УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОМПЛЕКСНОГО КОНТРОЛЯ ДАТЧИКОВ ПОДВИЖНОГО ОБЪЕКТА
DEVICE FOR COMPREHENSIVE CONTROL OF SENSORS OF MOBILE OBJECT

Изобретение относится к области комплексного контроля пилотажно-навигационного оборудования систем управления подвижными маневренными объектами типа самолет, вертолет, дистанционно-пилотируемый летательный аппарат, и, в частности, к средствам аппаратурно безызбыточного контроля датчиков ориентации и навигации этих объектов минимального веса, габаритов, энергопотребления, сложности и стоимости. Оно также может быть использовано для создания простых и высоконадежных средств контроля и управления резервных каналов пилотажно-навигационных систем современного летательного аппарата, защищенных от отказов и сбоев основной многократно резервированной сложной системы управления.
Известны схемы контроля датчиков параметров измерительных каналов объекта с применением вычислительного устройства и устройства сравнения порогов оценки результатов измерений сигналов и параметров движения (Беляевский Л.С., Новиков B.C., Олянюк П.В. Обработка и отображение радионавигационной информации. М.: Радио и связь, 1990, с.114-119; Алтухов В.Ю., Стадник В.В. Гироскопические приборы, автоматические бортовые системы управления самолетов и их техническая эксплуатация. М.: Машиностроение, 1991, с.35, 42, 91). Схема контроля реализует n-кратное измерение контролируемого параметра и вычисление отношения правдоподобия с учетом среднего риска принятия решения об исправности. Для достоверного контроля необходимо иметь точное и известное во времени описание законов распределений всех контролируемых параметров движений объекта, что для маневренного объекта практически невозможно. Усложнение схемы контроля при построении оптимального решающего правила и аддитивной связи контролируемых сигналов датчиков и погрешностей их измерений приводит к проверке сложных гипотиз контроля. Такой контроль при широких диапазонах изменения проверяемых сигналов крена, тангажа, линейных и угловых скоростей, перегрузок объекта крайне затруднен.
БСПК
Д.БСПК
Известно устройство контроля пилотажных параметров крена и тангажа - блок сравнения и предельного крена (БСПК-1) (Перескоков А.Н. Приборное оборудование вертолетов МИ-8 (Т, МТ, МТВ, АМТ).СПб.: Академия ГА. 2003, с.19; Бондарчук И.Е., Харин В.И. Авиационное и радиоэлектронное оборудование самолета ЯК-40. М.: Транспорт. 1982, с.205). Устройство содержит две следящие системы с сельсинами-датчиками двух одинаковых датчиков тангажа и крена аппарата, релейные усилители, выполняющие функции компараторов, и ламельные схемы сигнализации предельных углов крена и тангажа. Имеет место сравнение одноименных сигналов тангажа и крена резервированных датчиков горизонта пилотажно-навигационного комплекса аппарата. Габариты, вес, энергопотребление, стоимость такого устройства велики, а информационная производительность I=0,424 бит/с [1, с.11-13] и достоверность контроля [2, с.87] сравнительно низкие P=0,546363.
Известно комплексное устройство контроля датчиков орбитальной ориентации спутника (Орбитальное гирокомпасирование. / Под ред. Б.Б.Самотокина. СПб.: Политехника, 1993. С.42-43), содержащее датчики абсолютных угловых скоростей по осям связанной системы координат и измерительное устройство - однороторную или двухроторную гироорбиту, определяющую углы крена, рыскания, тангажа ориентации спутника. Ошибки ориентации спутника по крену и рысканию взаимосвязаны с проекциями вектора абсолютной угловой скорости аппарата на оси чувствительности датчиков угловых скоростей по продольной и нормальной осям связанной системы координат. Это позволяет по сглаженным и интегрированным сигналам этих датчиков судить об исправности всего пилотажно-навигационного комплекса, совершающего сложное орбитальное движение и измеряемое гироскопическим орбитантом. Так как в исправном комплексе эти ошибки, измеренные высокочувствительными датчиками угловых скоростей, имеют ограниченное значение. Устройство достоверно проверяет датчики угловых скоростей и информацию по крену и рысканию орбитанта. Возможность контроля тангажа, крена, скоростей, перегрузок аппарата отсутствует. Применение данной схемы контроля ограничено только искусственным спутником Земли, где работоспособно специальное измерительное устройство этого пилотажно-навигационного комплекса - гироорбита.
БКК
ИКВ
Д1.БКК
Д1.БКК
ДИСС
ИИБ
Д2.БКК
Д2.БКК
Известны устройства контроля датчиков пилотажно-навигационных комплексов самолетов и вертолетов, содержащие по три одинаковых датчика тангажа, крена, линейных скоростей, угловых скоростей и мажоритарные блоки обработки их сигналов типа блока контроля крена (БКК), базовой системы курса и вертикали (БСКВ), блока формирования и контроля (БФК), блока согласования (БС), блока демпфирующих гироскопов (БДГ) и др. (Алтухов В.Ю., Стадник В.В. Гироскопические приборы, автоматические бортовые системы управления самолетов и их техническая эксплуатация. М.: Машиностроение, 1991, с.39, 122; Воробьев В.Г., Глухов В.В., Кадышев И.К. Авиационные приборы, информационно-измерительные системы и комплексы. М.: Транспорт, 1992, с.291). Помимо трех одноименных контролируемых датчиков мажоритарные блоки устройств содержат три нелинейных элемента, образующих кворум-элемент, и компараторы. Последние проводят непрерывное сравнение выходных сигналов каждого из трех датчиков с их осредненным сигналом, полученным на выходе кворум-элемента. Разностный сигнал, пропорциональный крену (курсу, тангажу, угловой скорости и т.д.), сравнивается с допустимой ошибкой измерения. Точность, достоверность контроля сравнительно высока во всем диапазоне измерения пилотажно-навигационного комплекса. Однако, как и для блока сравнения и предельного крена (БСПК), здесь необходимо избыточное число одноименных проверяемых датчиков, что связано с ростом стоимости, габаритов, энергопотребления, что затруднено или невозможно на легком, маневренном объекте. Контроль имеет избыточный и весьма затратный характер как при изготовлении, так и при эксплуатации объекта. Для контроля известным мажоритарным блоком типа БКК-18 (среднее время наработки на отказ Т=4500 ч), при одновременном контроле только трех датчиков крена и тангажа типа инерциальная курсовертикаль ИКВ-802 (среднее время наработки на отказ Т=500 ч) и средней продолжительности полета 2 часа, достоверность контроля будет Р=0,9, что соответствует времени достоверного контроля ИКВ-802 Т(3×ИКВ)=19 ч. Результирующая достоверность мажоритарного контроля всех датчиков линейных скоростей (доплеровский измеритель скорости и сноса ДИСС), угловых скоростей и перегрузок (инерциальный измерительный блок ИИБ), тангажа и крена (инерциальная курсовертикаль ИКВ) при Т=500 ч, Т=3500 ч мажоритарными блоками будет Р=0,45638. Соответствующее время достоверного контроля датчиков подвижного объекта с мажоритарными блоками будет Т (3×ИКВ, 3×ДИСС, 3×ИИБ)=2,5 ч [3; 4, с.219].
Известно устройство распределенной вычислительной системы сбора полетной информации, контроля и диагностики бортовых систем "Регата" (Ратникова Н.А. Распределенная вычислительная система "Регата" - основа технологии контроля воздушных судов по состоянию // Авиакосмическое приборостроение, №7, 2004. С.44-52 и др.), содержащее приемные модули аналого-цифрового преобразования (АЦП 24, АЦП 32, АЦП ТП, АЦП ТР, АЦП И, АЦП 16ПТ, АЦП СКТ М, АЦП ПР М, АЦП ТН), частотные преобразователи (ВИ ЧМ, ВИ СЧ, ЧП), контроллеры межмашинного обмена (RS, ТМТ, КПИ М, РК, КПИ), системные управляющие контроллеры (процессоры 200, 300), твердотельный накопитель с процессором 300, цифровой вычислитель, систему единого времени, выносной пульт управления, устройства установки синхронизации и запросов прерывания. Модульное построение аппаратно-программных средств дает возможность наращивания вычислительных мощностей устройства, сигналы в котором обрабатываются на трех уровнях. Верхний уровень проверяет выполнение взаимосвязей параметров состояния проверяемых систем. Средний уровень экспертных систем анализирует текущую и доопытную информацию об отказах по методам теории нечетких выводов с привлечением знаний специалистов экипажа. На нижнем уровне для заданного диапазона изменения нормированных сигналов ведется вероятностно-гарантированная оценка состояния исправности приборов с привлечением известных статистических критериев качества. Предполагается, что известны траектория движения объекта, совокупность контролируемых параметров и их эталонные области значений. Отклонение нормированных контролируемых параметров и эталонных значений в полете статистически проверяется. Детерминизм значений существенно ограничивает область контроля, а статистика обработки ведет к запаздыванию результата, зависимому и от привлечения к контролю доопытной информации (ее может вообще не быть) и специалистов экипажа, который занят управлением самолета. Сложность устройства "Регата", как централизованной интегральной системы контроля всего самолета, и как результат его низкая собственная надежность отрицательно влияют на достоверность обнаружения отказов отдельных особенно высоконадежных систем, каким и является пилотажно-навигационный комплекс. Степень автоматизации контроля в полете без участия экипажа, наземного предполетного и послеполетного обслуживания по базам данных желательно повысить, что исключительно актуально для беспилотных объектов.
ПРОТ
Д.ПРОТ
Д.ПРОТ
БЦВМ
Наиболее близким к заявляемому комплексному устройству контроля датчиков подвижного объекта является "Устройство для комплексного контроля датчиков пилотажной информации (варианты)" (Патент РФ №2063647, МПК6 G05B 23/02, бюл. №19, 10.07.96), содержащее датчик нормальной угловой скорости объекта, датчик поперечной угловой скорости объекта, датчик нормальной перегрузки объекта, датчик поперечной перегрузки объекта, датчик синуса крена объекта, датчик косинуса крена объекта, датчик косинуса тангажа объекта, датчик продольной скорости объекта, выход которого соединен с первыми входами первого и второго умножителей, вторые входы которых соединены соответственно с выходами датчика поперечной угловой скорости объекта и датчика нормальной угловой скорости объекта, первый сумматор, первый вычитающий вход которого соединен с выходом первого умножителя, второй суммирующий вход - с выходом датчика нормальной перегрузки объекта, третий вычитающий вход - с выходом третьего умножителя, входы которого соединены с выходами датчика косинуса крена объекта и датчика косинуса тангажа объекта, а выход первого сумматора соединен с входом первого компаратора, второй сумматор, первый суммирующий вход которого соединен с выходом второго умножителя, второй суммирующий вход - с выходом датчика поперечной перегрузки объекта, третий суммирующий вход - с выходом четвертого умножителя, входы которого соединены с выходами датчика синуса крена объекта и датчика косинуса тангажа объекта, а выход второго сумматора соединен с входом второго компаратора. Устройство обладает наибольшей информационной производительностью контроля I=2,064÷2,488 бит/с и достоверностью контроля P=0,775381, что соответствует среднему времени достоверного контроля датчиков Т=7,86 часа, при алгоритмической реализации на БЦВМ 80-30301, имеющей среднее время наработки на отказ Т=1500 ч [3, с.340]. Отсутствие избыточных датчиков, необходимых для обнаружения отказа, сделало целесообразным применение этого устройства в пилотажно-навигационных комплексах легких аппаратов. Оно использует информацию датчиков, уже имеющихся на борту объекта и входящих в состав его штатного приборного оборудования. Система контроля, принятая за прототип, является наименьшей по весу, стоимости, габаритам и энергопотреблению.
Недостатком устройства контроля, выбранного за прототип, является его неспособность контролировать датчики продольной угловой скорости объекта и продольной перегрузки объекта, датчики скорости объекта на поперечную и нормальную ось, а также датчик синуса тангажа объекта, что снижает его информационную производительность и достоверность контроля. Причиной, препятствующей получению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства-прототипа, является применение для контроля упрощенной модели движения подвижного объекта с неполным учетом взаимосвязей его параметров. Это относится как к продольному, так и боковому движениям подвижного и маневренного объекта.
Основной задачей, на решение которой направлен заявленный объект-устройство, является создание аппаратурно безызбыточного комплексного устройства контроля и автоматического управления повышенной точности, надежности, достоверности контроля с высокими технико-экономическими показателями по весу, габаритам, энергопотреблению, стоимости, удобству эксплуатации на легком маневренном объекте.
Техническим результатом, достигаемым при осуществлении заявленного изобретения, является повышение информационной производительности контроля путем одновременного контроля исправности всех важнейших датчиков движения объекта. Имеет место повышение достоверности обнаружения отказа именно контролируемых датчиков движения, а не контролирующих средств. Повышение точности контроля датчиков здесь прежде всего обусловлено применением для обнаружения отказов высокоточной выходной информации всех бортовых средств измерения подвижного объекта. Задача полетного контроля безызбыточными средствами минимального веса, габаритов, энергопотребления, сложности и стоимости решается параллельно с автоматическим управлением без снижения эффективности выполнения основных полетных задач объекта. При этом обеспечивается работа и контроль всех датчиков как в полетном, так и предполетном состоянии. Контроль ведется по безынерционным соотношениям, содержащим арифметические операции, достаточно просто реализуемые на борту летательного аппарата в реальном масштабе времени работы объекта.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее датчик нормальной угловой скорости объекта, датчик поперечной угловой скорости объекта, датчик нормальной перегрузки объекта, датчик поперечной перегрузки объекта, датчик синуса крена объекта, датчик косинуса крена объекта, датчик косинуса тангажа объекта, датчик продольной скорости объекта, выход которого соединен с первыми входами первого и второго умножителей, вторые входы которых соединены соответственно с выходами датчика поперечной угловой скорости объекта и датчика нормальной угловой скорости объекта, первый сумматор, первый вычитающий вход которого соединен с выходом первого умножителя, второй суммирующий вход - с выходом датчика нормальной перегрузки объекта, третий вычитающий вход - с выходом третьего умножителя, входы которого соединены с выходами датчика косинуса крена объекта и датчика косинуса тангажа объекта, а выход первого сумматора соединен с входом первого компаратора, второй сумматор, первый суммирующий вход которого соединен с выходом второго умножителя, второй суммирующий вход - с выходом датчика поперечной перегрузки объекта, третий суммирующий вход - с выходом четвертого умножителя, входы которого соединены с выходами датчика синуса крена объекта и датчика косинуса тангажа объекта, а выход второго сумматора соединен с входом второго компаратора, введены датчик продольной угловой скорости объекта, датчик продольной перегрузки объекта, датчик поперечной скорости объекта, датчик нормальной скорости объекта, датчик синуса тангажа объекта, пятый, шестой, седьмой, восьмой умножители, первый, второй, третий дифференциаторы, третий компаратор, схема ИЛИ, третий сумматор, первый вычитающий вход которого соединен с выходом датчика синуса тангажа объекта, второй суммирующий вход - с выходом датчика продольной перегрузки объекта, третий суммирующий вход - с выходом пятого умножителя, входы которого соединены с выходами датчика поперечной угловой скорости объекта и выходом датчика нормальной скорости объекта, четвертый вычитающий вход - с выходом шестого умножителя, входы которого соединены с выходами датчика нормальной угловой скорости объекта и датчика поперечной скорости, пятый вычитающий вход третьего сумматора, через первый дифференциатор, соединен с выходом датчика продольной скорости объекта, а выход - с входом третьего компаратора, выход датчика поперечной скорости объекта, через второй дифференциатор, соединен с четвертым вычитающим входом второго сумматора, пятый вычитающий вход которого соединен с выходом седьмого умножителя, входы которого соединены с выходами датчика продольной угловой скорости объекта и датчика нормальной скорости объекта, выход датчика нормальной скорости объекта, через третий дифференциатор, соединен с четвертым вычитающим входом первого сумматора, пятый суммирующий вход которого соединен с выходом восьмого умножителя, входы которого соединены с выходами датчика продольной угловой скорости объекта и датчика поперечной скорости объекта, выходы первого, второго, третьего компараторов соединены с входами схемы ИЛИ, выход которой является выходом устройства.
Совокупность существенных признаков изобретения обеспечивает достижение технического результата, достигаемого при осуществлении изобретения - устройства для комплексного контроля датчиков подвижного объекта введением датчика продольной угловой скорости объекта, датчика продольной перегрузки объекта, датчика поперечной скорости объекта, датчика нормальной скорости объекта, датчика синуса тангажа объекта, пятого, шестого, седьмого, восьмого умножителей, первого, второго, третьего дифференциаторов, третьего компаратора, схемы ИЛИ и третьего сумматора. Для обоснования этих признаков и связей необходимо рассмотреть полные дифференциальные уравнения движения маневренного объекта в векторной форме
X
Y
Z
где m - масса подвижного объекта;  - вектор скорости, проекции которого на оси связанной системы координат - V, V, V; ,  - векторы силы, действующей на объект, и силы его тяжести mg с их проекциями на оси связанной системы координат;  - вектор угловой скорости и его проекции на оси объекта. Переходя к скалярной форме, уравнения (1) получаем в виде
Учитывая, что проекции силы тяжести имеют вид
разделив правую и левую части выражений (2)-(4) на mg, находим общий вид алгоритма контроля
X
Y
Z
K1
K2
K3
X
X
X
X
Y
Z
Y
Z
П
П
П
где n, n, n - продольная, нормальная, поперечная перегрузки объекта; ϑ, γ - углы тангажа и крена объекта; Ф1, Ф1, Ф3 - функции контроля; Ф1, Ф2, Ф3 - пороги срабатывания компараторов, имеющих выходные сигналы U, U, U; U - выходной сигнал схемы ИЛИ. Наличие в предлагаемом устройстве датчика продольной перерузки n, датчика продольной скорости объекта V и связей продольного движения объекта, представленных соотношением (6), позволяет контролировать не только движения объекта по нормальной и поперечной осям, как в прототипе, но и движения по продольной оси. При этом контроль движения по нормальной и поперечной осям объекта с учетом сигналов ω датчика продольной угловой скорости объекта, n датчика продольной перегрузки объекта, V датчика нормальной скорости объекта, V датчика поперечной скорости объекта, датчика синуса тангажа по выражениям (6)-(9) является полным и учитывает все составляющие и взаимосвязи движения объекта, чего нет в прототипе. Полный учет произвольного в пространстве, маневренного по боковым движениям V, V, поведения объекта, характерного для современного летательного аппарата, представляется исключительно важным отличием заявляемого устройства. Контроль охватывает все сигналы углового и линейного движения объекта, а значит обладает высокой полнотой.
Проведенный заявителем анализ уровня техники установил, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественных всем признакам заявленного устройства для комплексного контроля датчиков подвижного объекта, отсутствуют, следовательно, заявленное изобретение соответствует условию “новизна”.
Результаты поиска известных технических решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники.
Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата и изобретение не основано на:
- дополнении известного устройства-аналога какой-либо известной частью, присоединенной к нему по известным правилам, для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно этого дополнения;
- замене какой-либо части устройства-аналога другой известной частью для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такого дополнения;
- исключении какой-либо части устройства-аналога с одновременным исключением, обусловленной ее наличием функции, и достижением обычного для такого исключения результата;
- увеличении количества однотипных элементов для усиления технического результата, обусловленного наличием в устройстве именно таких элементов;
- выполнении известного устройства-аналога или его части из известного материала для достижения технического результата, обусловленного известными свойствами материала;
- создании устройства, состоящего из известных частей, выбор которых и связь между которыми осуществлены на основании известных правил, и достигаемый при этом технический результат обусловлен только известными свойствами частей этого устройства и связей между ними;
- изменении количественного признака (признаков) устройства и предоставлении таких признаков во взаимосвязи либо изменении вида взаимосвязи, если известен факт влияния каждого из них на технический результат и новые значения этих признаков или их взаимосвязь могли быть получены исходя из известных зависимостей, следовательно, заявленное изобретение соответствует “изобретательскому уровню”.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 изображена структурная схема устройства для комплексного контроля датчиков подвижного объекта и приняты следующие обозначения:
1-1 - датчик поперечной угловой скорости объекта;
1-2 - датчик нормальной угловой скорости объекта;
1-3 - датчик продольной угловой скорости объекта;
2-1 - первый умножитель;
2-2 - второй умножитель;
2-3 - третий умножитель;
2-4 - четвертый умножитель;
2-5 - пятый умножитель;
2-6 - шестой умножитель;
2-7 - седьмой умножитель;
2-8 - восьмой умножитель;
3-1 - датчик продольной скорости объекта;
3-2 - датчик нормальной скорости объекта;
3-3 - датчик поперечной скорости объекта;
4-1 - первый сумматор;
4-2 - второй сумматор;
4-3 - третий сумматор;
5-1 - датчик нормальной перегрузки объекта;
5-2 - датчик поперечной перегрузки объекта;
5-3 - датчик продольной перегрузки объекта;
6 - датчик косинуса крена объекта;
7 - датчик косинуса тангажа объекта;
8 - датчик синуса крена объекта;
9 - датчик синуса тангажа объекта;
10-1 - первый дифференциатор;
10-2 - второй дифференциатор;
10-3 - третий дифференциатор;
11-1 - первый компаратор;
11-2 - второй компаратор;
11-3 - третий компаратор;
12 - схема ИЛИ.
Устройство для контроля датчиков подвижного объекта содержит датчик 1-1 поперечной угловой скорости объекта, датчик 1-2 нормальной угловой скорости объекта и датчик 1-3 продольной угловой скорости объекта по осям связанной системы координат. Первый вход первого умножителя 2-1 соединен с выходом датчика 3-1 продольной скорости объекта, второй вход - с выходом датчика 1-1 поперечной угловой скорости объекта, а выход - с первым вычитающим входом первого сумматора 4-1. Первый вход второго умножителя 2-2 соединен с выходом датчика 3-1 продольной скорости объекта, второй вход - с выходом датчика 1-2 нормальной угловой скорости объекта, а выход - с первым суммирующим входом второго сумматора 4-2. Второй суммирующий вход первого сумматора 4-1 соединен с выходом датчика 5-1 нормальной перегрузки объекта, третий вычитающий вход - с выходом третьего умножителя 2-3, входы которого, в свою очередь, подключены к выходам датчика 6 косинуса крена объекта и датчика 7 косинуса тангажа объекта. Второй суммирующий вход второго сумматора 4-2 соединен с выходом датчика 5-2 поперечной перегрузки объекта, третий суммирующий вход - с выходом четвертого умножителя 2-4, входы которого, в свою очередь, подключены к выходам датчика 8 синуса крена объекта и датчика 7 косинуса тангажа объекта. Первый вычитающий вход третьего сумматора 4-3 соединен с выходом датчика 9 синуса тангажа объекта, второй суммирующий вход - с выходом датчика 5-3 продольной перегрузки объекта, третий суммирующий вход - с выходом пятого умножителя 2-5, входы которого соединены с выходами датчика 1-1 поперечной угловой скорости объекта и датчика 3-2 нормальной скорости объекта. Четвертый вычитающий вход третьего сумматора соединен с выходом шестого умножителя 2-6, входы которого соединены с выходом датчика 1-2 нормальной угловой скорости объекта и с выходом датчика 3-3 поперечной скорости объекта, пятый вычитающий вход, через первый дифференциатор 10-1, соединен с выходом датчика 3-1 продольной скорости объекта. Четвертый вычитающий вход второго сумматора 4-2, через второй дифференциатор 10-2, соединен с выходом датчика 3-3 поперечной скорости объекта. Пятый вычитающий вход второго сумматора 4-2 соединен с выходом седьмого умножителя 2-7, входы которого соединены с выходами датчика 1-3 продольной угловой скорости объекта и датчика 3-2 нормальной скорости объекта. Четвертый вычитающий вход первого сумматора 4-1, через третий дифференциатор 10-3, соединен с выходом датчика 3-2 нормальной скорости объекта. Пятый суммирующий вход первого сумматора 4-1 соединен с выходом восьмого умножителя 2-8, входы которого соединены с выходами датчика 1-3 продольной угловой скорости и датчика 3-3 поперечной скорости объекта. Выходы первого 4-1, второго 4-2, третьего 4-3 сумматоров, соответственно через первый 11-1, второй 11-2, третий 11-3 компараторы, соединены с входами схемы ИЛИ 12, выход которой является выходом устройства.
X
Y
Z
X
Y
Z
X
Y
Z
X
Y
Z
X
Y
Z
X
Y
Z
X
Y
Z
X
Y
Z
Практическая реализация устройства для комплексного контроля датчиков подвижного объекта возможна на аналоговой и цифровой схемотехнической базе [3-6]. При этом возможен весьма широкий набор практических схем и типов контролируемых датчиков бортового оборудования объекта, определяющих продольную n, нормальную n, поперечую n перегрузки объекта, проекцию вектора угловой скорости ω на продольную ось, проекцию вектора угловой скорости ω на нормальную ось, проекцию вектора угловой скорости ω на поперечную ось, синуса sinγ, косинуса cosγ крена и синуса sinϑ, косинуса cosϑ тангажа объекта, а также проекцию вектора скорости V на продольную ось, проекцию вектора скорости V на нормальную ось и проекцию вектора скорости V на поперечную ось объекта. Перечисленные датчики параметров движения входят в состав типовых схем систем автоматического управления (типа САУ-10, САУ-451, КСЭИС, КСУ-130, СИВПП-В и др.)[1, с.92-102; 7, с.204; 8, с.690; 9, с.141] пилотажно-навигационных комплексов летательных аппаратов. В качестве датчиков горизонтальной ориентации параметров sinϑ, cosϑ, sinγ, cosγ могут применяться гировертикали типа МГВ-1, МГВ-4, АГД-1, авиагоризонты с дистанционными СКТ-выходами типа АГБ-96, АГБ-98, АГР-29, АГР-81, АГР-72, инерциальные курсовертикали типа ИКВ-1, ИКВ-8, ИКВ-72, Ц-060, СБКВ, 802, 705 инерциальные платформенные и бесплатформенные системы типа И-11, И-21, ИНС-2000, И-42 и др. Датчики проекций вектора угловой скорости на оси связанной системы координат объекта параметров ω, ω, ω включают большое число типовых гироскопических датчиков угловых скоростей от распространенных ДУСУ1, ДУСУ-АС и ДУСУ-М до волоконно-оптических и лазерных ДУСв-5, ДУС-500, ГЛ-2 низкой степени интеграции измерителей. Датчики нормальной, поперечной, продольной перегрузок параметров n, n, n движения объекта могут включать типовые ДЛУ-26, ДЛУК, ДП1-9М, МП-95, ДА-9, ДА-10, ДА-11 и др. акселерометры широкого применения, а также перспективные микромеханические инерциальные измерительные блоки высокой интеграции одновременно измеряемых параметров ω, ω, ω, n, n, n, например, типа ИИБ, БА-50, ДУС-ММГ, ИБД-42, ИБД, АИСТ-320. Датчики проекций вектора скорости объекта на его продольную, поперечную и нормальную ось параметров V, V, V движения могут использовать аэрометрические или радиотехнические измерители бортового оборудования, например, типа ДИВ-1, ДИСС-15, ДИСС-32, П-11, А-077, спутниковые навигационные приемники СН-3301, А-737, А-744, СНС-2, АБРИС, системы воздушных сигналов типа ИКВСП-2, СВС-В1, СВС-2Ц, СВС-85, ДАУ-72, СВС-В1, ПКР-1. Реализация алгоритма контроля возможна программными средствами БЦВМ 80-30ХХХ или БЦВМ 80-40ХХХ, БЦВМ 90-60ХХХ, БЦВМ-486, имеющими высокие значения наработки на отказ в составе бортовых авиационных комплексов [3, с.87, 131, 224, 340; 10, с.178; 11, с.537; 12, с.272 и др.].
Z
Y
X
X
Y
Z
П
П
П
Устройство для комплексного контроля датчиков подвижного объекта работает следующим образом. Сигнал с выхода датчика 1-1 поперечной угловой скорости объекта, пропорциональный ω, поступает на один вход умножителя 2-1 и умножителя 2-5. Одновременно на один вход умножителя 2-2 и умножителя 2-6 поступает выходной сигнал датчика 1-2 нормальной угловой скорости объекта, пропорциональный ω, а на входы умножителя 2-7 и умножителя 2-8 поступает выходной сигнал датчика 1-3 продольной угловой скорости объекта, пропорциональный ω. На другой вход умножителя 2-1, умножителя 2-2 поступает сигнал с выхода датчика 3-1 продольной скорости объекта, пропорциональный V. На другой вход умножителя 2-5 и умножителя 2-7 поступает сигнал с выхода датчика 3-2 нормальной скорости объекта, пропорциональный V. На другой вход умножителя 2-6 и умножителя 2-8 поступает сигнал с выхода датчика 3-3 поперечной скорости объекта, пропорциональный V. Выходные сигналы умножителей 2-1, 2-2, 2-5, 2-6, 2-7, 2-8 образуют оценки добавочных ускорений движения объекта из-за его маневрирования. Выходной сигнал умножителя 2-1 поступает на первый вычитающий вход сумматора 4-1, на второй суммирующий вход которого поступает выходной сигнал датчика 5-1 нормальной перегрузки объекта, на третий вычитающий вход - выходной сигнал умножителя 2-3, перемножающего сигналы датчика 6 косинуса крена объекта и датчика 7 косинуса тангажа объекта, на четвертый вычитающий вход - продифференцированный в дифференциаторе 10-3 выходной сигнал датчика 3-2 нормальной скорости объекта, на пятый суммирующий вход - выходной сигнал умножителя 2-8. Выходной сигнал умножителя 2-2 поступает на первый суммирующий вход сумматора 4-2, на второй суммирующий вход которого поступает выходной сигнал датчика 5-2 поперечной перегрузки объекта, на третий суммирующий вход - выходной сигнал умножителя 2-4, перемножающего сигналы датчика 7 косинуса тангажа объекта и датчика 8 синуса крена объекта, на четвертый вычитающий вход - продифференцированный в дифференциаторе 10-2 выходной сигнал датчика 3-3 поперечной скорости объекта, на пятый вычитающий вход - выходной сигнал умножителя 2-7. Выходной сигнал датчика 9 синуса тангажа объекта поступает на первый вычитающий вход сумматора 4-3, на второй суммирующий вход которого поступает выходной сигнал датчика 5-3 поперечной перегрузки объекта, на третий суммирующий вход - выходной сигнал умножителя 2-5, на четвертый вычитающий вход - выходной сигнал умножителя 2-6, на пятый вычитающий вход - продифференцированный в дифференциаторе 10-1 выходной сигнал датчика 3-1 продольной скорости объекта. Сигналы на первом, четвертом, пятом входах сумматора 4-1 поступают на входы с коэффициентом пропорциональности . Сигналы на первом, четвертом, пятом входах сумматора 4-2 также поступают на входы с коэффициентом пропорциональности . Аналогично сигналы на третьем, четвертом, пятом входах сумматора 4-3 поступают на входы с коэффициентом пропорциональности , что следует из выражений (6)-(8). Выходной сигнал сумматора 4-1 поступает на компаратор 11-1, где происходит его сравнение с полем допуска Ф1, величина которого определяется допустимыми погрешностями контролируемых датчиков. Аналогично выходной сигнал сумматора 4-2 поступает на компаратор 11-2, а выходной сигнал сумматора 4-3 - на компаратор 11-3. Поля допусков Ф2 и Ф3 также определяются допустимыми погрешностями исправных контролируемых датчиков. Выход за поле допуска одного или нескольких выходных сигналов сумматоров 4-1, 4-2, 4-3 ведет к срабатыванию компараторов, которое, через логическую схему ИЛИ, передается сигналом отказа на выход устройства.
X
X
Д
Д
Д.БКК
Таким образом, в соответствии с полным учетом пространственного движения объекта при получении выражения (6)-(9), для заявляемого устройства комплексного контроля отсутствуют отмеченные недостатки прототипа. Устройство контролирует и датчики параметров sinϑ, n, ω при его произвольном пространственном движении. Оно обладает наибольшей информационной производительностью I=3,993÷4,365 бит/с, что в 1,75-1,93 раза больше, чем у прототипа. Достоверность контроля пилотажно-навигационного комплекса высокой степени интеграции датчиков на ИКВ-802, ДИСС-016, ИИБ и БЦВМ 80-30301 для заявляемого устройства составляет P(2)=0,866059 на 2 часа полета, что соответствует времени достоверного контроля T=13,9 ч. Это много больше времени полета t=2 ч, а значит заявляемое устройство будет выявлять именно отказы датчиков в полете. В отличии от аналога - варианта избыточного контроля с мажоритарными блоками БКК, когда время достоверного контроля только Т=2,5 ч, здесь при минимальном весе, габаритах, энергопотреблении, стоимости аппаратных средств комплекса время его достоверного обнаружения отказа в 5,56 раза больше, при много большей полноте числа контролируемых датчиков. В прототипе время достоверного контроля датчиков меньше в 1,77 раза, чем у заявляемого устройства. Обладая наибольшей информационной производительностью, заявляемое устройство работоспособно при любых пространственных маневрах объекта и реализуемо для большого числа вариантов датчиков названных параметров движения. Оно реализуется в безынерционном контрольном алгоритме параллельно с основным вычислительным процессом управления объектом с БЦВМ. Сложность алгоритмической реализации минимальна. При этом контролем охвачены все критические с точки зрения управления неустойчивым объектом датчики.
Таким образом, приведенные сведения доказывают, что при осуществлении заявленного изобретения выполняются следующие условия:
- средство, воплощяющее устройство-изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в авиационной технике и, в частности, для комплексного контроля систем управления пилотажно-навигационных комплексов беспилотных, пассажирских и транспортных самолетов и вертолетов. Оно может использоваться для определения исправности датчиков в полете;
- для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных или других известных до даты подачи заявки средств;
- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить получение указанного технического результата.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности “промышленная применимость”.
Источники информации
1. Боднер В.А. Системы управления летательными аппаратами. М.: Машиностроение, 1973. 506 с.
2. Голинкевич Т.А. Оценка надежности радиоэлектронной аппаратуры. М.: Советское радио, 1969. 176 с.
3. Авионика России. Энциклопедический справочник. / Под ред. С.Д.Бодрунова. СПб.: Национальная Ассоциация авиаприборостроителей, 1999, 780 с.
4. Авиационная радионавигация: Справочник. / А.А.Сосновский, И.А.Хаймович, Э.А.Лутин, И.Б.Максимов. Под ред. А.А.Сосновского. М.: Транспорт, 1990. 264 с.
5. Аналоговые и цифровые интегральные микросхемы: Справочное пособие / С.В.Якубовский, Н.А.Барканов, Л.И.Ниссельсон и др. / Под ред. С.В.Якубовского. М.: Радио и связь, 1984 г., с.432.
6. Смолов В.Б. Функциональные преобразователи информации. Л.: Энергоиздат, 1981, с.248.
7. Анучин О.Н., Комарова И.Э., Порфирьев Л.Ф. Бортовые системы навигации и ориентации искусственных спутников Земли. СПб.: ГНЦ РФ ЦНИИ "Электроприбор", 2004. 326 с.
8. Макаров Н.Н. Системы обеспечения безопасности функционирования бортового эргатического комплекса: теория, проектирование, применение / Под ред. В.М.Солдаткина. М.: Машиностроение, 2009. 759 с.
9. Алтухов В.Ю., Стадник В.В. Гироскопические приборы, автоматические бортовые системы управления самолетов и их техническая эксплуатация. М.: Машиностроение, 1991. 160 с.
10. Флеров А.Г., Тимофеев В.Т. Доплеровские устройства и системы навигации. М.: Транспорт, 1987. 191 с.
11. Авиация ПВО России и науно-технический прогресс: боевые комплексы и системы вчера, сегодня, завтра / Под ред. Е.А.Федосова. М.: Дрофа, 2004. 816 с.
12. Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС / Под ред. В.Н.Харисова, А.И.Перова, В.А.Болдина. М.: ИПРЖР, 1998. 400 с.