Устройство для выставки инерциальных датчиков

 

Изобретение относится к системам инерциальной навигации и управления движущимися объектами и может быть использовано для начальной выставки ортогональных инерциальных измерителей для объектов, совершающих произвольное движение в пространстве. Целью изобретения является увеличение точности выставки. На первом, второй и третьем инерциальных 3,4,5 датчиках появляются полезные сигналы. Эти сигналы поступают на вход блока 12 вычисления минимизируемой функции, куда также вводится информация о конструктивных погрешностях с первого по шестой инерциальных 3,4,5,6,7,8 датчиков из блока 18 хранения априорной информации. По алгоритму минимизации погрешности модуля полезного сигнала вычисляют величины оптимальных углов выставки измерительного трехгранника 2 относительно базового трехгранника 1, которые соответствуют минимуму модуля полезного сигнала. Сигналы с выхода коммутатора 24, соответствующие значениям этих углов, подаются соответственно на неинвертирующие входы первого, второго и третьего сумматоров 13,14,15 на инвертирующие входы которых поступают сигналы с выходом с первого по третий датчиков 9,10,11 углов. На выходах с первого по третий сумматоров 13,14,15 формируются сигналы рассогласования оптимальных и реальных углов начальной выставки измерительного трехгранника 2 относительно трех осей базового трехгранника 1. Сигналы рассогласования после усиления в усилителе 16 поступают на первый, второй и третий датчики 25,26,27 моментов, работающих в режиме электрической пружины. 1 ил.

Изобретение относится к системам инерциальной навигации и управления движущимися объектами и может быть использовано для начальной выставки ортогональных инерциальных измерителей для объектов, совершающих произвольное движение в пространстве. Целью изобретения является увеличение точности выставки за счет компенсации инструментальных погрешностей выставляемых датчиков. На чертеже приведена структурная схема устройства выставки инерциальных датчиков. Устройство для выставки инерциальных датчиков содержит базовый 1 и измерительный 2 ортогональные трехгранники, инерциальные с первого по шестой датчики 3, 4, 5, 6, 7, 8, с первого по третий датчики 9, 10, 11 углов, блок 12 вычисления минимизируемой функции, с первого по третий сумматоры 13, 14, 15, усилитель 16, трехстепенный 17 кардановый подвес, блок 18 хранения априорной информации, блок 19 вычисления максимального значения градиента, блок 20 вычисления направляющих косинусов и их частичных производных, блок 21 вычисления градиента минимизируемой функции, блок 22 вычисления оптимальных углов поворота измерительного трехгранника, блок 23 сравнения, коммутатор 24, кардановый подвес 17 состоит из наружной и внутренней рамок и установленных по его осям первого, второго и третьего датчиков 25, 26, 27 моментов. Устройство работает следующим образом. В начальный момент времени, т.е. до начала движения объекта (не показан), на первом, втором и третьем инерциальных 3, 4, 5 датчиках появляются полезные сигналы, соответствующие проекциям на оси базового ортогонального трехгранника 1 величины ускорения силы тяжести в данный момент времени. Эти сигналы поступают на вход блока 12 вычисления минимизируемой функции, в который, кроме того, вводится информация о конструктивных погрешностях с первого по шестой инерциальных 3, 4, 5, 6, 7, 8 датчиков из блока 18 хранения априорной информации. Блоки 12 вычисления минимизируемой функции, 19 вычисления максимального значения градиента, 20 вычисления направляющих косинусов и их частных производных, 21 вычисления градиента минимизируемой функции, 22 вычисления оптимальных узлов поворота измерительного трехгранника, 23 сравнения, коммутатор 24 по сигналам с выходов первого, второго и третьего инерциальных 3, 4, 5 датчиков и сигналом из блока 18 хранения априорной информации реализуют алгоритм минимизации погрешности модуля полезного сигнала. По алгоритму минимизации погрешности модуля полезного сигнала вычисляют величины оптимальных углов выставки измерительного трехгранника 2 относительно базового трехгранника 1, которые соответствуют минимуму модуля полезного сигнала в начальный момент времени. Сигналы с выхода коммутатора 24, соответствующие значениям этих углов, подаются соответственно на неинвертирующие входы первого, второго и третьего сумматоров 13, 14, 15. При этом на соответствующие инвертирующие входы первого, второго и третьего сумматоров 13, 14, 15 поступают сигналы с соответствующих с первого по третий датчиков 9, 10, 11 углов, пропорциональные углам начальной выставки измерительного трехгранника 2. На выходах соответствующих первого, второго и третьего сумматоров 13, 14, 15 формируются сигналы, которые являются сигналами рассогласования оптимальных и реальных углов начальной выставки измерительного трехгранника 2 относительно трех осей базового трехгранника 1. Эти сигналы усиливаются в усилителе 16 и поступают соответственно на входы первого, второго и третьего датчиков 25, 26, 27 моментов, трехстепенного 17 карданов подвеса. Первый, второй, третий датчики 25, 26, 27 моментов работают в режиме электромагнитной пружины, т.е. развиваемый момент пропорционален входному сигналу первого, второго и третьего датчиков 25, 26, 27 моментов разворачивают рамки трехстепенного 17 карданова подвеса и соответственно измерительный ортогональный трехгранник 2 относительно трех осей базового трехгранника 1 до тех пор, пока входные сигналы первого, второго и третьего датчиков 25, 26, 27 моментов не станут равными нулю, т.е. реальные и оптимальные углы выставки станут равными между собой. Первый, второй и третий датчики 9, 10, 11 углов воспринимают углы поворота рамок трехстепенного 17 карданова подвеса и соответственно измерительного трехгранника 2. Оси вращения рамок трехстепенного 17 карданова подвеса связаны с движками потенциометров (на чертеже не показаны) первого, второго и третьего датчиков 9, 10, 11 углов. При повороте рамок трехстепенного 17 карданова подвеса движки потенциомеров перемещаются и величины электрических сигналов, снимаемых с первого, второго и третьего датчиков 9, 10, 11 углов, пропорциональны углам поворота измерительного трехгранника 2, т.е. углам реальной выставки третьего, четвертого, пятого инерциальных датчиков 6, 7, 8. На третьем, четвертом и пятом инерциальных 6, 7, 8 датчиках формируются сигналы, соответствующие величинам проекции вектора полезного сигнала (ускорения силы тяжести Земли) на оси измерительного трехгранника, которые являются выходными сигналами устройства. В течение времени навигационных измерений, т.е. при движении объекта, навигационные измерения происходят за каждый интервал дискретности, который определен законо- мерностью движения объекта (быстротой измерения параметров движения объекта). На первом, втором, третьем инерциальных 3, 4, 5 датчиках формируются сигналы, соответствующие проекциям погрешности вектора кажущегося ускорения центра масс объекта на оси базового ортогонального трехгранника 1. Сигналы с первого, второго и третьего инерциальных 3, 4, 5 датчиков поступают в блок 12 вычисления минимизируемой функции, куда также подается априорная информация о конструктивных погрешностях с первого по шестой инерциальных 3, 4, 5, 6, 7, 8 датчиков. Блоки 12 вычисления минимизируемой функции, 19 вычисления максимального значения градиента, 20 вычисления направляющих косинусов и их частиц производных, 21 вычислений градиента минимизируемой функции, 22 вычисления оптимальных углов поворота измерительного трехгранника, 23 сравнения, коммутатор 24 по сигналам с выходом первого, второго и третьего инерциальных 3, 4, 5 датчиков и сигналам из блока 18 хранения априорной информации реализуют алгоритм минимизации погрешности модуля полезного сигнала. По алгоритму минимизации погрешности модуля вектора полезного сигнала вычисляют величины оптимальных углов, которые соответствуют минимуму погрешности модуля вектора кажущегося ускорения центра масс объекта в текущий момент времени навигационных измерений. Сигналы, соответствующие значениям этих углов, поступают с выхода коммутатора 24 соответственно на неинвертирующие входы соответственно первого, второго и третьего сумматоров 13, 14, 15. При этом с первого, второго и третьего датчиков 9, 10, 11 углов на инвертирующие входы первого, второго и третьего сумматоров 13, 14, 15 поступают сигналы, соответствующие углам реальной выставки измерительного трехгранника 2 в данный момент времени. На выходах первого, второго и третьего сумматоров 13, 14, 15 формируются сигналы рассогласования оптимальных и реальных углов выставки измерительного трехгранника 2. Эти сигналы усиливаются в усилителе 16 и поступают на входы первого, второго и третьего датчиков 25, 26, 27 моментов трехстепенного 17 карданова подвеса. Первый, второй и третий датчики 25, 26, 27 моментов развивают моменты, пропорциональные входным сигналам, и разворачивают рамки трехстепенного 17 карданова подвеса и соответственно измерительный трехгранник 2, с расположенными по его осям четвертым, пятым и шестым инерциальными 6, 7, 8 датчиками относительно трех осей базового трехгранника 1 до тех пор, пока входные сигналы первого, второго, третьего датчиков 25, 26, 27 моментов не станут равными нулю, то есть реальные и оптимальные углы выставки станут равными между собой. Первый, второй и третий датчики 9, 10, 11 углом воспринимают углы поворота рамок трехстепенного 17 карданова подвеса и соответственно измерительного трехгранника 2. Оси вращения рамок трехстепенного 17 карданова подвеса связаны с движками потенциометров (на чертеже не показаны) первого, второго и третьего датчиков 9, 10, 11 углов. При повороте рамок трехстепенного 17 карданова подвеса движок потенциометра (на чертеже не показан) перемещается, и величина электрического сигнала, снимаемого с первого, второго и третьего датчиков 9, 10, 11 углов, пропорциональна углам поворота измерительного трехгранника 2. Сигналы с четвертого, пятого и шестого инерциальных 6, 7, 8 датчиков, расположенных по осям измерительного трехугольника 2, соответствуют величинам проекции вектора полезного сигнала в текущий момент времени (за каждый интервал дискретности) на оси измерительного трехгранника 2. Сигналы с четвертого, пятого и шестого инерциальных 6, 7, 8 датчиков и с первого, второго и третьего датчиков 9, 10, 11 углов являются выходными сигналами устройства выставки инерциальных датчиков. В блоках 12 вычисления минимизируемой функции, 19 вычисления максимального значения градиента, 20 вычисления направляющих косинусов и их частных производных, 21 вычисления градиента минимизируемой функции, 22 вычисления оптимальных углов поворота измерительного трехгранника, в блоке 23 сравнения и коммутаторе 24 реализован алгоритм минимизации погрешности модуля полезного сигнала. В дискретные моменты времени с интервалом дискретности Δt на вход блока 12 вычисления минимизируемой функции поступают сигналы с выходов первого, второго и третьего инерциальных 3, 4, 5 датчиков y_i, при i=1, 2, 3. В данном блоке реализована следующая алгоритмическая зависимость: f K²_i·V²_ij·Y²_k·C_ij·C_kn, (1) где f минимизируемая функция; k_i весовые коэффициенты, поступают из блока 18 хранения априорной информации; V_tj погрешности четвертого, пятого и шестого инерциальных 6, 7, 8 датчиков, поступают из блока 18 хранения априорной информации, с_ij, c_kn направляющие косинусы, поступают из блока 20 вычисления направляющих косинусов и их частных производных. Обозначим P_ijnk=K_i²˙ V_ij ˙Y_k² (2) ϕ_ij kn=C_ij ˙Ckn, (3) где P_ij nk- ϕ_ij kn выходные сигналы блока 12 вычисления минимизируемой функции. Для каждого момента времени в блоке 19 вычисления максимального значения градиента реализуется алгоритм: g^s= supremum (g^s, g), (4) где g^s максимальный градиент на предыдущем цикле обработки g_o^s= 0, (5) где g текущее значение градиента минимизируемой функции. Алгоритм (4) реализуется на основе разбиения интервала изменения углов поворота, границы которого V_e^B, V_e^E задаются в блок 19 вычисления максимального значения градиента из блока 18 хранения априорной информации. Блок 20 вычисления направляющих косинусов и их частных производных c_ij, b_ije реализует следующий алгоритм работы: c₁₁ cosV₂cosV₃, c₁₂ -cosV₂sinV₃, c₁₃ sinV₂,
c₂₁ cosV₁sinV₃-sinV₁sinV₂cosV₃,
c₂₂ cosV₁cosV₃+sinV₁sinV₂sinV₃,
c₂₃ sinV₁cosV₂,
c₃₁ sinV₁sinV₃+cosV₁sinV₂cosV₃,
c₃₂ sinV₁cosV₃-cosV₁sinV₂sinV₃,
c₃₃ cosV₁cosV₂. b₁₁₁ 0
b₁₁₂ -sinV₂cosV₃
b₁₁₃ -cosV₂sinV₃
b₁₂₁ 0
b₁₂₂ sinV₂sinV₃
b₁₂₃ -cosV₂cosV₃
b₁₃₁ 0
b₁₃₂ cosV₂
b₁₃₃ 0
b₂₁₁ -sinV₁sinV₃-cosV₁sinV₂cosV₃
b₂₁₂ -sinV₁cosV₂cosV₃ (6)
b₂₁₃ cosV₁cosV₃+sinV₁sinV₂sinV₃
b₂₂₁ -sinV₁cosV₃+cosV₁sinV₂sinV₃
b₂₂₂ sinV₁cosV₂sinV₃
b₂₂₃ -cosV₁sinV₃+sinV₁sinV₂cosV₃
b₂₃₁ -cosV₁cosV₂
b₂₃₂ sinV₁sinV₂
b₂₃₃ 0
b₃₁₁ cosV₁sinV₃-sinV₁sinV₂cosV₃
b₃₁₂ cosV₁cosV₂cosV₃
b₃₁₃ sinV₁cosV₃-cosV₁sinV₂sinV₃
b₃₂₁ cosV₁cosV₃+sinV₁sinV₂sinV₃
b₃₂₂ -cosV₁cosV₂sinV₃
b₃₂₃ -sinV₁sinV₃-cosV₁sinV₂cosV₃
b₃₃₁ -sunV₁cosV₂
b₃₃₂ -cosV₁sinV₂
b₃₃₃ 0
В начальный момент времени на вход блока 20 вычисления направляющих косинусов и их частных производных из блока 18 хранения априорной информации поступают углы V_e в соответствующей левой границе интервала изменения углов поворота, в последующем на вход блока 20 вычисления направляющих косинусов и их частных производных подаются текущие значения углов с выхода коммутатора 24. С первого выхода блока 20 вычисления направляющих косинусов и их частных производных величины С_ij поступают на третий вход блока 12 вычисления минимизируемой функции, а со второго выхода величины b_ije поступают на первый вход блока 21 вычисления градиента минимизируемой функции, второй, третий и четвертый входы которого соединены с соответствующими выходами блока 12 вычисления минимизируемой функции. Блок 21 вычисления градиента минимизируемой функции реализует следующий алгоритм:
Q_e= P_ijnk·2·ϕ_ijkn(b_ijeCkn+ C_ijbkne),
(7)
q_e= Q_e,
(8)
G ,
(9)
g · Q,
(10) где Q_e, q_e, G промежуточные переменные; g градиент минимизируемой функции; q_e выходные параметры блока 21 вычисления градиента минимизируемой функции. q_e поступает на вход блока 22 вычисления оптимальных углов поворота измерительного трехгранника, на другие входы которого поступают сигнал g^s из блока 19 вычисления максимального значения градиента, сигнал d_e^V абсолютной погрешности углов выставки измерительного трехгранника и сигнал V_e^B из блока 18 хранения априорной информации. В блоке 22 вычисления оптимальных углов поворота измерительного трехгранника реализован следующий алгоритм:
S_e= ,
(11)
Δ V_e=S_eq_e, (12)
V_e=V_e- ΔV_e, l=1, 2, 3. (13) где V_e выходной параметр блока 22 вычисления оптимальных углов поворота измерительного трехгранника, который поступает на вход коммутатора 24, на управляющий вход которого подается сигнал с выхода блока 23 сравнения. В блоке 23 сравнения выходной сигнал формируется при невыполнении неравенства
g ≅g^s˙ ε_р, (14) где ε_р относительная погрешность градиента, которая поступает из блока 18 хранения априорной информации. Сигналы g и g^s поступают в блок 23 сравнения с выходов блока 21 вычисления градиента минимизируемой функции и блока 19 вычисления максимального значения градиента. По выходному сигналу блока 23 сравнения коммутатор 24 подключает выход блока 22 вычисления оптимальных углов поворота измерительного трехгранника ко входу блока 20 вычисления направляющих косинусов и их частных производных. При выполнении условия (14) сигнал на выходе блока 23 сравнения отсутствует и процесс определения оптимальных углов поворота измерительного трехгранника закончен и на выходе блока 23 сформированы сигналы, пропорциональные искомым углам.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫСТАВКИ ИНЕРЦИАЛЬНЫХ ДАТЧИКОВ, содержащее первый, второй и третий инерциальные датчики, установленные по осям базового ортогонального трехгранника, четвертый и пятый инерциальные датчики, установленные по осям измерительного ортогонального трехгранника, первый датчик угла и первый датчик момента, расположенные по оси измерительного ортогонального трехгранника, первый сумматор, к первому входу которого подключен выход первого датчика угла, усилитель, первый вход которого подключен к выходу первого сумматора, а первый выход к входу первого датчика момента, отличающееся тем, что, с целью увеличения точности за счет компенсации инструментальных погрешностей выставляемых датчиков, на объектах с произвольным пространственным движением, в него дополнительно введены шестой инерциальный датчик, расположенный на третьей оси измерительного ортогонального трехгранника, второй и третий датчики угла, второй и третий датчики момента, второй и третий сумматоры, последовательно соединенные блок хранения априорной информации, блок вычисления направляющих косинусов и их частных производных, блок вычисления минимизируемой функции, блок, вычисления градиента минимизируемой функции, блок вычисления оптимальных углов поворота измерительного трехгранника и коммутатор, а также блок вычисления максимального значения градиента и блок сравнения, причем к второму входу блока вычисления минимизируемой функции подключены выходы первого, второго и третьего инерциальных измерителей, к третьему и четвертому входам второй и третий выходы блока хранения априорной информации, второй выход блока вычисления градиента минимизируемой функции подключен к первому входу блока вычисления максимального значения градиента и перому входу блока сравнения, второй вход блока вычисления оптимальных углов поворота измерительного трехгранника подключен к четвертому выходу блока хранения априорной информации, третий вход к выходу блока вычисления максимального значения градиента, четвертый вход к первому выходу блока хранения априорной информации, куда также подключен второй вход блока вычисления максимального значения градиента, третий вход которого подключен к пятому выходу блока хранения априорной информации, а выход подключен к второму входу блока сравнения, выход которого подключен к второму управляющему входу коммутатора, первый выход которого подключен к первым входам второго и третьего сумматоров и второму входу первого сумматора, а второй выход к второму входу блока вычисления направляющих косинусов и их частных производных, второй выход которого подключен к второму входу блока вычисления градиента минимизируемой функции, шестой выход блока хранения априорной информации подключен к третьему входу блока сравнения, вторые входы второго и третьего сумматоров подключены соответственно к выходам второго и третьего датчиков углов, выходы второго и третьего сумматоров подключены соответственно к второму и третьему входам усилителя, второй и третий выходы которого подключены соответственно к входам второго и третьего датчиков момента.

РИСУНКИ

Рисунок 1