СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЦИФРОВОЙ ПЛАТФОРМОЙ В БЕСПЛАТФОРМЕННОЙ ГИРОВЕРТИКАЛИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2018 года по МПК G01C23/00 

Заявленное изобретение относится к системам ориентации и навигации летательных аппаратов, в частности к бесплатформенным гировертикалям, курсовертикалям и навигационным системам, в которых измерительная информация поступает с датчиков угловых скоростей и акселерометров.

Известны бесплатформенные инерциальные системы ориентации с радиальной коррекцией, в которых положение цифровой платформы в инерциальной системе координат определяется по показаниям датчиков угловой скорости, а приведение к местной вертикали осуществляется по показаниям акселерометров. В этом случае также компенсируется дрейф датчиков угловых скоростей. При этом осуществляется отключение приведения платформы при воздействии на подвижный объект линейных ускорений в связанной системе координат, вызванных разгоном и разворотом объекта.

Основным недостатком таких систем является накопление угловых погрешностей вызванных дрейфом датчиков угловых скоростей и движением объекта по сфере Земли при отключении обратной связи в гировертикали во время разгона и торможения. В результате чего значения ускорений в инерциальной системе координат после включения обратной связи гировертикали превышают допустимые для управления, что приводит к невозможности восстановления системы управления цифровой платформы.

Прототипом заявленного изобретения является способ управления бесплатформенной гировертикалью с радиальной коррекцией и устройство для реализации этого способа (Патент РФ №2574379, МПК: G01C 23/00, опубл. 10.02.2016 г.).

Известный способ включает измерение угловых скоростей и линейных ускорений, преобразование приращения углов крена и тангажа из связанной системы координат в инерциальную, вычисление и компенсацию ошибок определения углов крена и тангажа при допустимых для управления цифровой платформой значениях величин линейных ускорений в инерциальной системе координат с дополнительной возможностью выполнения вычислений и компенсации ошибок определения углов крена и тангажа при превышении допустимых для управления цифровой платформой значений величин линейных ускорений в инерциальной системе координат.

При этом устройство для реализации известного способа содержит трехосный блок датчиков угловых скоростей, трехосный блок датчиков линейных ускорений, блок цифровой платформы, блок вычисления углов крена и тангажа, блок перерасчета линейных ускорений из связанной системы координат в инерциальную систему координат, блок управления цифровой платформой с возможностью отключения управления цифровой платформой при превышении допустимых для управления значений величин линейных ускорений в инерциальной системе координат и включения управления цифровой платформой при уменьшении линейных ускорений в инерциальной системе координат до значений, допустимых для управления цифровой платформой, блок приведения цифровой платформы для компенсации ошибок положения цифровой платформы при превышении допустимых для управления значений величин линейных ускорений в инерциальной системе координат и блок включения приведения цифровой платформы.

При таком способе управления при наличии шумовых и вибрационных воздействий на гировертикаль величина амплитуды которых превышает допустимые для управления, система управления цифровой платформой будет отключена на всем промежутке времени действия вибраций. Это приведет к накоплению погрешностей измерения углов тангажа и крена, вызванных наличием дрейфа датчиков угловых скоростей и движением летательного аппарата по сфере Земли.

Техническим результатом заявленного изобретения является повышение точности измерения выходных углов ориентации объекта за счет компенсации вибрационных и шумовых воздействий на гировертикаль.

Указанный технический результат достигается способом управления цифровой платформой в бесплатформенной гировертикали, путем приведения цифровой платформы в зону управления бесплатформенной гировертикали, включающим измерение угловых скоростей и линейных ускорений, преобразование приращения углов крена и тангажа из связанной системы координат в инерциальную систему координат, вычисление и компенсацию ошибок определения углов крена и тангажа при допустимых для управления цифровой платформой значениях величин линейных ускорениях в инерциальной системе координат и приведение цифровой платформы при превышении допустимых для управления значениях величин линейных ускорений в инерциальной системе координат в зону допустимых для управления цифровой платформой значений величин линейных ускорений в инерциальной системе координат, при этом дополнительно введена фильтрация линейных ускорений в связанной системе координат, а величина угловой скорости приведения цифровой платформы из зоны превышения допустимых для управления значений величин линейных ускорений в инерциальной системе координат в зону допустимых для управления цифровой платформой значений величин линейных ускорений в инерциальной системе координат устанавливается в зависимости от величины линейных ускорений в инерциальной системе координат и значения признака включения приведения платформы в зону допустимых для управления значений линейных ускорений в инерциальной системе координат.

Заявленный технический результат достигается также бесплатформенной гировертикалью, содержащей трехосный блок датчиков угловых скоростей, трехосный блок датчиков линейных ускорений, блок цифровой платформы, блок вычисления углов крена и тангажа, блок пересчета линейных ускорений из связанной системы координат в инерциальную, блок управления цифровой платформой, блок приведения цифровой платформы в зону допустимых значений линейных ускорений в инерциальной системе координат и блок включения приведения цифровой платформы, при этом блок цифровой платформы соединен первым входом с выходом блока датчиков угловых скоростей, вторым входом с выходом блока управления цифровой платформой, третьим входом с выходом блока приведения цифровой платформы в зону допустимых значений линейных ускорений в инерциальной системе координат, первым выходом со входом блока вычисления углов крена и тангажа, и вторым выходом с первым входом блока пересчета линейных ускорений из связанной системы координат в инерциальную, который вторым входом соединен с первым выходом трехосного блока датчиков линейных ускорений, первым выходом со входом блока управления цифровой платформой, и вторым выходом с первым входом блока приведения цифровой платформы в зону допустимых значений линейных ускорений в инерциальной системе координат, при этом дополнительно введены блок фильтрации линейных ускорений в связанной системе координат и блок анализа величины линейных ускорений в инерциальной системе координат и признака включения приведения цифровой платформы, причем, вход блока фильтрации линейных ускорений в связанной системе координат соединен со вторым выходом трехосного блока датчиков линейных ускорений, а выход со входом блока включения приведения цифровой платформы, блок анализа величины линейных ускорений в инерциальной системе координат и признака включения приведения цифровой платформы первым входом соединен с выходом блока включения приведения цифровой платформы, вторым входом с третьим выходом блока пересчета линейных ускорений из связанной системы координат в инерциальную, первым выходом со вторым входом блока приведения цифровой платформы в зону допустимых значений линейных ускорений в инерциальной системе координат, а вторым выходом соединен с четвертым входом блока цифровой платформы.

На Фиг. представлена структурно-функциональная блок-схема предложенной бесплатформенной гировертикали, где:

1 - трехосный блок датчиков угловых скоростей;

2 - трехосный блок датчиков линейных ускорений;

3 - блок цифровой платформы;

4 - блок пересчета линейных ускорений из связанной системы координат в инерциальную;

5 - блок управления цифровой платформой с возможностью отключения управления цифровой платформой при превышении допустимых для управления значений величин линейных ускорений в инерциальной системе координат и включения управления цифровой платформой при достижении допустимых для управления значений величин линейных ускорений в инерциальной системе координат;

6 - блок вычисления углов крена и тангажа;

7 - блок включения приведения цифровой платформы;

8 - блок приведения цифровой платформы для вычисления и компенсации ошибок положения цифровой платформы при превышении допустимых для управления значений величин линейных ускорений в инерциальной системе координат;

9 - блок фильтрации линейных ускорений в связанной системе координат;

10 - блок анализа величины линейных ускорений в инерциальной системе координат и признака включения приведения цифровой платформы.

Заявленные способ и устройство работают следующим образом.

Информация об угловых скоростях в связанной системе координат по трем ортогональным осям летательного объекта передается из трехосного блока микромеханических датчиков угловых скоростей 1 в блок 3 цифровой платформы, в котором производится преобразование приращения углов из связанной системы координат в инерциальную и расчет углового положение цифровой платформы в виде коэффициентов a_N матрицы направляющих косинусов. Коэффициенты матрицы направляющих косинусов передаются в блок 4 и в блок 6.

В блоке 6 по коэффициентам матрицы направляющих косинусов рассчитываются углы крена (γ) и тангажа (ϑ) летательного объекта в инерциальной системе координат.

Информация о линейных ускорениях в связанной системе координат по трем ортогональным осям летательного объекта передается из трехосного блока микромеханических акселерометров 2 в блоки 4 и 9.

В блоке 4 по информации об угловом положении цифровой платформы, поступающей из блока 3 в виде коэффициентов матрицы направляющих косинусов, производится пересчет линейных ускорений из связанной системы координат в инерциальную систему координат.

Результаты расчета в виде проекций ускорений на инерциальные оси А_х,у передаются в блоки 5, 8, 10.

В блоке 5 рассчитывается угловая скорость управления цифровой платформой , корректирующая положение цифровой платформы в блоке 3 по перекрестным инерциальным осям:

,

где k^y - коэффициент усиления сигнала управления.

Если углы крена и тангажа определены с ошибкой, вызванной, например, дрейфом гироскопов или угловой скоростью облета вокруг Земли, то проекции ускорений на инерциальные оси не будут равны нулю А_х,_у≠0. В результате, в блоке 5 будет сформирован корректирующий сигнал , с помощью которого в блоке 3 будет скомпенсирована ошибка углового положения цифровой платформы.

Действие линейных ускорений по связанным осям летательного объекта a_xl,yl,zl≠0 также будет вызывать появление в блоке 4 ускорений по инерциальным осям А_x,y, а, следовательно, и сигналы обратной связи . Однако в этом случае они будут не компенсировать ошибки определения углового положения цифровой платформы, а, наоборот, создавать их.

Величина допустимого значения А_a,y≤А_Д определяется заданными ошибками определения углов крена и тангажа.

При больших линейных ускорениях, когда А_x,y становится равной или больше А_Д, обратная связь системы управления разрывается - . В этот момент ошибки определения углов крена и тангажа будут возрастать из-за дрейфа гироскопов и скорости облета Земли.

При исчезновении линейных ускорений, вызванных разгонными двигателями летательного аппарата или виражами и координированными разворотами, величина накопленной ошибки определения углов, определяемая величиной А_х,у, может оказаться больше допустимой (A_x,y>А_Д), что не позволит включиться обратной связи в блоке управления цифровой платформой 5.

Приведение цифровой платформы в область линейных ускорений по инерциальным осям А_х,у<А_Д осуществляется следующим образом.

В блоке 7 по информации, поступающей из блока 9, анализируется величина, действующих по связанным осям линейных ускорений в виде:

,

где: - сумма квадратов текущих значений линейных ускорений, действующих по связанным осям; - сумма квадратов линейных ускорений, действующих по связанным осям в момент первоначального включения гировертикали при неподвижном объекте.

При в блоке 7 вырабатывается признак С=0, передаваемый в блок 10 и разрешающий включение приведения цифровой платформы в область значений А_x,y, допустимых для управления цифровой платформой. При вырабатывается признак С=1, запрещающий включение приведения гировертикали. Значение допустимого определяется коэффициентом δ, который устанавливается в соответствии с техническим заданием.

Для обеспечения качественного управления обратной связью признак С должен реагировать на постоянную составляющую линейных ускорений по связанным осям. При вибрационном воздействии на летательный аппарат признак С тоже будет носить знакопеременный характер, что приведет к искажениям выходной информации гировертикали. В связи с этим, линейные ускорения, поступающие в блок 7 должны быть отфильтрованы. В блоке 9 осуществляется фильтрация линейных ускорений по связанным осям, поступающих из блока 2 в блок 7.

Однако наличие фильтрации вызывает запаздывание определения признака С в блоке 7. В результате запаздывания при возрастании линейного ускорения по связанным осям за пределы зоны управления, приведение платформы осуществляется с ошибкой, определяемой величиной действующих линейных ускорений по связанным осям, что приводит к ошибкам определения углов крена и тангажа.

Минимизация ошибок, вызванных запаздыванием выработки признака С, осуществляется следующим образом. В блоке 10 анализируются ускорения по инерциальным осям А_x,y, текущее значение признака С и предыдущее значение С_пред. В блоке 10 установлены следующие условия, которые определяют три возможных режима обратной связи.

Если признак С=1, то управление цифровой платформой не производится (обратная связь отключена).

Если признак С=0, С_пред=0 и А_x,y>А_д, то приведение цифровой платформы производится с ограниченной скоростью ω_мин, обеспечивающей компенсацию дрейфа гироскопа.

Если признак С=0, С_пред=1 и А_x,y>А_д, то приведение цифровой платформы осуществляется со скоростью, выработанной в блоке 8:

где k^п - коэффициент усиления сигнала приведения.

Таким образом, применение заявленного изобретение обеспечит повышение точности измерения выходных углов ориентации за счет подавления вибрационных и шумовых воздействий на летательный аппарат.

Изобретение относится к системам ориентации и навигации летательных аппаратов, в частности к бесплатформенным гировертикалям, курсовертикалям и навигационным системам, в которых измерительная информация поступает с датчиков угловых скоростей и акселерометров. Способ управления цифровой платформой в бесплатформенной гировертикали включает измерение угловых скоростей и линейных ускорений, преобразование приращения углов крена и тангажа из связанной системы координат в инерциальную систему координат, вычисление и компенсацию ошибок определения углов крена и тангажа при допустимых для управления цифровой платформой значениях величин линейных ускорений в инерциальной системе координат и приведение цифровой платформы при превышении допустимых для управления значений величин линейных ускорений в инерциальной системе координат в зону допустимых для управления цифровой платформой значений величин линейных ускорений в инерциальной системе координат. При этом линейные ускорения в связанной системе координат предварительно фильтруются, а величина угловой скорости приведения цифровой платформы из зоны превышения допустимых для управления значений величин линейных ускорений в инерциальной системе координат в зону допустимых для управления цифровой платформой значений величин линейных ускорений в инерциальной системе координат устанавливается в зависимости от величины линейных ускорений в инерциальной системе координат и значения признака включения приведения платформы в зону допустимых для управления значений линейных ускорений в инерциальной системе координат, за счет чего обеспечивается компенсация вибрационных и шумовых воздействий на гировертикаль. Технический результат - повышение точности измерения выходных углов ориентации объекта. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ управления цифровой платформой в бесплатформенной гировертикали путем приведения цифровой платформы в зону управления микромеханической гировертикали, включающий измерение угловых скоростей и линейных ускорений, преобразование приращения углов крена и тангажа из связанной системы координат в инерциальную систему координат, вычисление и компенсацию ошибок определения углов крена и тангажа при допустимых для управления цифровой платформой значениях величин линейных ускорений в инерциальной системе координат и приведение цифровой платформы при превышении допустимых для управления значений величин линейных ускорений в инерциальной системе координат в зону допустимых для управления цифровой платформой значений величин линейных ускорений в инерциальной системе координат, отличающийся тем, что линейные ускорения в связанной системе координат предварительно фильтруются, а величина угловой скорости приведения цифровой платформы из зоны превышения допустимых для управления значений величин линейных ускорений в инерциальной системе координат в зону допустимых для управления цифровой платформой значений величин линейных ускорений в инерциальной системе координат устанавливается в зависимости от величины линейных ускорений в инерциальной системе координат и значения признака включения приведения платформы в зону допустимых для управления значений линейных ускорений в инерциальной системе координат.

2. Бесплатформенная гировертикаль, содержащая трехосный блок датчиков угловых скоростей, трехосный блок датчиков линейных ускорений, блок цифровой платформы, блок вычисления углов крена и тангажа, блок пересчета линейных ускорений из связанной системы координат в инерциальную, блок управления цифровой платформой, блок приведения цифровой платформы в зону допустимых значений линейных ускорений в инерциальной системе координат и блок включения приведения цифровой платформы, при этом блок цифровой платформы соединен первым входом с выходом блока датчиков угловых скоростей, вторым входом с выходом блока управления цифровой платформой, третьим входом с выходом блока приведения цифровой платформы в зону допустимых значений линейных ускорений в инерциальной системе координат, первым выходом со входом блока вычисления углов крена и тангажа и вторым выходом с первым входом блока пересчета линейных ускорений из связанной системы координат в инерциальную, который вторым входом соединен с первым выходом трехосного блока датчиков линейных ускорений, первым выходом со входом блока управления цифровой платформой и вторым выходом с первым входом блока приведения цифровой платформы в зону допустимых значений линейных ускорений в инерциальной системе координат, отличающаяся тем, что дополнительно введены блок фильтрации линейных ускорений в связанной системе координат и блок анализа величины линейных ускорений в инерциальной системе координат и признака включения приведения цифровой платформы, причем вход блока фильтрации линейных ускорений в связанной системе координат соединен со вторым выходом трехосного блока датчиков линейных ускорений, а выход со входом блока включения приведения цифровой платформы, блок анализа величины линейных ускорений в инерциальной системе координат и признака включения приведения цифровой платформы первым входом соединен с выходом блока включения приведения цифровой платформы, вторым входом с третьим выходом блока пересчета линейных ускорений из связанной системы координат в инерциальную, первым выходом со вторым входом блока приведения цифровой платформы в зону допустимых значений линейных ускорений в инерциальной системе координат, а вторым выходом соединен с четвертым входом блока цифровой платформы.