Блок инерциальных чувствительных элементов с избыточной структурой

 

Изобретение относится к измерению параметров углового движения в инерциальном пространстве. Цель изобретения - повышение точности выходных значений трех взаимно ортогональных фракций измеряемого произвольно направленного векторного параметра при использовании любой пары чувствительных элементов. Блок инерциальных чувствительных элементов с избыточной структурой содержит четыре двухосных чувствительных элементов . При этом плоскости расположения осей чувствительности чувствительных элементов совмещены с плоскостями октаэдрической тетрады, а оси чувствительности расположены в меньшем секторе между осями октаэдрической тетрады, причем по каждой оси октаэдрической тетрады направлено по одной оси чувствительности чувствительных элементов. 4 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 01 С 21/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4859265/22 (22) 14,08.90 (46) 23.04.93. Бюл. М 15 (71) Производственное объединение "Омский электромеханический завод" (72) Ю.И,Галахов и Г,Н,Куличенко (56) AlAA. Digital avionics sistems

Conference, 1988, рр. 128 — 134. AIAA Papes N

88-387 4 ср, ОрОта! optlcration of inertial

sencorfuncions for Flight control and avionics

Jnc К.Kroymann. Bodensuwerk Ceratetechih

Gmbh., P.O, Вох. 1120, 1770. Uberbingen/W — armang, ЦООИТИ, перевод, N 508, (54) БЛОК ИНЕРЦИАЛЪНЫХ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ С ИЗБЫТОЧНОЙ

СТРУКТУРОЙ (57) Изобретение относится к измерению параметров углового движения в инерциИзобретение относится к измерению параметров углового движения в инерциальном пространстве.

Целью изобретения является повышение точности выходных значений трех взаимно ортогональных проекций измеряемого произвольно направленного векторного параметра при использовании любой пары чувствительных элементов.

На фиг. 1 приведена кинематическая схема блока инерциальных чувствительных элементов, с избыточной структурой, на фиг.2 — кинематическая схема расположение чувствительных элементов в прилежащих плоскостях октаэдрической тетрады; на фиг. 3 — то же, в противолежащих плоско„„5U„„1810299 А1 альном пространстве, Цель изобретения— повышение точности выходных значений трех взаимно ортогональных фракций измеряемого произвольно направленного векторного параметра при использовании любой лары чувствительных элементов.

Блок инерциальных чувствительных элементов с избыточной структурой содержит четыре двухосных чувствительных элементов. При этом плоскости расположения осей чувствительности чувствительных элементов совмещены с плоскостями октаэдрической тетрады. а оси чувствительности расположены в меньшем секторе между осями октаэдрической тетрады, причем ло каждой оси октаздрической тетрады направлено по одной оси чувствительности чувствительных элементов, 4 ил. стях; на фиг.4 — функциональная блок-схема блока.

Приняты следующие обозначения:

1 — объект, чьи векторные параметры углового движения измеряются, 2 — 5 инерциальные чувствительные элементы, ОХ>У1Х1 связанную с объектом 1 система координат, N > <, и 12 — оси чувствительного элемента 22, N21 N22 — оси чувствительного элемента 3;

Гчз1, Йз2 — оси чувствительности элемента 4;

N4>, N42 — оси чувствительности элемента 5

1810299 оси Ni и и г (! = 1-4) Ортогональны между собой, ось чувствительности — направление измерения проекции вектора угловой скорости, располагают относительно осей октаэдрической тетрады СХ Х ХзХа Октаэдрическая тетрада представляет "îáîé четырехосную систему координат, оси которой направлены из центра описанной сферы относительно тетраэдра в вершины тетраэдра, Углы между осями октаэдрической тетрады равны 109,50, а углы между плоскостями, образованнМми осями составляют 120 . Октаэдрическая тетрада может произвольным образом располагаться относительно связанной с объектом системы координат OXYZ. В частном случае может быть принято расположение, показанное на фиг,1, где ось

Х1 является общей для указанных систем координат, ось У1 расположена в плоскости

Х1 ОХ2, что задает их однозначное расположение. Плоскость й110й12 осей чувствительности элемента 2 совмещена с плоскостью Xi ОХ2, плоскость и )Ой с плоскостью Х2ОХз, плоскость йз Ойз2 — с плоскостью ХзОХ4 и плоскость й410й42 с плоскостью Х4ОХ1.

Оси чувствительности с меньшем секторе между осями октаэдрической тетрады могут занимать любое положение, которое характеризуется углом а между соответствующей осью октаэдрической тетрады и осью йи (i = 1 — 4). Этот угол можно изменять от 0 до 19,5, причем при любом значении угла в указанном диапазоне точность измерения выше, чем в известном решении, Следует отметить, что фактическое изменение взаимного расположения чувствительных элементов происходит при изменении угла а от 0 до 9,75, При угле а в диапазоне от

9,75 до 19,5 получается симметричное расположение только для другой оси октаэдрической тетрады и оси чувствительности.

При использовании чувствительных элементов в прилежащих плоскостях октаэдрической тетрады (пересечение плоскости по оси октаэдрической тетрады), например, в соответствии с фиг.2 элементов

2 и 5 в плоскостях Х ОХ2 и Х1ОХ4, направляющий косинус между нормалью к плоскости измерения одним чувствительным элементом и ближайшей осью чувствительности другого чувствительного элемента определяется по формуле.

Спр, = C0S 30 COS Q

При использовании чувствительных элементов в противолежащих плоскостях (плоскости измерения перпендикулярны между собой), например, в соответствии с фиг.3 элементов 2 и 4 в плоскости Х1ОХ и

ХзОХ4 соответствующий направляющий косинус между нормалью к плоскости измерения одним чувствительным элементом и ближайшей осью чувствительности другого чувствительного элемента определяется по формуле

Спр0т. = COS (30 + Q)

10 Из приведенных формул видно, что в требуемом диапазоне максимальное значение из направляющих косинусов имеет место при a= 0 и монотонно убывает до угл а =

= 9,750, При a = 0 критичное по точности

15 измерение значения направляющего косинуса составляет 0,866 и при угле а = 9,75

0,769 (Спрот.).

Направляющие косинусы единичных векторов, направленных по осям чувстви20 тельности чувствительных элементов, в выбранной системе координат изделия при а=0 имеет следуюшие значения: й11=(1;0;0;); й1г==(0;1;0); йЬ" =(-0,33;

0,94 О);

Nzz = (-0,474; -0,166; 0,865); йз1 = (-0,33;

-0,47; 0,816); йз2 = (-0,473; -0,68; -0,584); N41 = (-0.33;

-0,47; -0,816);

N4z = (0,94; -0,116; -0,285), 30 где индексация единичных векторов совпадает с индексацией соответствующих осей. . Аналогичные направляющие косинусы при а = 9,75 имеют следующие значения: й11 = (0,986; 0,169; О); Й12 =(-0,169; 0,985;

);

Ф = (-0,083; 0,902; 0.423); Nzz = (-0,493;

-0,324; 0,807); йз = (0,354; -0,612; 0,707); йзг = (-0,354;

-0,612; -0,707);

40 N41 =- (-0,169; -0,493; -0,854); N4z =- (0,986;

-0,085, -0,146)

В процессе углового движения изделия

1 чувствительные элементы 2-5 воспринимают проекции угловой скорости на их оси

45 чувствительности и выдают сигналы о величине данных проекций на вычислительное устройство, где в зависимости от выбранной пары чувствительных элементов определяют вектор угловой скорости в проекциях на

50 оси связанной системы координат ОХ, Y, Z.

При этом для каждой пары чувствительных элементов можно заранее определить с каких осей брать информацию о проекциях и хранить в памяти вычислительного устрой55 ства, Процесс определения проекций у ловой скорости поясняется, в частности на примере использования чувствительных элементов 1 и 4.

1810299

Выбирают вариант расчета, в котором используют информацию по обеим осям чувствительности элемента 1 (Й11 и N 12) и по оси (N41) элемента 2, имеющей максимальный направляющий косинус с плоскостью

М11ОИ12 осей чувствительности элемента 1.

По направляющим косинусам осей чувствительности И11 и N12 в связанной системе координат на основе векторного произведения направляющие косинусы единичного вектора,.направленного по нормали к плоскости N110N12, по формуле ч1 = N11 ч12

Определяют направляющий косинус между нормалью N1 и осью N41 на основе скалярного произведения по формуле

a= N1 N41 и одновременно находят тангенс угла между указанными осями по формуле 1 — а

19

Определяют синус и косинус угла у между осью N11 и проекцией оси N41 на плоскость

N11ON12 на основе векторного произведения, нормировки вектора и скалярных произведений по формулам

Х

X.=N1X N4; Хп =— !

Х1

CoS Q ч12 sin j Xn N11

Указанные выше вычисления не зависят от величины вектора угловой скорости и конечные величины могут быть вычислены предварительно для каждой пары чувствительных элементов и храниться в памяти вычислительного устройства.

Далее на основе полученных расчетных данных и измерений проекций угловой скорости на оси.чувствительности элементов 1 и 4 определяют проекции угловой скорости в связанной системе координат следующим образом.

По информации о скорости относительно осей N11 и N12 определяют проекцию вектора скорости на плоскость N10N41 по формуле си1 =N11 сов у+в12 sin y где: со11, в12 — проекции угловых скоростей по осям N11 и N12 соответственно. По полученному значению и проекции скорости на ось N41 определяют проекцию угловой ско-. рости по оси N1 по формуле:

®13 = ш11 <9 +

N41 а где ац1 — проекция угловой скорости на ось

N41.

По полученному и измеренным значениям N11, а)12, в1з, являющимся ортогональными проекциями в системе координат, связанной с элементом 1, через направляющие косинусы осей N11; N12; NI определяют проекции вектора на оси связанной системы координат по формулам

5 NI =%11 N11+BI12 N12+BI1 "И (i=x,g,z) пРи И11 = (а„11, аУ11, а 11)

М12 = (x12 Ó12 z12)

N1 = (xi ау11, а 1) где Ni — проекция вектора угловой скорости на i-e ось связанной системы координат.

aIiI — направляющий косинус между i-й осью связанной системы координат и к-й осью J-го чувствительного элемента, aIi — направляющий косинус между i-й осью связанной системы координат и нормалью к плоскости осей чувствительности

)-го чувствительного элемента.

Следует отметить, что возможны и другие алгоритмы обработки информации, например, по четырем осям чувствительности с двух чувствительных элементов, на основе информации с трех или четырех чувствительных элементов, а также на основе кватернионов или других математических аппаратов.

Таким образом в предлагаемом блоке двухканальных инерциальных чувствитель0, ных элементов обеспечивается определение требуемого вектора в системе координат, связанной с объектом, по любой паре из четырех чувствительных элементов, что обеспечивает требуемую надежность

35 функционирования блока. При этом повышается точность измерения за счет прибли- жения используемых измерительных осей к ортогональной системе координат. Умень.шение погрешности видно из анализа фор40 мулы по определению проекции измеряемого вектора по нормали к плоскости расположения осей чувствительного элемента. При уменьшении угла между указанной нормалью и осью чувствительности другого элемента уменьшается влияние погрешностей Ilo последней оси чувствительности за счет того, что возрастает знаменатель и приближается к единице, и уменьшается влияние погрешностей от измерения проекций в плоскости расположения осей чувствительности первого чувствительного элемента за счет уменьшения слагаемого, содержимого тангенс угла между нормалью и осью чувствительности второго датчика. Принимая, как отмечено ранее, что количественной характеристикой точности и чувствительности измерения является направляющий косинус между укаэанными нормалью и осью чувствительности по сравнению с прототипом она уве1810299 личивается с 0,5 до 0,866 или с 50% до 86,67; на 36,6, если брать за базу идеальное расположение.

Формула изобретения

1. Блок инерциальных чувствительных 5 элементов с избыточной структурой, содер- ° жащий четыре чувствительных элемента с двумя взаимно ортогональными осями чувствительности каждый, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения точности 10 выходных значений трех взаимно ортогональных проекций измеряемого произвольно направленного векторного параметра, при использовании любой пары чувствительных элементов, плоскость, про- 15 ходящая через оси чувствительности каждого из чувствительных элементов, совмещена с одной из четырех плоскостей, образованХ ных осями октаэдрической тетрады, причем каждая из осей октаэдрической тетрады совпадает с одной линией пересечения двух из четырех плоскостей, образованных осями чувствительности чувствительных элементов, а оси чувствительности каждого из чувствительных элементов расположены .внутри меньшего из двух секторов, образованных осями октаэдрической тетрады, лежащими в плоскости, образованной осями чувствительности данного чувствительного элемента.

2. Блок поп.1, отличаю щи йся.тем, что одна из осей чувствительности каждого из чувствительных элементов направлена по оси октаэдрической тетрады, при этом по каждой оси октаздрической тетрады направлена одна ось чувствительности.

1810299

Составитель Н,Серпкова

Редактор Г,Мельникова Техред М.Моргентал Корректор Л.Ливринц

Ю

Заказ 1417 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101