Способ определения проекций параметров инерциального движения на оси, связанной с объектом системы координат, и система для его осуществления

 

Изобретение относится к области автоматического управления и может быть использовано для определения параметров углового движения, в частности проекций вектора угловой и линейной скорости и ускорения. Способ включает счет информации о величине параметра по осям чувствительности датчиков параметра, определение проекций параметра по осям связанной системы координат по указанной информации и контроль функционирования датчиков на основе сравнения информации при избыточном количестве датчиков. При этом оси чувствительности всех датчиков устанавливают непараллельно под максимально возможными углами между ними, выбирают из функционирующих датчиков четыре произвольных для всех возможных сочетаний троек из данных четырех датчиков, определяют проекции параметра на оси связанной системы координат по проекциям на оси чувствительности датчиков, сравнивают полученные проекции параметра на оси связанной системы координат между собой по каждой оси соответственно, и если значение проекции параметра по одной тройке превышает допустимую величину, то бракуют датчик, который не входит в данную тройку. Устройства включают восемь датчиков параметра 1-8, объект 9 системы координат, блок 10, 11, 12 вычисления проекций параметра. 2 з.п.ф-лы, 9 ил.,2 табл.

Изобретение относится к области автоматического управления и может быть использовано для определения параметров углового движения, в частности проекций вектора угловой и линейной скорости и ускорения.

Известны системы управления пространственным положением объекта, содержащие блок из трех датчиков угловой скорости, оси чувствительности которых ортогональны между собой и параллельны осям связанной с объектом системы координат [1] Эти системы основаны на непосредственном способе измерения (определения) проекций вектора угловой скорости с помощью указанных датчиков. Повышение надежности в таких системах обеспечивается путем резервирования блока датчиков. Однако при возрастающих требованиях к характеристикам систем автоматического управления и их надежности функционирования надежность такого блока оказывается недостаточной, чистое резервирование для обеспечения требуемой надежности приводит к неоправданному увеличению числа датчиков.

Известна система управления, содержащая четыре датчика, оси которых направлены по осям октаэдрической тетрады 2. Система данного типа реализует способ определения проекций угловой скорости, в котором измеряют проекции вектора угловой скорости на оси октаэдрической тетрады и по проекциям на три из четырех осей определяют вектор угловой скорости или проекции на оси связанной системы координат. При использовании данного способа надежность функционирования повышается функциональными средствами, т.к. достаточно любых трех датчиков из четырех. Однако данное техническое решение оптимально только для четырех датчиков и не распространяется на большее число.

Наиболее близким к предлагаемому является техническое решение, в котором определение проекций угловой скорости относительно связанной с объектом системы координат заключается в том, что снимают информацию об угловой скорости по осям чувствительности датчиков угловой скорости, сравнивают показания пар датчиков, оси чувствительности которых направлены по осям связанной системы координат, если значения совпадают, то в качестве требуемого значения берут показания одного из датчиков, по полученным показаниям угловой скорости по осям связанной системы координат определяют проекцию скорости на ось чувствительности четвертой пары, если данная проекция совпадает с показаниями датчиков четвертой пары, то они считаются исправными, если показания одного из датчиков четвертой пары не совпадают с проекцией угловой скорости, то данный датчик считается отказавшим, если в дальнейшем не совпадают показания пары датчиков по какой-либо оси связанной системы координат, то через определение проекции на ось чувствительности четвертой пары с сравнением с показанием любого исправного датчика четвертой пары определяют неисправный датчик в паре с разными показаниями и данный датчик считают неисправным, если по какой-либо оси связанной системы координат отказала пара датчиков, то проекцию угловой скорости по данной оси определяют через датчики угловой скорости других пар. Данный способ осуществляется с помощью системы определения проекций угловой скорости, содержащей восемь чувствительных элементов, при этом оси чувствительности трех пар датчиков параллельны осям ортогональной, связанной с объектом системы координат, а датчики четвертой пары установлены так, что их оси чувствительности направлены по биссектрисе трехгранного угла, образованной системы координат, и счетное устройство [3] В данном техническом решении оси чувствительности датчиков расположены неоптимально, т.к. выбор трех произвольных датчиков не позволяет однозначно определить вектор угловой скорости, что существенно снижает надежность системы. Надежность данной системы определяется по схеме параллельного соединения датчиков в парах и выбора любых трех пар из четырех. Указанной схеме соответствует следующая формула вычисления вероятности безотказной работы: Pc=P³ (P₁+4(1-P₁·Pсу при P₁1-(1-P₀)², где Рс надежность системы в целом; Р надежность одного датчика; Рсу надежность счетного устройства.

Целью изобретения является повышение надежности функционирования при определении проекции параметров инерциального движения объекта.

Поставленная цель достигается тем, что в способе определения проекций параметров инерциального движения на оси, связанной с объектом системы координат, включающем съем информации о величине параметра по осям чувствительности датчиков параметра, определение проекций параметра по осям связанной системы координат по указанной информации и контроль функционирования датчиков на основе сравнения информации при избыточном количестве датчиков, дополнительно оси чувствительности всех датчиков устанавливают непараллельно под максимально возложенными углами между ними, выбирают из функционирующих датчиков четыре произвольных, для всех возможных сочетаний троек из данных четырех датчиков определяют проекции параметра на оси связанной системы координат по проекциям на оси чувствительности датчиков, сравнивают полученные проекции параметра на оси связанной системы координат между собой по каждой оси соответственно, если значение проекции параметра по одной тройке отличается от других более допустимой величины, то бракуют датчик, не входящий в данную тройку, и проекции параметра на оси связанной системы координат определяют по данной тройке, если проекции параметра на оси связанной системы координат в указанных тройках на соответствующие оси совпадают в допустимых пределах, то проекции параметра на оси связанной системы координат определяют по одной из этих троек, последовательно формируют новые тройки из двух любых проверенных датчиков и одного из оставшихся функционирующих датчиков, определяют проекции параметра на основе данной тройки и сравнивают с полученными ранее проекциями параметра, если проекции по одной из осей отличаются от заданной величины, то бракуют контролируемый датчик, если имеют всего три функционирующих датчика, то проекции параметра на оси связанной системы координат определяют по этим датчикам без контроля.

Данный способ осуществляется с помощью системы определения инерциальных параметров движения объекта, содержащей восемь датчиков параметра, соединенных со счетным устройством, причем оси чувствительности первых двух датчиков направлены по второй и третьей осям связанной с объектом системы координат, в которой ось чувствительности третьего датчика установлена с направляющими косинусами 0,89; 0 и 0,47, четвертого датчика с направляющими косинусами 0,89; 0,47 и 0, пятого датчика с направляющими косинусами 0,53; 0,6 и 0,6, шестого датчика с направляющими косинусами 0,53; минус 0,6 и 0,6, седьмого датчика с направляющими косинусами 0,57; 0,6 и минус 0,6 и восьмого датчика с направляющими косинусами 0,53; минус 0,6 и минус 0,6 по отношению к первой; второй и третьей осям соответственно связанной с объектом системы координат. Либо данный способ может осуществляться с помощью системы определения инерциальных параметров движения объекта, содержащей восемь датчиков параметра, соединенных со счетным устройством, в котором ось чувствительности первого датчика установлена с направляющими косинусами 0,9; 0 и 0,43, второго датчика с направляющими косинусами 0,9; 0 и минус 0,43, третьего датчика с направляющими косинусами 0,71; 0,71 и 0, четвертого датчика с направляющими косинусами 0,71, минус 0,71 и 0, пятого датчика с направляющими косинусами 0,43; 0,64 и 0,64, шестого датчика с направляющими косинусами 0,43, минус 0,64 и 0,64, седьмого датчика с направляющими косинусами 0,43; 0,64 и минус 0,64 и восьмого датчика с направляющими косинусами 0,47; минус 0,64 и минус 0,64 по отношению к первой, второй и третьей осям соответственно связанной с объектом системы координат. Выбор кинематической схемы зависит от компоновочных возможностей на конкретном объекте использования. Сразу же следует отметить, что из-за сложности способа определения проекций на основе восьми датчиков использование специализированного счетного устройства бесперспективно, т. к. оно будет иметь очень сложную функциональную схему. Предлагаемое техническое решение становится актуальным, если использовать в качестве счетного устройства бортовую цифровую вычислительную машину БЦВН или на базе микропроцессора. В этом случае для реализации предлагаемого технического решения требуется в БЦВН заложить соответствующие циклические программы.

Что касается критерия существенных отличий, то в рамках доступных автору материалов не обнаружены признаки, сходные с признаками, отличающими заявленное решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "существенные отличия".

Предлагаемое техническое решение поясняется чертежами, где на фиг.1 показана функциональная схема предлагаемой системы; на фиг.2 кинематическая схема расположения осей чувствительности датчиков по первому варианту; на фиг. 3 кинематическая схема расположения осей чувствительности датчиков по второму варианту; на фиг.4 блок-схема циклической программы реализации предлагаемого способа при использовании микроЭВМ; на фиг.5 функциональный блок выбора датчиков для определения проекций измеряемого вектора; на фиг.6 - функциональный блок расчета проекций вектора измеряемого параметра при различных сочетаниях датчиков, на фиг.7 функциональный блок расчета проекций вектора при наличии только трех исправных датчиков; на фиг.8 функциональный блок выбора проекций измеряемого вектора из полученного набора с учетом ложной информации с одного из датчиков; на фиг.9 функциональный блок контроля датчиков на основе полученных проекций вектора измеряемого параметра.

Система определения инерциальных параметров движения по предлагаемому способу содержит восемь инерциальных датчиков 1.8, в частном случае при определении угловой скорости объекта 9 датчиков 1.8 угловой скорости, счетное устройство в микроЭВМ 10 с модулем 11 приема информации с датчиков 1.8 и модулем 12 выдачи сигналов о величине угловой скорости по осям Х, У и Z связанной с объектом 9 системы координат OXYZ. Оси чувствительности датчиков 1. 8 относительно системы координат OXYZ должны располагаться в соответствии с кинематическими схемами, приведенными на фиг.2 или 3, где Ni направление оси чувствительности i-го датчика (i=1.8).

Исходя из изложенного, направляющие косинусы между осями чувствительности датчиков 1-8 и осям системы координат OXYZ для схемы, приведенной на фиг.2, будут иметь значения согласно табл.1 и для схемы, приведенной на фиг. 3, в соответствии с табл.2.

Где a_xi направляющие косинусы оси чувствительности i-го датчика относительно осей Х, У, и Z соответственно (i=1-8).

Предлагаемый способ определения проекций параметров инерциального движения (в частном случае угловой скорости) объекта реализуют следующим образом.

При движении объекта 9 датчики 1-8 измеряют проекции ω_i(i = 1...8) вектора ω угловой скорости по их осям чувствительности и через модуль обмена 11, например преобразователь напряжение код, передают в микроЭВМ 10. После определения проекций w_x, ω_y, ω_z угловой скорости по осям системы координат OXYZ данные проекции через модуль 12, например преобразователь код напряжение, поступают пользователю, например, в систему автоматического управления угловым движением объекта 9.

Определение проекций ω_x, ω_y, ω_z угловой скорости объекта 9 и контроль функционирования датчиков по предлагаемому способу осуществляется следующим образом.

Из исправных датчиков выбирают произвольных четыре и в микроЭВМ 10 для всех возможных сочетаний троек из данных четырех датчиков определяют проекции ω_x, ω_y, ω_z угловой скорости на оси системы координат OXYZ на основе следующих соотношений: где z_i признак функционирования датчика (1 датчик используется, 0 датчик не используется);
N_ki коэффициент нормализации угловой скорости по оси К для заданной выборки датчиков;
C_ki коэффициент учета по оси К информации с датчика;
a₀ минимальный уровень допустимых направляющих косинусов (для выбранных кинематических схем размещения датчиков можно принять a₀ 0,1 0,4).

В результате получают четыре вектора угловой скорости, полученных на основе выборок трех датчиков из четырех. Значения полученных векторов сравнивают между собой на основе сравнения одноименных проекций. Если все датчики исправлены, то и значения полученных проекций совпадают между собой с точностью до Δω, которая определяется погрешностью установки и функционирования датчиков. Если же один из анализируемых датчиков неисправен, то значение измеряемой им скорости существенно отличается от показаний других датчиков. В результате, если считать показания других датчиков практически равными, вектора угловой скорости, полученные в трех выборках с неисправным датчиком, совпадают между собой, но отличаются от последней выборки, в которой все датчики исправны. Следовательно, на основании сравнения векторов можно сделать вывод, что, если показания одной выборки отличаются от остальных, то неисправен датчик, не входящий в указанную выборку. Следует отметить, что данный принцип контроля основан на том, что в определенный момент времени может отказать только один датчик, что соответствует опыту практики.

Далее при отсутствии неисправных датчиков в качестве требуемого вектора угловой скорости берут любой из полученных четырех, при наличии неисправного датчика в качестве вектора угловой скорости выбирают полученный в выборке без неисправного датчика. Значение требуемых проекций вектора w_x, ω_y и ω_z из микроЭВМ 10 через модуль 12 выдают потребителю с частотой работы микроЭВМ 10 по предлагаемому способу.

Далее последовательно формируют новые тройки из двух любых исправных проверенных датчиков и одного из оставшихся функционирующих датчиков. Определяют проекции вектора угловой скорости по данной тройке, на основе ранее приведенных соотношений и сравнивают с проекциями выбранного требуемого вектора. Если проекции совпадают с точностью до Δω, то дополнительный датчик считают исправным. Если проекции не совпадают, то данный датчик считают неисправным. Затем переходят к следующему функционирующему датчику и повторяют указанную операцию, пока не переберут все функционирующие датчики. При выявлении неисправности для соответствующего датчика обнуляют признак z_i(i= 1.8) и в дальнейшем этот датчик считается нефункционирующим или вообще отключается.

Если же в ходе эксплуатации останется всего три исправных датчика, то предлагаемый процесс контроля не проводят, и определяют проекции вектора угловой скорости по данным датчикам по приведенным соотношениям.

Для реализации данного способа можно использовать специальное электронное устройство, однако целесообразно использовать микроЭВМ, что отражено в настоящем описании. Циклическая программа и ее функциональные блоки реализации способа приведены на фиг.4-9,
где
z_nk признак проведения контроля (z_nk=1, если исправных датчиков более трех);
z_k массив признаков использования (исправности) датчиков (z_k=1, если датчик используется, к=1-8);
a_jk массив направляющих косинусов (j=1-3(x, y, z), к=1-8 - соответствует порядковому номеру датчика);
w_k массив, состоящий из угловых скоростей, измеряемых к-м датчиком;
a^*_j,i; ω^*_i массивы выборки из a_j,k и и ω_k для четырех датчиков;
a₀ величина направляющих косинусов, учитываемая при расчетах;
массив проекций угловых скоростей по осям системы координат для различных сочетаний трех датчиков из четырех;
массив проекций угловых скоростей по осям связанной системы координат, выдаваемый потребителю;
Δω допустимое расхождение проекции угловой скорости (определяется погрешностями датчиков и их установки).

Таким образом, предлагаемые способ и устройство обеспечивают определение проекций параметров инерциального движения объекта. Причем при одинаковом количестве датчиков по сравнению с известным в предлагаемом техническом решении для выполнения целевой задачи достаточно любых трех датчиков из восьми. Вероятность безотказной работы для схемы любых датчиков и имеющихся определяется по формуле:


где: N общее число датчиков;
к максимальное число неисправных датчиков, при котором обеспечивается решение целевой задачи.

Исходя из указанной формулы, формула определения вероятности безотказной работы для предлагаемого технического решения имеет вид
Рн P³[Р⁵ + 8р⁴(1-р) + 28Р³(1-Р)⁺ + 56Р²(1-Р)³+70Р(1-Р⁴) + 56(1-Р)⁵] · Рсу,
где Рн вероятность безотказной работы системы в целом;
Р надежность одного датчика;
Рсу надежность счетного устройства.

Для количественного сравнения вероятностей безотказной работы известной системы Рс и предлагаемой системы Рн, вероятность Рсу счетного устройства можно принять равной единице, т.к. обе системы могут реализовываться использованием одной и той же микроЭВМ. Для расчета примем вероятность Р безотказной работы одного датчика равной 0,8. Тогда по приведенным формулам имеем:
Рс=0,9909 и Рн=0,9987, откуда соответствующие вероятности отказов систем составляют Рс= 0,0091 и Рн=0,0013, т.е. предлагаемая система имеет в 7 раз меньшую вероятность отказов. ТТТ1 ТТТ2 2 4

Формула изобретения

Способ определения проекции параметров инерциального движения на оси, связанной с объектом системы координат, включающий измерение величины параметра по осям чувствительности датчиков параметра, вычисление проекций параметра по осям связанной с объектом системы координат и контроль функционирования датчиков на основе сравнения информации при избыточном количестве датчиков, отличающийся тем, что оси чувствительности всех датчиков устанавливают непараллельно под максимально возможными углами между ними и выбирают произвольно четыре из них, для которых из всех возможных сочетаний троек датчиков определяют проекции параметра на оси связанной системы координат и сравнивают их между собой по каждой оси соответственно, при этом, если значение проекции параметра по одной из троек датчиков не выходит за заданный допустимый предел, то бракуют датчик параметра, не входящий в данную тройку датчиков, и проекции параметра на оси связанной системы координат определяются по данной тройке датчиков, если значения проекций параметров в выбранных тройках совпадают в заданных допустимых пределах, то проекции параметра на оси связанной системы координат определяются по одной тройке датчиков, последовательно формируют тройки датчиков, каждая из которых включает два проверенных датчика и один проверяемый датчик, определяют проекции параметра формируемой данной тройкой датчиков и сравнивают их с соответствующими ранее полученными проекциями параметра, если проекции по одной из осей отличаются от заданной допустимой величины, то бракуют контролируемый датчик, при количестве датчиков параметра равного трем, проекции параметра на оси связанной системы координат определяют по этим датчикам без контроля.

2. Система для определения проекций параметров инерциального движения объекта на оси связанной с объектом системы координат, содержащая восемь датчиков параметра, соединенных выходами с соответствующими информационными входами блока вычисления проекций параметра на оси связанной с объектом системы координат, причем оси чувствительности первых двух датчиков параметра направлены соответственно по второй и по третьей осям связанной с объектом системы координат, отличающаяся тем, что ось чувствительности третьего датчика установлена с направляющими косинусами 0,89; 0 и 0,47, четвертого датчика с направляющими косинусами 0,89; 0,47 и 0, пятого датчика с направляющими косинусами 0,53; 0,6 и 0,6, шестого датчика с направляющими косинусами 0,53; 0,6 и 0,6, седьмого датчика с направляющими косинусами 0,57; 0,6 и минус 0,6 и восьмого датчика с направляющими косинусами 0,53; минус 0,6 и минус 0,6 по отношению соответственно к первой, второй и третьей осям связанной с объектом системы координат.

3. Система для определения проекций параметров инерциального движения объекта на оси связанной с объектом системы координат, содержащая восемь датчиков параметра, соединенных выходами с соответствующими информационными входами блока вычисления проекций параметра на оси связанной с объектом системы координат, отличающаяся тем, что ось чувствительности первого датчика установлена с направляющими косинусами 0,9; 0 и 0,43, второго датчика с направляющими косинусами 0,9; 0 и минус 0,43, третьего датчика с направляющими косинусами 0,71; 0,71 и 0, четвертого датчика с направляющими косинусами 0,71; минус 0,71 и 0, пятого датчика с направляющими косинусами 0,43; 0,64 и 0,64, шестого датчика с направляющими косинусами 0,43, минус 0,64 и 0,64, седьмого датчика с направляющими косинусами 0,43; 0,64 и минус 0,64 и восьмого датчика с направляющими косинусами 0,47, минус 0,64 и минус 0,64 по отношению соответственно к первой, второй и третьей осям связанной с объектом системы координат.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11