БЕСПЛАТФОРМЕННАЯ ИНЕРЦИАЛЬНАЯ СИСТЕМА Российский патент 2008 года по МПК G01C21/16 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для морских, воздушных и наземных объектов.

Известна бесплатформенная инерциальная система [Бромберг П.В. Теория инерциальных систем навигации. - М.: Наука, 1979, с.185-188], содержащая блок выработки навигационных параметров, центральный прибор с тремя акселерометрами, выходы каждого из которых соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами блока выработки навигационных параметров, и с тремя датчиками абсолютной угловой скорости, выходы каждого из которых соединены с четвертым, пятым и шестым входами блока выработки навигационных параметров.

Недостатком этого устройства является сложность определения погрешностей системы, в частности погрешностей в измерении угловых скоростей и ускорений от воздействий по перекрестным осям.

Известна бесплатформенная инерциальная система [Патент РФ №2104492, МПК⁶ G01С 21/10, 1998 г.], содержащая блок выработки навигационных параметров, центральный прибор с тремя акселерометрами, выходы каждого из которых соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами блока выработки навигационных параметров, и с тремя датчиками абсолютной угловой скорости, выходы каждого из которых соединены с четвертым, пятым и шестым входами блока выработки навигационных параметров, три блока поворота чувствительных элементов, в каждом из которых установлены датчики абсолютной угловой скорости или датчик абсолютной угловой скорости вместе с акселерометром, причем каждый блок поворота включает в себя управляемый двигатель, выполненный с возможностью поворота оси чувствительности чувствительных элементов с разными частотными параметрами относительно исходного положения для каждого блока поворота, и датчик угла поворота, выходы которых соединены соответственно с седьмым, восьмым и девятым входами блока выработки навигационных параметров, а в качестве опоры выработки замера для оценки погрешностей введен блок приема внешней информации, выход которого соединен с десятым входом блока выработки навигационных параметров, или введены один или несколько комплектов блоков поворота чувствительных элементов, аналогичные выходы которых также соединены с блоком выработки навигационных параметров.

Недостатком данного устройства является наличие дополнительных трех блоков поворота чувствительных элементов, в каждом из которых установлены датчики абсолютной угловой скорости или датчик абсолютной угловой скорости вместе с акселерометром, причем каждый блок поворота включает в себя управляемый двигатель, и датчик угла поворота, что в свою очередь приводит к увеличению габаритов, массы и стоимости бесплатформенной инерциальной системы.

Задачей изобретения является повышение точности бесплатформенной инерциальной системы путем уменьшения погрешностей бесплатформенной инерциальной системы, обусловленных реакцией каждого датчика абсолютной угловой скорости на угловые скорости по перекрестным (перпендикулярным к измерительной) осям; обусловленных реакцией каждого датчика абсолютной угловой скорости на линейные ускорения как по измерительной, так и по перекрестным осям; обусловленных реакцией каждого акселерометра на линейные ускорения по перекрестным осям; обусловленных реакцией каждого акселерометра на угловые скорости как по измерительной, так и по перекрестным осям.

Указанная задача достигается тем, что в бесплатформенную инерциальную систему, содержащую блок выработки навигационных параметров, центральный прибор с первым, вторым и третьим акселерометрами и с первым, вторым и третьим датчиками абсолютной угловой скорости, дополнительно введены блок вычисления погрешностей и шесть вычитающих устройств, при этом выход первого акселерометра соединен с первым входом блока вычисления погрешностей и также с первым входом первого вычитающего устройства, выход второго акселерометра соединен с вторым входом блока вычисления погрешностей и также с первым входом второго вычитающего устройства, выход третьего акселерометра соединен с третьим входом блока вычисления погрешностей и также с первым входом третьего вычитающего устройства, выход первого датчика абсолютной угловой скорости соединен с четвертым входом блока вычисления погрешностей и также с первым входом четвертого вычитающего устройства, выход второго датчика абсолютной угловой скорости соединен с пятым входом блока вычисления погрешностей и также с первым входом пятого вычитающего устройства, выход третьего датчика абсолютной угловой скорости соединен с шестым входом блока вычисления погрешностей и также с первым входом шестого вычитающего устройства, первый выход блока вычисления погрешностей соединен с вторым входом первого вычитающего устройства, второй выход блока вычисления погрешностей соединен с вторым входом второго вычитающего устройства, третий выход блока вычисления погрешностей соединен с вторым входом третьего вычитающего устройства, четвертый выход блока вычисления погрешностей соединен с вторым входом четвертого вычитающего устройства, пятый выход блока вычисления погрешностей соединен с вторым входом пятого вычитающего устройства, шестой выход блока вычисления погрешностей соединен с вторым входом шестого вычитающего устройства, выход первого вычитающего устройства соединен с первым входом блока выработки навигационных параметров, выход второго вычитающего устройства соединен с вторым входом блока выработки навигационных параметров, выход третьего вычитающего устройства соединен с третьим входом блока выработки навигационных параметров, выход четвертого вычитающего устройства соединен с четвертым входом блока выработки навигационных параметров, выход пятого вычитающего устройства соединен с пятым входом блока выработки навигационных параметров, выход шестого вычитающего устройства соединен с шестым входом блока выработки навигационных параметров.

На чертеже приведена функциональная схема бесплатформенной инерциальной системы, где приняты следующие обозначения: 1 - центральный прибор, 2 - блок вычисления погрешностей, 3, 4, 5, 6, 7, 8 - вычитающие устройства (всего шесть штук), 9 - блок выработки навигационных параметров, A1 - первый акселерометр, измерительная ось которого направлена по оси OY и измеряющий линейное ускорение a_y, А2 - второй акселерометр, измерительная ось которого направлена по оси OZ и измеряющий линейное ускорение а_z, A3 - третий акселерометр, измерительная ось которого направлена по оси ОХ и измеряющий линейное ускорение а_x, ДУС1 - первый датчик абсолютной угловой скорости, измерительная ось которого направлена по оси OY и измеряющий угловую скорость ω_y, ДУС2 - второй датчик абсолютной угловой скорости, измерительная ось которого направлена по оси OZ и измеряющий угловую скорость ω_z, ДУС3 - третий датчик абсолютной угловой скорости, измерительная ось которого направлена по оси ОХ и измеряющий угловую скорость ω_x.

Инерциальная система содержит блок 9 выработки навигационных параметров, выполняющий, в том числе, задачи фильтра, центральный прибор 1, блок вычисления погрешностей 2, шесть вычитающих устройств 3, 4, 5, 6, 7, 8. Центральный прибор содержит три акселерометра и три датчика абсолютной угловой скорости.

Выход первого акселерометра А1 соединен с первым входом 10 блока вычисления погрешностей 2 и также с первым входом 16 первого вычитающего устройства 3, выход второго акселерометра А2 соединен с вторым входом 11 блока вычисления погрешностей 2 и также с первым входом 17 второго вычитающего устройства 4, выход третьего акселерометра A3 соединен с третьим входом 12 блока вычисления погрешностей 2 и также с первым входом 18 третьего вычитающего устройства 5, выход первого датчика абсолютной угловой скорости ДУС1 соединен с четвертым входом 13 блока вычисления погрешностей 2 и также с первым входом 19 четвертого вычитающего устройства 6, выход второго датчика абсолютной угловой скорости ДУС2 соединен с пятым входом 14 блока вычисления погрешностей 2 и также с первым входом 20 пятого вычитающего устройства 7, выход третьего датчика абсолютной угловой скорости ДУС3 соединен с шестым входом 15 блока вычисления погрешностей 2 и также с первым входом 21 шестого вычитающего устройства 8, первый выход блока вычисления погрешностей 2 соединен с вторым входом 22 первого вычитающего устройства 3, второй выход блока вычисления погрешностей 2 соединен с вторым входом 23 второго вычитающего устройства 4, третий выход блока вычисления погрешностей 2 соединен с вторым входом 24 третьего вычитающего устройства 5, четвертый выход блока вычисления погрешностей 2 соединен с вторым входом 25 четвертого вычитающего устройства 6, пятый выход блока вычисления погрешностей 2 соединен с вторым входом 26 пятого вычитающего устройства 7, шестой выход блока вычисления погрешностей 2 соединен с вторым входом 27 шестого вычитающего устройства 7, выход первого вычитающего устройства 3 соединен с первым входом 28 блока выработки навигационных параметров 9, выход второго вычитающего устройства 4 соединен с вторым входом 29 блока выработки навигационных параметров 9, выход третьего вычитающего устройства 5 соединен с третьим входом 30 блока выработки навигационных параметров 9, выход четвертого вычитающего устройства 6 соединен с четвертым входом 31 блока выработки навигационных параметров 9, выход пятого вычитающего устройства 7 соединен с пятым входом 32 блока выработки навигационных параметров 9, выход шестого вычитающего устройства 8 соединен с шестым входом 33 блока выработки навигационных параметров 9.

Инерциальная система функционирует следующим образом.

В дополнительно введенном блоке вычисления погрешностей на основании сигналов, поступающих с датчиков абсолютной угловой скорости и с акселерометров, вычисляются погрешности, обусловленные реакцией каждого датчика абсолютной угловой скорости на угловые скорости по перекрестным (перпендикулярным к измерительной) осям; обусловленные реакцией каждого датчика абсолютной угловой скорости на линейные ускорения как по измерительной, так и по перекрестным осям; обусловленные реакцией каждого акселерометра на линейные ускорения по перекрестным осям; обусловленные реакцией каждого акселерометра на угловые скорости как по измерительной, так и по перекрестным осям, по следующим формулам:

где ω_j, а_j - значения измеряемых датчиками угловых скоростей и акселерометрами угловых скоростей и линейных ускорений;

- чувствительность датчика абсолютной угловой скорости, измерительная ось которого направлена по оси Oi, к угловой скорости, действующей по оси Oj;

- чувствительность датчика абсолютной угловой скорости, измерительная ось которого направлена по оси Oi, к линейному ускорению, действующему по оси Oj;

- чувствительность акселерометра, измерительная ось которого направлена по оси Oi, к угловой скорости, действующей по оси Oj;

- чувствительность акселерометра, измерительная ось которого направлена по оси Oi, к линейному ускорению, действующему по оси Oj;

i - принимает значение x, y, z;

j - принимает значение x, y, z.

Вычисленные погрешности в вычитающих устройствах (3, 4, 5, 6, 7, 8) вычитаются из показаний акселерометров и датчиков абсолютных угловых скоростей, т.е. из показаний акселерометра, измерительная ось которого направлена по оси ОХ и измеряющего линейное ускорение a_x, вычитается погрешность Δa_x, из показаний акселерометра, измерительная ось которого направлена по оси OY и измеряющего линейное ускорение a_y, вычитается погрешность Δa_y, из показаний акселерометра, измерительная ось которого направлена по оси OZ и измеряющего линейное ускорение а_z, вычитается погрешность Δa_z, из показаний датчика абсолютной угловой скорости, измерительная ось которого направлена по оси ОХ и измеряющего угловую скорость ω_x, вычитается погрешность Δω_x, из показаний датчика абсолютной угловой скорости, измерительная ось которого направлена по оси OY и измеряющего угловую скорость ω_y, вычитается погрешность Δω_y, из показаний датчика абсолютной угловой скорости, измерительная ось которого направлена по оси OZ и измеряющего угловую скорость ω_z, вычитается погрешность Δω_z.

Далее сигналы (как и в прототипе) поступают в блок выработки навигационных параметров.

Проведенное моделирование и экспериментальные исследования показали, что при использовании данной конструктивной схемы бесплатформенной инерциальной системы погрешности, обусловленные реакцией каждого датчика абсолютной угловой скорости на угловые скорости по перекрестным (перпендикулярным к измерительной) осям; обусловленные реакцией каждого датчика абсолютной угловой скорости на линейные ускорения как по измерительной, так и по перекрестным осям; обусловленные реакцией каждого акселерометра на линейные ускорения по перекрестным осям; обусловленные реакцией каждого акселерометра на угловые скорости как по измерительной, так и по перекрестным осям, уменьшаются на порядок.

Таким образом, использование изобретения позволяет повысить точность бесплатформенной инерциальной системы.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для морских, воздушных и наземных объектов. Бесплатформенная инерциальная система содержит блок выработки навигационных параметров, центральный прибор с тремя акселерометрами и с тремя датчиками абсолютной угловой скорости, блок вычисления погрешностей и шесть вычитающих устройств, соединенных с остальными блоками соответствующим образом. Повышение точности бесплатформенной инерциальной системы достигается путем уменьшения погрешностей бесплатформенной инерциальной системы, обусловленных реакцией каждого датчика абсолютной угловой скорости на угловые скорости по перекрестным (перпендикулярным к измерительной) осям; обусловленных реакцией каждого датчика абсолютной угловой скорости на линейные ускорения как по измерительной, так и по перекрестным осям; обусловленных реакцией каждого акселерометра на линейные ускорения по перекрестным осям; обусловленных реакцией каждого акселерометра на угловые скорости как по измерительной, так и по перекрестным осям. 1 ил.

Бесплатформенная инерциальная система, содержащая блок выработки навигационных параметров, центральный прибор с тремя акселерометрами и с тремя датчиками абсолютной угловой скорости, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введены блок вычисления погрешностей и шесть вычитающих устройств, при этом выход первого акселерометра соединен с первым входом блока вычисления погрешностей и также с первым входом первого вычитающего устройства, выход второго акселерометра соединен с вторым входом блока вычисления погрешностей и также с первым входом второго вычитающего устройства, выход третьего акселерометра соединен с третьим входом блока вычисления погрешностей и также с первым входом третьего вычитающего устройства, выход первого датчика абсолютной угловой скорости соединен с четвертым входом блока вычисления погрешностей и также с первым входом четвертого вычитающего устройства, выход второго датчика абсолютной угловой скорости соединен с пятым входом блока вычисления погрешностей и также с первым входом пятого вычитающего устройства, выход третьего датчика абсолютной угловой скорости соединен с шестым входом блока вычисления погрешностей и также с первым входом шестого вычитающего устройства, первый выход блока вычисления погрешностей соединен с вторым входом первого вычитающего устройства, второй выход блока вычисления погрешностей соединен с вторым входом второго вычитающего устройства, третий выход блока вычисления погрешностей соединен с вторым входом третьего вычитающего устройства, четвертый выход блока вычисления погрешностей соединен с вторым входом четвертого вычитающего устройства, пятый выход блока вычисления погрешностей соединен с вторым входом пятого вычитающего устройства, шестой выход блока вычисления погрешностей соединен с вторым входом шестого вычитающего устройства, выход первого вычитающего устройства соединен с первым входом блока выработки навигационных параметров, выход второго вычитающего устройства соединен с вторым входом блока выработки навигационных параметров, выход третьего вычитающего устройства соединен с третьим входом блока выработки навигационных параметров, выход четвертого вычитающего устройства соединен с четвертым входом блока выработки навигационных параметров, выход пятого вычитающего устройства соединен с пятым входом блока выработки навигационных параметров, выход шестого вычитающего устройства соединен с шестым входом блока выработки навигационных параметров.