ДАТЧИК КРЕНА И ОБОРОТОВ БЫСТРОВРАЩАЮЩЕГОСЯ УПРАВЛЯЕМОГО СНАРЯДА

Изобретение относится к области ракетной техники, а именно к гироскопическим приборам, используемым на вращающихся по крену управляемых снарядах и ракетах, например, в качестве гирокоординаторов, которые предназначены для преобразования сигналов управления ракетой из системы координат, связанной с пусковой установкой, в систему координат, связанную с вращающейся по крену ракетой.
При разработке быстровращающихся управляемых летательных объектов (например, снарядов или ракет) для формирования управляющих команд рулевого привода в опорной системе координат, связанной с вращением объекта, возникает необходимость определения текущего угла крена (или значений синуса и косинуса данного угла). Ранее для решения этой задачи использовались датчики угла крена на механических гироскопах (патент РФ №2184921, МКИ F41G 7/00, 2002 г.) Недостатком таких систем являются большие массогабаритные размеры, техническая сложность прибора и высокая цена.
Известен магнитный датчик скорости вращения по крену, патент США 6556896 BA (заявка US 200242014 от 10.01.02), кл. НКИ 701-3, опубл. 29.04.03 г. Устройство обеспечивает измерение скорости вращения по крену или углового положения по крену для управляемой ракеты и содержит пару магнитных датчиков, которые установлены внутри корпуса ракеты и генерируют аналоговый электрический сигнал, который отображает изменение интенсивности магнитного поля Земли, вследствие наличия ферромагнитного элемента, который расположен внутри поля. Использование в управлении ракетой интенсивности и направления электромагнитного поля Земли, которая сама по себе является величиной весьма нестабильной и зависящей от многих геофизических факторов, приводит к погрешностям в измерении угла крена, а следовательно, и к неточности при наведении ракеты на цель, и может использоваться только для вычисления средней угловой скорости вращения ракеты.
Известен датчик крена и оборотов для быстровращающихся объектов, патент РФ на полезную модель №105429, МКИ G01C 21, 2010 г. Устройство содержит измеритель параметров движения объекта в виде установленных в корпусе объекта акселерометров, связанных с вычислителем параметров объекта, причем измеритель параметров объекта выполнен в виде двух акселерометров, жестко связанных с объектом так, что их оси чувствительности взаимно ортогональны и перпендикулярны оси быстрого вращения объекта, а вычислитель параметров объекта выполнен в виде микроконтроллера, двухканальных усилителей и стабилизатора напряжения, причем выходы акселерометров подключены к входным клеммам микроконтроллера, выходные клеммы которого подключены к входам канальных усилителей, а стабилизатор напряжения подключен соответственно к акселерометрам, микроконтроллеру и канальным усилителям. Данное устройство выбрано в качестве прототипа.
Недостатком известного устройства является то, что не обеспечивается необходимая точность определения угла крена быстровращающегося управляемого снаряда, т.к. угол крена в данном случае определяется с помощью модуляции выходных сигналов линейных акселерометров, ускорением свободного падения в один g, который трудно выделить на фоне управляющих перегрузок, достигающих значения порядка 10g и более.
Задачей, которую решает заявляемая полезная модель, является повышение точности определения текущего угла крена быстровращающегося управляемого снаряда.
Данная задача решается за счет того, что в датчик крена и оборотов быстровращающегося управляемого снаряда, 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, а 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.
Измеритель угловой скорости вращения снаряда содержит две пары одноосных акселерометров, расположенных равноудалено от центра оси вращения снаряда под углом 90° друг относительно друга, или содержит четыре одноосных микроэлектромеханических (МЭМС) датчика угловой скорости (ДУС), расположенных на боковых торцах основания в виде правильной четырехгранной усеченной пирамиды.
Сущность полезной модели поясняется графическим материалом: фиг. 1, 2, 3 и 4.
На фиг. 1 представлена общая структурная схема датчика крена и оборотов быстровращающегося управляемого снаряда. На фиг. 2 представлен пример реализации измерителя угловой скорости на четырех одноосных акселерометрах, расположенных равноудалено от центра оси вращения снаряда под углом 90° друг относительно друга. На фиг. 3 и 4 представлен пример реализации измерителя угловой скорости на четырех одноосных МЭМС ДУС-ах, расположенных на боковых торцах основания в виде правильной четырехгранной усеченной пирамиды.
Структурная схема датчика крена и оборотов быстровращающегося управляемого снаряда фиг. 1 содержит:
1 - измеритель параметров движения снаряда;
2 - датчики линейного ускорения (ДЛУ) в виде двух МЭМС акселерометров, жестко связанных с объектом так, что их оси чувствительности взаимно ортогональны и перпендикулярны продольной оси быстрого вращения снаряда;
3 - измеритель угловой скорости вращения снаряда вдоль продольной оси;
4 - интегратор, например цифровой, программно реализуемый микроконтроллером;
5 - двухосный датчик магнитного поля Земли, измерительные оси которого развернуты относительно друг друга на 90° и перпендикулярны продольной оси быстрого вращения снаряда;
6 - вычислитель параметров в виде микроконтроллера, например, 32-разрядный семейства ARM Cortex-M3.
В качестве датчиков ДЛУ и датчиков магнитного поля Земли может использоваться, например, комбинированный МЭМС-датчик типа LSM303DLHC фирмы STMicroelectronics.
Устройство работает следующим образом.
m
Измеритель угловой скорости 3 измеряет текущую скорость вращения снаряда ω в полете вдоль продольной оси, значение которой поступает в интегратор 4. Текущий угол крена снаряда γ в полете определяется интегрированием значения скорости вращения по формуле:
m
где γ - текущий угол,
н
γ - начальный угол,
ω - скорость вращения,
t - текущее время
m
н
Для определения текущего угла крена γ снаряда кроме угловой скорости ω вращения, определяемой измерителем 3, необходимо знать значение начального угла γ. В случае неизвестного угла досыла снаряда в стволе, он определяется решением тригонометрического уравнения составляющих сил тяжести по двум взаимно-перпендикулярным осям X и Y двухосевого МЭМС акселерометра 2 (инклинометра) до выстрела и запоминается во встроенном запоминающем устройстве (ЗУ) микроконтроллера 6 на все время полета снаряда.
Погрешности определения угловой скорости снаряда, обусловленные начальным разбросом «ненулей» датчиков, влиянием линейного управляющего ускорения, температурой и собственными шумами датчиков, приводят к накоплению ошибки вычисления текущего угла на конечном участке полета снаряда. Для компенсации ошибки вычисления текущего угла крена интегратором 4 используются сигналы двухосного датчика 5 магнитного поля Земли. Измерительные оси датчика 5 магнитного поля Земли развернуты относительно друг друга на 90°, поэтому при вращении снаряда, за счет пересечения составляющих вектора магнитного поля Земли, на выходе датчика магнитного поля Земли формируются два электрических сигнала, величина которых равна:
m1
m
U=Am·sinφ
m2
m
U=Am·cosφ
где Am - амплитуда вектора магнитного поля Земли;
m
(φ - угол крена снаряда относительно вектора магнитного поля Земли.
m1
m2
Математическая обработка сигналов U и U при сравнении с нулевым уровнем позволяет определить период вращения снаряда с дискретностью ¼ оборота (90°). Данный сигнал используется микроконтроллером 6 для коррекции вычисления текущего угла интегратором 4.
Угловая скорость вращения ω снаряда, определяемая измерителем 3, может определяться МЭМС датчиками угловой скорости ДУС или акселерометрами ДЛУ.
Вариант реализации измерителя угловой скорости на МЭМС ДЛУ представлен на рисунке фиг. 2, где 7, 8, 9 и 10 - одноосные акселерометры ДЛУ, расположенные равноудаленно от центра оси вращения снаряда под углом 90° друг относительно друга.
Центробежное ускорение, вызванное вращением снаряда и измеряемое датчиками (МЭМС-акселерометрами), расположенными на расстоянии радиуса R от оси вращения снаряда, определяется уравнением;
ц
2
A=ω·R
где R - расстояние от продольной оси изделия до чувствительных элементов МЭМС-акселерометров.
ц
Отсюда может быть вычислена угловая скорость вращения ω=√A/√R, где √R - константа.
ц
упр
упр
упр
Однако на управляемом снаряде на датчики МЭМС-акселерометров кроме центробежного ускорения A дополнительно будет воздействовать ускорение A, вызванное управляющими командами наведения снаряда. Для компенсации влияния управляющего ускорения A на измерение угловой скорости ω в измерителе угловой скорости, реализованном на МЭМС акселерометрах, использованы две пары МЭМС акселерометров ДЛУ, измерительные оси которых совпадают с управляющими осями Y и Z снаряда. Проекции управляющих ускорений на измерительные оси диаметрально расположенных датчиков 7-8 и 9-10 равны по величине и противоположны по знаку. При суммировании сигналов четырех датчиков МЭМС акселерометров значения управляющих ускорений A по осями Y и Z снаряда взаимно вычитаются и выходное значение сигнала равно учетверенному значению центробежной перегрузки, при этом усредняются ошибки установки и разброса крутизны датчиков.
Расчетное значение уравнения для ДУС с использованием 2-х пар МЭМС-акселерометров имеет вид
цΣ
д
цΣ
ω=√1/4R·√/A=k·√A
цΣ
где A - суммарное значение сигналов четырех МЭМС-акселерометров;
д
k - константа, равная 0,5·R.
Для повышения точности расчетного значения угловой скорости ω, предполагается дополнительная предварительная калибровка измерителя угловой скорости на стенде вращения с занесением калибровочных коэффициентов во встроенное энергонезависимое ЗУ микроконтроллера 5 в процессе производства. Например, для управляемого снаряда, имеющего диапазон вращения от 8 об/с до 25 об/с, с радиусом расстояния МЭМС-датчиков ДЛУ равным R=17,5 мм от центра вращения, значения центробежного ускорения лежат в диапазоне от 4,5 до 44g. Для измерения могут быть использованы МЭМС-датчики ДЛУ гида ADXL278 фирмы «Analog Devices с диапазоном измерения ускорения ±70 g.
Вариант реализации измерителя угловой скорости на четырех одноосных микромеханических ДУС, расположенных на боковых торцах основания в виде правильной четырехгранной усеченной пирамиды, показан на рисунках фиг. 3 и фиг. 4.
X
Измерение угловой скорости вращения снаряда традиционным способом с помощью микромеханических ДУС, как правило, не представляется возможным, так как современные МЭМС ДУС имеют диапазон измеряемых угловых скоростей не более 1000-1500%, а значение угловой скорости вращения снаряда может достигать 9000% (25 об./с). Для расширения рабочего диапазона измерения скоростей микромеханические ДУС установлены относительно продольной оси ЛА под определенным углом ε так (Фиг. 3), чтобы МЭМС ДУС измерял проекцию угловой скорости крена ω.
Проекции вектора абсолютной угловой скорости микромеханические ДУС 11 и 12 на оси связанной системы координат определяются следующими равенствами (рис. 3):
Y
X
B
Y
X
ωA=-ω·cosε+ω·sinε; ω=ω·cosε+ω·sinε
A
где ω - угловая скорость, измеряемая датчиком 11;
B
ω - угловая скорость, измеряемая датчиком 12;
Y
ω·cosε - проекция угловой скорости оси Y;
X
ω·sinε - проекция угловой скорости по оси X.
A
B
X
X
A
B
Вычисляя сумму (ω+ω)=2·ω·sinε, определяем угловую скорость ω=(ω+ω)2·sinε.
Для усреднения ошибки вычисления угловой скорости вращения снаряда, вызванной разбросом параметров датчиков, неточностью угловой установки датчиков, применены две нары МЭМС датчиков угловой скорости, установленных на боковых торцах основания 17 в виде правильной четырехгранной усеченной пирамиды (рис. 4). Расчетное значение угла наклона плоскости боковых торцев определяется зависимостью
md
mx
ε=arcsinω/ω
md
где ω - максимальный рабочий диапазон угловых скоростей датчика ДУС;
mx
ω - максимальный рабочий диапазон угловых скоростей вращения снаряда.
mx
md
Так, например, при реализации измерителя угловой скорости вращения снаряда от 8 до 25 об/с (ω=9000 °/с) с использованием микромеханических ДУС типа ВХ-3700 фирмы Epson (диапазон ω=±1500 °/c) угол ε был выбран равным 9,5°.
Комплексное использование в датчике крена и оборотов быстровращающегося управляемого снаряда первичных измерительных датчиков, работающих на различных физических принципах, применение оптимальных методов обработки и фильтрации их сигналов, калибровки и температурной компенсации повысило точность определения угла крена и точность наведения снаряда на конечных дальностях.