствительности которых образуют правую ортогональную систему координат [2] В простейшем случае акселерометры крепят непосредственно на корпусе изделия так, чтобы их оси чувствительности были максимально параллельны осям связанной системы координат. Тогда сигналы, снимаемые с выходов акселерометров, будут пропорциональны соответствующим составляющим вектора ускорения и могут непосредственно использоваться системой управления.

Основные характеристики системы (погрешность измерения, надежность, помехозащищенность, динамический диапазон измерения, вес, энергопотребление и т. д.) полностью зависят от применяемых в ней акселерометров.

Недостатком известной системы является невозможность определения вектора ускорения в произвольной точке летательного аппарата. Она позволяет определить вектор ускорения только в какой-то одной фиксированной точке. Это связано с тем, что акселерометр измеряет линейное ускорение только для единственной точки места своего крепления к корпусу аппарата. Ускорение какой-либо другой точки ЛА аппарата невозможно измерить тем же акселерометром. В процессе полета часто требуется знание вектора ускорения в нескольких точках ЛА, для чего приходится устанавливать несколько комплектов измерителей для каждой точки измерения необходимо иметь свой блок акселерометров. Кроме того, известная система, основанная на прямых измерениях, в принципе не может обеспечить определение вектора ускорения в точке, координаты которой относительно корпуса ЛА меняются с течением времени полета, например ускорения центра масс ракеты, так как сам центр масс перемещается относительно корпуса ракеты и не совпадает с точкой установки блока акселерометров.

Техническим результатом изобретения является практическая возможность измерения вектора ускорения произвольной точки летательного аппарата.

Указанный технический результат достигается тем, что в систему введены блок гироинтеграторов, устройство определения ориентации, блок датчиков угловой скорости, блок обработки линейных скоростей, блок обработки угловых скоростей, устройство пересчета проекций вектора из инерциальной системы координат в проекции на связанные оси, блок векторного умножения, блок двойного векторного умножения, сумматор и задатчик координат точки измерения, при этом выход блока гироинтеграторов связан с выходом блока обработки линейных скоростей, выход которого связан с векторным входом устройства пересчета проекций вектора из инерциальной системы координат в проекции на связанные оси, выход устройства определения ориентации связан с входом задания углового положения связанных осей относительно инерциальной системы координат устройства пересчета проекций вектора из инерциальной системы координат в проекции на связанные оси, выход блока датчиков угловой скорости связан с информационным входом блока двойного векторного умножения и входом блока обработки угловых скоростей, выход которого связан с информационным входом блока векторного умножения, входы сумматора связаны с выходами устройства пересчета проекций вектора из инерциальной системы координат в проекции на связанные оси, блока векторного умножения и блока двойного векторного умножения, вход задания координат точки измерения связан с параметрическими входами блока векторного умножения и блока двойного векторного умножения.

На фиг. 1 представлена функциональная схема предлагаемой системы; на фиг. 2 схема реализации устройства определения ориентации (УОО); на фиг. 3 - схема реализации блока обработки линейных скоростей (БОЛС); на фиг. 4 схема реализации блока обработки угловых скоростей (БОУС); на фиг. 5 схема реализации устройства пересчета проекций вектора из инерциальной системы координат в проекции на связанные оси (УПВ); на фиг. 6 схема реализации блока векторного умножения (БВУ); на фиг. 7 схема реализации блока двойного векторного умножения (БДВУ).

Пример реализации предложенной системы представлен на фиг. 2, где 1 - блок гироинтеграторов (БГИ), 2 устройство определения ориентации (УОО), 3 - блок датчиков угловой скорости (БДУС), 4 блок обработки линейных скоростей (БОЛС), 5 блок обработки угловых скоростей (БОУС), 6 устройство пересчета проекций вектора из инерциальной системы координат в проекции на связанные оси (УПВ), 7 блок векторного умножения (БВУ), 8 блок двойного векторного умножения (БДВУ), 9 сумматор и 10 задатчик координат точки измерения, при этом выход блока гироинтеграторов связан с входом блока обработки линейных скоростей, выход устройства определения ориентации связан с входом задания углового положения связанных осей относительно инерциальной системы координат устройства пересчета проекций вектора из инерциальной системы координат в проекции на связанные оси, выход которого связан с информационным входом блока векторного умножения, входы сумматора связаны с выходами устройства пересчета проекций вектора из инерциальной системы координат в проекции на связанные оси, блока векторного умножения и блока двойного векторного умножения, задатчик координат точки измерения связан с параметрическими входами блока векторного умножения и блока двойного векторного умножения.

Реализация электронных блоков и элементов предлагаемой системы выполнена на интегральных схемах и стандартных аналоговых модулях.

БГИ 1 установлен на гиростабилизированной платформе (ГСП) и выдает три составляющие вектора кажущейся скорости в инерциальной системе координат (ИСК), являющиеся главным источником информации для определения вектора ускорения в заданной точки ЛА. В простейшем случае он состоит из трех гироинтеграторов, оси чуствительности которых параллельны трем различным осям ИСК.

УОО 2 (см. фиг. 2) состоит из ГСП, моделирующей на борту ИСК и определяющей взаимное расположение осей ССК и ИСК, и блока электроэнергии, вычисляющего косинусы по углам отклонения рамок ГСП, соответствующих углам тангажа ϑ, рыскания j и вращения v.
БДУС 3 включает три ДУСа, жестко закрепленных на корпусе ЛА так, чтобы их оси чувствительности были параллельны трем соответствующим осям ССК.

БОЛС 4 (см. фиг.3) состоит из трех идентичных блоков, каждый из которых производит фильтрацию исходного сигнала от помех и высокочастотных наводок с последующим его дифференцированием. Блок выполнен на однотипных операционных усилителях, входная цепь которых имеет ограничительный резистор (он и играет роль простейшего фильтра высоких частот). Номиналы резисторов и конденсатора выбираются из условия практически чистого дифференцирования входного сигнала и рабочей области частот (постоянная времени T RC ≈ 1) и значительного его подавления в высокочастотной области спектра (, где f_раб циклическая частота, ограничивающая рабочую область частот справа).

БОУС 5 (см. фиг.4) аналогичен БОЛС 4 с той лишь разницей, что для игнорирования системы сигналов, вызванных упругими колебаниями корпуса ЛА, в цепь обратной связи операционных усилителей параллельно резисторам добавлены шунтирующие конденсаторы С_ос; номинал их выбирается из требования достаточного ослабления вибрационных составляющих входного сигнала (RC_ос ≈ 1/f_упр, где f_упр верхняя циклическая частота спектра движения ЛА как твердого тела, и она меньше, чем частота первого тона упругих колебаний).

УПВ 6 (см. фиг. 5) производит пересчет одного и того же вектора из одной системы координат (ИСК) в другую систему координат (ССК) и представляет собой схему умножения матрицы на вектор согласно выражениям:
U_вых1= a₁₁U_вх1 + a₁₂U_вх2 + a₁₃U_вх3,
U_вых2 a₂₁U_вх1 + a₂₂U_вх2 + a₂₃U_вх3,
U_вых3= a₃₁U_вх1 + a₃₂U_вх2 + а₃₃U_вх3,
где a_ij элементы матрицы направляющих косинусов А.

БВУ 7 (см. фиг.6) осуществляет векторное умножение двух векторов

согласно выражениям:

где информационные вход блока;
параметрический вход блока.

БДВУ 8 (см. фиг.7) представляет собой последовательное соединение двух блоков векторного умножения 11 и 12, у которых информационные входы соединены с информационным входом БДВУ, выход первого из них связан с параметрическим входом второго, а параметрический вход первого блока 11 связан с параметрическим входом БДВУ . Блоки 11 и 12 полностью аналогичны БВУ, представленного на фиг. 6.

Сумматор 9 производит суммирование трех векторов, которое производится покомпонентно с помощью элементарных одноканальных сумматоров, выполненных, например, на операционных усилителях.

Задатчик 10 определяет координаты точки измерения вектора ускорения относительно выбранного полюса и служит для запитки параметрических входов БВУ и БДВУ.

В силу того, что основные чувствительные элементы системы - гироинтеграторы расположены на гиростабилизированной платформе, а следовательно находятся в более благоприятных условиях функционирования, чем жестко связанные с корпусом ЛА акселерометры, достигается и дополнительный технический результат повышение надежности системы и достоверности получаемых измерений. Попутно следует отметить, что гироинтеграторы являются более точными измерительными приборами, чем акселерометры, и их использование при определении вектора ускорения обеспечивает высокую точность измерений.

Система работает следующим образом.

В процессе полета ЛА чувствительные элементы гироинтеграторы, установленные на ГСП, производят измерение трех компонент вектора кажущейся скорости в точке их установки. Их показания дифференцируются по времени в БОЛС и пересчитываются в проекции на связанные оси в УПВ, на выходе которого устанавливается значение вектора ускорения в полюсе ЛА Ускорение, вызванное угловым движением ЛА, формируется БДВУ по сигналам БДУС. Учет влияния углового ускорения ЛА ω на результат измерения производится путем дифференцирования БДУС с последующим его пересчетом БВУ. Суммируя все три слагаемых посредством сумматора на его выходе, получают требуемое значение вектора ускорения в интересующей точке ЛА, координаты которой установлены в задатчике координат измерения. Изменяя в процессе полета координаты (путем выбора из запоминающего устройства, смены варианты из конечного списка сечений подлежащих контролю, по заранее заданной программе изменения координат или путем формирования этих величин в системе управления ЛА, либо каким-то другим способом) получают возможность определить значение вектора ускорения в той точки (в том сечении ЛА), в которой он необходим в данный момент времени, не прибегая к дополнительным измерениям, а, значит, и не требуя установки дополнительных измерителей с одновременной прокладкой сети кабелей.

Эффективность предлагаемой системы определяется прежде всего тем, что она позволяет проводить определение ускорений в любых сечениях изделия, а не только в выбранных, где размещаются акселерометры. Кроме того, определенные таким образом ускорения в значительно меньшей степени искажены соответствующими от движений корпуса изделия, как упругого тела, и от местных деформаций, что также является благоприятным обстоятельством.

Использование: в системах управления ракет и других летательных аппаратов (ЛА). Сущность изобретения: система измерения вектора ускорения осуществляет определение проекций ускорения на связанные оси летательного аппарата в произвольной его точке. В предлагаемой системе традиционные измерения посредством акселерометров заменены косвенными измерениями по показаниям более точных приборов - гироинтеграторов, установленных на гиростабилизированной платформе. Возможность измерения вектора ускорения в проекциях на связанные оси ЛА в любой точке достигается учетом углового движения ЛА с помощью блока датчиков угловой скорости, блока обработки угловых скоростей, блока секторного умножения и блока двойного векторного умножения. Преобразование выходных сигналов гироинтеграторов в ускорения в связанной системе координат обеспечивается наличием блока обработки линейных скоростей, устройства определения ориентации и устройства пересчета проекций вектора из инерциальной системы координат в проекции на связанные оси. Сумматор формирует выходные сигналы системы сложением ускорений, вызванных поступательным и вращательным движениями ЛА. Выбор точки ЛА, подлежащей контролю со стороны системы измерения, осуществляется установкой конкретных значений в задатчике координат точки измерения. 7 ил.

Система измерения вектора ускорения, отличающаяся тем, что в нее введены блок гироинтеграторов, устройство определения ориентации, блок датчиков угловой скорости, блок обработки линейных скоростей, блок обработки угловых скоростей, устройство пересчета проекций вектора из инерциальной системы координат в проекции на связанные оси, блок векторного умножения, блок двойного векторного умножения, сумматор и задатчик координат точки измерения, при этом выход блока гироинтеграторов связан с входом блока обработки линейных скоростей, выход которого связан с векторным входом устройства пересчета проекций вектора из инерциальной системы координат в проекции на связанные оси, выход устройства определения ориентации связан с входом задания углового положения связанных осей относительно инерциальной системы координат устройства пересчета проекций вектора из инерциальной системы координат в проекции на связанные оси, выход блока датчиков угловой скорости связан с информационным входом блока двойного векторного умножения и входом блока обработки угловых скоростей, выход которого связан с информационным входом блока векторного умножения, входы сумматора связаны с выходами устройства пересчета проекций вектора из инерциальной системы координат в проекции на связанные оси, блока векторного умножения и блока двойного векторного умножения, задатчик координат точки измерения связан с параметрическими входами блока векторного умножения и блока двойного векторного умножения.