Датчик угла крена для вращающегося объекта Российский патент 2024 года по МПК G01C21/18 G01C19/56 

Изобретение относится к гироскопическим приборам, используемым в информационно-измерительных системах ориентации вращающихся объектов и управления их движением.

Для формирования управляющих команд рулевого привода в опорной системе координат, связанной с вращением объекта, возникает задача определения текущего угла крена (значений синуса и косинуса данного угла). Для решения этой задачи использовались датчики угла крена на механических гироскопах (патент РФ на изобретение №2184921, МПК F41G 7/00, опубл. 10.07.2002, Бюл. №19).

Устройство содержит формирователи сигналов управления в вертикальной и горизонтальной плоскостях, выходы которых соединены соответственно с первыми входами первого и второго модуляторов, суммирующий усилитель, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходами первого и второго модуляторов, гироскопический датчик угла крена ракеты, первый выход которого соединен со вторым входом первого модулятора, а второй выход соединен со вторым входом второго модулятора, причем сигналы с первого и второго выхода гироскопического датчика угла крена являются релейными, трехпозиционными, сдвинутыми друг относительно друга на угол л/2 и формирователь сигнала линеаризации, вход которого соединен со вторым выходом гироскопического датчика угла крена, третий модулятор, первый вход которого соединен с выходом формирователя сигнала линеаризации, второй вход соединен с выходом логического устройства, а выход соединен с третьим входом суммирующего усилителя, а также двухпозиционный релейный элемент, вход которого соединен с выходом суммирующего усилителя.

Недостатком таких систем является невысокая точность определения угла крена подвижного объекта за счет присутствия механических чувствительных элементов.

Наиболее близким по техническому решению является датчик крена и оборотов быстровращающегося управляемого снаряда (патент на полезную модель РФ №143669, МПК G01C 21/00, опубл. 27.07.2014, Бюл. №21), содержащий измеритель параметров снаряда, выполненный в виде двух акселерометров, жестко связанных с объектом так, что их оси чувствительности взаимно ортогональны и перпендикулярны продольной оси быстрого вращения снаряда, и вычислитель параметров снаряда, выполненный в виде микроконтроллера, причем выходы акселерометров подключены к двум информационным входам микроконтроллера, и в состав измерителя параметров снаряда дополнительно введены последовательно соединенные измеритель угловой скорости вращения снаряда и интегратор, а также двухосный датчик магнитного поля Земли, причем выходы интегратора и датчика магнитного поля Земли подключены к третьему, четвертому и пятому информационным входам микроконтроллера. Кроме того, датчик крена и оборотов быстровращающегося управляемого снаряда содержит две пары одноосных акселерометров, расположенных равноудалено от центра оси вращения снаряда под углом 90° относительно друг друга и датчик крена и оборотов быстровращающегося управляемого снаряда содержит четыре одноосных микроэлектромеханических датчика угловой скорости, расположенных на боковых торцах основания в виде правильной четырехгранной усеченной пирамиды.

Существенным недостатком известного технического решения является снижение точности определения угла крена, обусловленное значительным фазовым сдвигом на частоте возмущения.

Технической задачей настоящего изобретения является повышение точности измерения угла крена для вращающегося объекта.

Это достигается тем, что в датчик угла крена для вращающегося объекта, содержащий два устройства для измерения ускорений, оси чувствительности которых взаимно ортогональны и перпендикулярны продольной оси вращения объекта, устройство для измерения угловой скорости, введены два канала, две перекрестные связи между ними и генератор вспомогательной частоты. Первый канал реализован от первого устройства для измерения ускорений к первому вычислителю через последовательно соединенные по информационным входам первый двоичный умножитель и первый реверсивный двоичный счетчик. Второй канал реализован от второго устройства для измерения ускорений ко второму вычислителю через последовательно соединенные по информационным входам шестой двоичный умножитель и второй реверсивный двоичный счетчик. Первая перекрестная связь реализована с выхода первого реверсивного двоичного счетчика первого канала на вход второго реверсивного двоичного счетчика второго канала через последовательно соединенные по информационным входам второй и третий двоичные умножители. Вторая перекрестная связь реализована с выхода второго реверсивного двоичного счетчика второго канала на вход первого реверсивного двоичного счетчика первого канала через последовательно соединенные по информационным входам четвертый и пятый двоичные умножители. Третий и пятый двоичные умножители соединены с устройством для измерения угловой скорости, а входы первого, второго, четвертого и шестого двоичных умножителей соединены с выходом генератора вспомогательной частоты. Выходы с первого и второго вычислителя являются дискретными выходами датчика угла крена для вращающегося объекта.

Введение в устройство для измерения угла крена вращающегося объекта прямых каналов и перекрестных связей между ними позволяет повысить точность измерения.

На фиг. изображена функциональная схема датчика угла крена для вращающегося объекта.

Датчик угла крена для вращающегося объекта содержит первое устройство для измерения ускорений 1, выход которого соединен с одним из входов первого двоичного умножителя 2, другой вход которого соединен с выходом генератора вспомогательной частоты 3. Выход первого двоичного умножителя 2 соединен через первый реверсивный двоичный счетчик 4 с первым вычислителем 5. Другой выход первого реверсивного двоичного счетчика 4 соединен с входом второго двоичного умножителя 6, выход которого соединен с входом третьего двоичного умножителя 7, выход которого соединен с входом второго реверсивного двоичного счетчика 8. Выход второго реверсивного двоичного счетчика 8 соединен с входом первого реверсивного двоичного счетчика 4 через последовательно соединенные по информационным входам четвертый двоичный умножитель 9 и пятый двоичный умножитель 10. Входы двоичных умножителей 7 и 10 соединены с устройством для измерения угловой скорости 11. Второе устройство для измерения ускорений 12 соединено со входом шестого двоичного умножителя 13, выход которого соединен с одним из входов второго реверсивного двоичного счетчика 8, выход которого соединен со входом второго вычислителя 14. Дополнительные входы двоичных умножителей 6, 9 и 13 соединены с выходом генератора вспомогательной частоты 3. Оси чувствительности устройств для измерения ускорений 1 и 12 взаимно ортогональны и перпендикулярны продольной оси вращения объекта. Выходы с первого вычислителя 5 (cos(α)) и второго вычислителя 14 (sin(α)) являются дискретными выходами датчика угла крена для вращающегося объекта.

Внутреннее содержание блоков, реализующих датчик угла крена для вращающегося объекта, описано в книгах: Майоров С.А., Новиков Г.И. "Принцип организации цифровых машин", Л.: Машиностроение, 1974, 432 с.; Хоровиц П., Хилл У. "Искусство схемотехники", М.: Мир, т. 1-3, 1993.

Устройства для измерения ускорений и угловой скорости могут быть реализованы по одному из патентов: RU 2226695 C1, МПК G01P 15/13, опубл. 10.04.2004, бюл. №10; RU 2190858 C1 МПК G01P 15/13 опубл. 10.10.2002, бюл. №28, которые обеспечивают выдачу информации в 16-ти разрядном цифровом коде.

Работа датчика угла крена для вращающегося объекта осуществляется следующим образом.

При воздействии на объект ускорения X вдоль его продольной оси первое устройство для измерения ускорений 1 выдает информацию в виде цифрового двоичного кода, который поступает на вход первого двоичного умножителя 2. Первый двоичный умножитель 2 выдает на выходе импульсы, число которых пропорционально двоичному коду с первого устройства для измерения ускорений 1. Если сигнал с выхода первого устройства для измерения ускорений 1 принять за X, то на выходе первого двоичного умножителя 2 будет сигнал равный X⋅f/2ⁿ (f - частота генератора вспомогательной частоты 3, n - разрядность первого двоичного умножителя 2). Для разделения во времени поступления сигналов с двоичных умножителей прямых каналов и перекрестных связей, генератор вспомогательной частоты 3 вырабатывает две серии тактирующих импульсов, которые поступают на входы синхронизации двоичных умножителей 2 и 13. Выходной сигнал с первого двоичного умножителя 2 поступает на один из входов первого реверсивного двоичного счетчика 4, который осуществляет подсчет импульсов с выхода первого двоичного умножителя 2 (т.е. интегрирование). Выходной сигнал с первого реверсивного двоичного счетчика 4 поступает на вход первого вычислителя 5, на выходе которого формируется сигнал угла крена вращающегося объекта. Первый реверсивный двоичный счетчик 2 формирует цифровой опрашиваемый сигнал. Аналогичным образом работает второй прямой канал. При действии поперечного ускорения Y, сигнал с выхода второго устройства для измерения ускорений 12 через шестой двоичный умножитель 13 второй реверсивный двоичный счетчик 8 поступает на вход второго вычислителя 14. При отсутствии сигнала с устройства для измерения угловой скорости 11 на входы вычислителей 5 и 14 подаются сигналы пропорциональные интегралу выходных сигналов: на вход первого вычислителя 5 - с устройства для измерения ускорений 1, а на вход второго вычислителя 14 - с устройства для измерения ускорений 12.

При наличии угловой скорости движения объекта α'=dα/dt (α - угол между неподвижной системой координат XOY и системой координат X₁OY₁, связанной с объектом; t - время), измеряемой устройством для измерения угловой скорости 11, на вход первого реверсивного двоичного счетчика 4 подается сигнал пропорциональный X⋅dα/dt, а на вход второго реверсивного двоичного счетчика 8 подается сигнал пропорциональный Y⋅dα/dt. Для реализации произведений X⋅dα/dt и Y⋅dα/dt, в устройство введены перекрестные связи:

- с выхода первого реверсивного двоичного счетчика 4 на вход второго реверсивного двоичного счетчика 8 через последовательно соединенные по информационным входам второй двоичный умножитель 6 и третий двоичный умножитель 7;

- с выхода второго реверсивного двоичного счетчика 8 на вход первого реверсивного двоичного счетчика 4 через последовательно соединенные по информационным входам четвертый двоичный умножитель 9 и пятый двоичный умножитель 10.

Управление двоичными умножителями 7 и 10 осуществляется устройством для измерения угловой скорости 11.

Предлагаемый датчик угла крена для вращающегося объекта позволяет подавать на входы вычислителей 5 и 14 интегралы входных сигналов X и Y в подвижной системе координат.

Введение в структуру датчика угла двух прямых каналов и двух перекрестных связей между каналами позволяет повысить точность определения угла крена для вращающегося объекта.

Изобретение относится к гироскопическим приборам, используемым в информационно-измерительных системах ориентации вращающихся объектов и управления их движением. Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем. В конструкцию датчика угла крена для вращающегося объекта введены два канала, две перекрестные связи между ними, а также генератор вспомогательной частоты. Первый канал реализован от первого устройства для измерения ускорений к первому вычислителю через последовательно соединенные по информационным входам первый двоичный умножитель и первый реверсивный двоичный счетчик. Второй канал реализован от второго устройства для измерения ускорений ко второму вычислителю через последовательно соединенные по информационным входам шестой двоичный умножитель и второй реверсивный двоичный счетчик. Первая перекрестная связь реализована с выхода первого реверсивного двоичного счетчика первого канала на вход второго реверсивного двоичного счетчика второго канала через последовательно соединенные по информационным входам второй и третий двоичные умножители. Вторая перекрестная связь реализована с выхода второго реверсивного двоичного счетчика второго канала на вход первого реверсивного двоичного счетчика первого канала через последовательно соединенные по информационным входам четвертый и пятый двоичные умножители. Третий и пятый двоичные умножители соединены с устройством для измерения угловой скорости, а входы первого, второго, четвертого и шестого двоичных умножителей соединены с выходом генератора вспомогательной частоты. Выходы с первого и второго вычислителей являются дискретными выходами датчика угла крена для вращающегося объекта. Техническим результатом заявленного изобретения является повышение точности измерения угла крена для вращающегося объекта. 1 ил.

Датчик угла крена для вращающегося объекта, содержащий два устройства для измерения ускорений, оси чувствительности которых взаимно ортогональны и перпендикулярны продольной оси вращения объекта, устройство для измерения угловой скорости, отличающийся тем, что в него введены два канала, две перекрестные связи между ними и генератор вспомогательной частоты, причем первый канал реализован от первого устройства для измерения ускорений к первому вычислителю через последовательно соединенные по информационным входам первый двоичный умножитель и первый реверсивный двоичный счетчик, второй канал реализован от второго устройства для измерения ускорений ко второму вычислителю через последовательно соединенные по информационным входам шестой двоичный умножитель и второй реверсивный двоичный счетчик, первая перекрестная связь реализована с выхода первого реверсивного двоичного счетчика первого канала на вход второго реверсивного двоичного счетчика второго канала через последовательно соединенные по информационным входам второй и третий двоичные умножители, вторая перекрестная связь реализована с выхода второго реверсивного двоичного счетчика второго канала на вход первого реверсивного двоичного счетчика первого канала через последовательно соединенные по информационным входам четвертый и пятый двоичные умножители, причем третий и пятый двоичные умножители соединены с устройством для измерения угловой скорости, а входы первого, второго, четвертого и шестого двоичных умножителей соединены с выходом генератора вспомогательной частоты, выходы с первого и второго вычислителей являются дискретными выходами датчика угла крена для вращающегося объекта.