ДАТЧИК КРЕНА И ОБОРОТОВ БЫСТРОВРАЩАЮЩЕГОСЯ ОБЪЕКТА

Предлагаемая полезная модель относится к области приборостроения и может быть использована в системах ориентации, определяющих параметры движения объекта, в частности перемещения, линейной скорости, угловой скорости относительно инерциальной, географической, стартовой или других систем координат.
При разработке быстровращающихся объектов (например, ракет, быстровращающихся снарядов, инклинометров) возникает проблема определения параметров движения объекта, требующая решения дополнительных задач. Обычно для решения таких задач применяются инерциальные навигационные системы, которые делятся на платформенные или бесплатформенные. Выбор инерциальной навигационной системы завит от динамики объекта и целого ряда эксплуатационных характеристик и точностных требований. Такие системы состоят, обычно, из трех гироскопов и трех акселерометров и содержат, при необходимости, одно-, двух- или трехстепенный карданов подвес.
Недостатком таких систем являются большие габариты, сложность прибора, слабая виброустойчивость и высокая цена.
Известен способ определения параметров ориентации и навигации подвижных объектов, включающий измерение линейных и угловых параметров, определение параметров ориентации объекта относительно опорной системы координат и определение координат объекта (патент РФ №2059205, МКИ G01С 21/00, 1992 г.).
Указанный способ позволяет исключить погрешность, связанную с вращением опорной системы координат.
Недостатком способа является то, что он не может обеспечить необходимую точность определения параметров быстровращающихся подвижных объектов.
Известно измерительное устройство для измерения параметров движения (Патент США №4,901,565, МКИ G01С 21/00, публ. 1990 г.).
Его недостаток состоит в том, что с его помощью нельзя решать навигационную задачу в условиях расширения эксплуатационных характеристик быстровращающихся подвижных объектов и ограничения возможностей измерителей параметров движения.
Известна бесплатформенная инерциальная навигационная система (датчик крена и оборотов) для быстровращающихся объектов, содержащая измерители параметров объекта, подключенные к вычислителю навигационных параметров, измерители параметров объекта выполнены в виде установленных в корпусе объекта пяти акселерометров, датчика угловой скорости и термодатчика, причем оси чувствительности первой пары акселерометров ориентированы в одной плоскости с осью быстрого вращения объекта и отклонены от нее в разных направлениях на угол 45°, оси чувствительности второй пары акселерометров ориентированы в противоположные стороны в направлении, параллельном оси, проходящей через центры установочных отверстий в корпусе объекта, ось чувствительности пятого акселерометра ориентирована в направлении, параллельном оси, ортогональной оси быстрого вращения объекта, и оси, проходящей через центры установочных отверстий в корпусе, а ось чувствительности датчика угловой скорости ориентирована вдоль оси, проходящей через центры установочных отверстий в корпусе объекта, при этом информационные выходы пяти акселерометров, датчика угловой скорости и термодатчика подключены к информационным входам микропроцессора (патент РФ №2256881 МКИ G01С 21/16, опубликован 20.07.2005). В этом датчике реализован способ определения параметров ориентации и навигации, в котором для определения параметров ориентации и навигации подвижных объектов, включающем измерение линейных и угловых параметров, определение параметров ориентации объекта относительно опорной системы координат и определение координат объекта, для обеспечения результата в качестве измерителей угловой скорости используют акселерометры, оси чувствительности, по меньшей мере, двух из которых ориентированы в направлениях, не совпадающих направлением оси быстрого вращения объекта и не ортогональных к этому направлению, а сами параметры ориентации и навигации быстровращающихся объектов получают с учетом обработки сигналов с указанных акселерометров с помощью решения системы дифференциальных уравнений с использованием параметров Родриго-Гамильтона или Кейли-Кейна.
Недостатком указанного датчика является его относительно низкая надежность, значительные габариты и высокая стоимость из-за большого количества первичных преобразователей и сложности устройства.
Техническим результатом данной полезной модели является повышение надежности, уменьшение габаритов, стоимости и сложности устройства датчика при одновременном сохранении функциональных возможностей.
Указанный технический результат достигается тем, что в датчике крена и оборотов для быстровращающихся объектов, содержащем измерители параметров объекта, в виде установленных в корпусе объекта акселерометров, связанных с вычислителем параметров объекта, 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.
Кроме того, вычислитель параметров объекта может быть выполнен в виде микроконтроллера, двух канальных 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.
Предлагаемая полезная модель иллюстрируется чертежами.
На фиг.1 - представлена система координат связанная с объектом, и стартовая система координат;
На фиг.2 - блок-схема датчика крена.
Здесь:
1 - измеритель параметров в виде двух акселерометров;
2 - микроконтроллер; 2.1, 2.2 - разъемы входных и выходных клемм микроконтроллера;
3 - усилитель первого канала;
4 - усилитель второго канала;
5 - стабилизатор напряжения.
Для обеспечения измерения применены следующие системы координат:
СВ
СВ
СВ
Ось XYZ - система координат, связанная с объектом;
СТ
СТ
СТ
Ось XYZ - начально-стартовая система координат.
СВ
СВ
СВ
СВ
Система координат OXYZ связана с объектом:
СВ
СВ
- оси Y и Z, лежат в плоскости, параллельной установочной плоскости прибора, проходящей через посадочные площадки изделия;
СВ
СВ
СВ
- ось Х перпендикулярна плоскости YZ и направлена в сторону полета объекта;
СВ
- ось Y проходит через центры установочных отверстий;
СТ
- ось X направлена по азимуту стрельбы, лежит в плоскости местного горизонта;
СТ
СТ
- ось Y направлена перпендикулярно оси Х и лежит в плоскости местного горизонта;
СТ
СТ
- ось ОY перпендикулярна плоскости местного горизонта и направлена вверх;
СТ
СТ
СТ
СТ
СТ
СТ
СТ
СТ
- оси OX и OZ определяют плоскость местного горизонта, а оси ОХ и ОY - плоскость стрельбы.
Акселерометры жестко связаны с корпусом измерителя 1, который через свои установочные отверстия жестко привязан к корпусу объекта. При этом линия, проходящая через центры отверстий, определяет направления поперечных осей объекта (осей связанной системы координат объекта).
СВ
СВ
СВ
СВ
СВ
СВ
Оси чувствительности акселерометров А1 и А2 расположены в плоскости YZ и совпадают с погрешностью установки с осями OY и OZ соответственно.
СВ
Данное расположение акселерометров выбрано таким образом для того, чтобы линейные ускорения, действующие вдоль оси Х, при проецировании на оси чувствительности были минимальны.
СВ
СВ
Сигнал, измеряемый акселерометрами А1 и А2, будет содержать информацию о линейных ускорениях, действующих по осям Y и Z и проекцию вектора g.
Таким образом, мы получили кинематическую схему, с датчиков которой поступают сигналы, содержащие информацию:
СВ
- о линейном ускорении по оси Х,
СВ
- о линейном ускорении по оси Y;
что позволяет использовать такую схему и для определения угловой скорости и в качестве датчика крена.
Оси Х,У измерителя 1 расположены под углом 90 градусов относительно друг друга. Кроме этого, оси X, У должны быть расположены перпендикулярно оси вращения объекта.
Аналоговые сигналы с двухосного акселерометра поступают на аналогово-цифровой преобразователь микроконтроллера 1, где преобразуются в цифровой вид.
Алгоритм работы датчика крена заключается в следующем:
С началом вращения объекта, при переходе через нуль показаний акселерометра по оси X, включается таймер (не показан) микроконтроллера. Далее ожидается прохождение через нуль показаний акселерометра по оси У, при котором производится выключение таймера. Время, измеренное таймером, умноженное на четыре, составляет полный оборот объекта. В блоке ШИМ (не показан) микроконтроллера формируются импульсы, период следования которых равен периоду вращения объекта. Усилитель 3 предназначен для согласования уровней по напряжению и току с требованиями потребителя.
Для получения необходимой дискретности углового положения объекта при вращении, время, соответствующее периоду вращения объекта делится на число, соответствующее заданной дискретности. В блоке ШИМ микроконтроллера формируются импульсы, период следования которых соответствует заданной дискретности углового положения объекта. Усилитель 4 предназначен для согласования уровней по напряжению и току с требованиями потребителя. Стабилизатор 5 предназначен для подачи напряжения на элементы датчика крена.
a1
a2
Обозначим углы на фиг.1 - ψ - курс; ϑ - тангаж; γ - крен (вращение), а также U, U - сигналы с акселерометров А1 и А2 соответственно, а, К - линейные ускорения и масштабные коэффициенты акселерометров соответственно.
Выходные сигналы с акселерометров А1 и А2 характеризуются системой уравнений:
Угол γ определяется с помощью анализа модуляции ускорения свободного падения g, присутствующей в сигнале каждого акселерометра.
YСВ
ZСВ
Проекции угловой скорости ω и ω равны ее проекции на ось чувствительности в фазах угла γ:
YСВ
при γ=0°→ω;
ZСВ
при γ=90°→ω;
-
YСВ
при γ=180°→ω;
-
ZСВ
при γ=270°→ω;
Таким образом, предлагаемая полезная модель обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в повышении надежности, уменьшении габаритов, стоимости и сложности устройства датчика при одновременном сохранении функциональных возможностей.