Навигационная система и корпус навигационной системы

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение в системах навигации подвижных объектов - в беспилотных летательных аппаратах, в автопилотах авиа- и судомоделей и мобильных комплексах авианаблюдений за морскими, воздушными и наземными объектами. Технический результат - повышение эксплуатационных характеристик. Для достижения данного результата навигационная система содержит корпус с боковыми, верхней и нижней гранями, внутренней полостью, три волоконно-оптических гироскопа, расположенных со стороны двух смежных боковых граней и верхней грани, и три акселерометра. Корпус выполнен в виде несущего кронштейна, имеющего форму, приближенную к прямоугольному параллелепипеду. Гироскопы и акселерометры снабжены защитными крышками и закреплены в корпусе на базовых поверхностях с обеспечением ортогональности установки их измерительных осей. Смежные боковые грани корпуса снабжены защитными кожухами, выполненными с возможностью размещения в них гироскопов и акселерометров. Внутренняя поверхность защитных кожухов имеет сложную рельефную форму, обусловленную формированием базовых поверхностей, состоящих из базовых опорных элементов, расположенных по периметру внутренней поверхности защитных кожухов. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Группа изобретений относится к измерительной технике и может найти применение в системах навигации подвижных объектов - в беспилотных летательных аппаратах, в автопилотах авиа- и судомоделей и мобильных комплексах авианаблюдений за морскими, воздушными и наземными объектами. В частности заявляемое изобретение может быть использовано в авиационно-космических пилотажных системах управления при измерении угловых скоростей и линейных ускорений, например, в составе системы управления движением космического аппарата.

Известно техническое решение бесплатформенного инерциального измерительного блока [Патент РФ на изобретение №2058534, МПК: G01C 21/00], содержащего основание, гироскопы-акселерометры, установленные на его базовых плоскостях, сервисные электронные блоки, источники постоянного и переменного токов. В качестве гироскопов-акселерометров применены микромеханические вибрационные гироскопы-акселерометры, содержащие чувствительные элементы, электроды возбуждения колебаний чувствительных элементов и электроды съема информации, при этом основание блока выполнено в форме параллелепипеда с базовыми плоскостями по его граням и внутренней полостью, электроды возбуждения колебаний чувствительных элементов и электроды съема информации выполнены на основании, а основание закреплено на подложке, содержащей микросборки сервисной электроники. Источник постоянного тока размещен в полости основания, а датчик температуры установлен на одной из плоскостей основания. Между основанием и подложкой установлена равножесткая по всем трем осям упругая прокладка, собственная частота которой ниже собственных частот гироскопов-акселерометров.

Недостатками данного решения являются большие габариты и масса, а также невысокая надежность конструкции.

Известно техническое решение бесплатформенного инерциального измерительного блока [Патент РФ на изобретение №2162203, МПК: G01C 21/00], содержащего микромеханические вибрационные гироскопы-акселерометры с электродами возбуждения колебаний и съема информации с чувствительных элементов и датчик температуры, размещенные на основании, закрепленном на подложке, на которой установлены микросборки сервисной электроники. Подложка выполнена в виде платы из диэлектрика, а основание - в виде правильной шестиугольной усеченной пирамиды, по меньшей мере, на трех боковых гранях которой размещены чувствительные элементы микромеханических вибрационных гироскопов-акселерометров, а на меньшей торцевой грани - датчик температуры, при этом основание по плоскости большей торцевой грани закреплено в центральной части подложки, а микросборки сервисной электроники установлены вокруг основания по периферии подложки и выполнены по тонкопленочной технологии. Подложка размещена в защитном корпусе с двусторонней разводкой выводов микросборок сервисной электроники в плоскости, параллельной плоскости большей торцевой грани основания. Пирамида основания выполнена с углом наклона плоскостей боковых граней к плоскости большей торцевой грани в диапазоне от 54,76°-0,5° до 54,76°+0,5°.

Однако данное техническое решение характеризуется сложностью конструкции, а также сравнительно высокими массогабаритными характеристиками и невысокой стойкостью к внешним воздействиям.

Известна малогабаритная инерциальная система управления движением (Патент РФ на полезную модель №73475, МПК: G01C 21/00), содержащая микромеханический инерциальный измерительный блок, включающий микромеханические гироскопы и акселерометры, микросборки сервисной электроники, и блок управления, включающий плату вычислителя, источник вторичного электропитания, плату аналого-цифрового и цифроаналогового преобразователей, плату автономного контроля, первую и вторую платы интерфейсов, несущие рамки, крышки, рулевой привод и корпус. Корпус выполнен в виде несущего кронштейна, имеющего форму куба с внутренней полостью и базовыми плоскостями по его граням, на которых с помощью несущих рамок и крышек крепятся платы блока управления. Микромеханический инерциальный измерительный блок крепится во внутренней полости в центре несущего кронштейна. Микромеханические гироскопы и акселерометры, входящие в микромеханический инерциальный измерительный блок, выполнены в капсульном исполнении.

Однако данная конструкция характеризуется наличием соединительных кабелей и необходимостью установки дополнительного кожуха для защиты радиоэлементов от внешних воздействий, что негативно влияет на массогабаритные характеристики системы.

Наиболее близкой к заявляемым техническим решениям является бесплатформенная инерциальная навигационная система (Патент РФ на полезную модель №75033, МПК: G01C 21/00), содержащая три микромеханических гироскопа, три микромеханических акселерометра, микросборки сервисной электроники, фланцы и блок плат, включающий плату интерфейса, плату контроллера, первую, вторую и третью платы аналого-цифрового преобразователя, крышку и корпус. Корпус в данном техническом решении выполнен в виде несущего кронштейна, имеющего форму шестигранника с внутренней полостью и базовыми плоскостями по его граням, на которых с помощью фланцев крепятся три микромеханических гироскопа и три микромеханических акселерометра с микросборками сервисной электроники. Блок плат, включающий плату интерфейса, плату контроллера, первую, вторую и третью платы аналого-цифрового преобразователя, крепится на внутренней плоскости в центре несущего кронштейна. Внутренняя полость, содержащая блок плат, заполняется компаундом. Микромеханические гироскопы и акселерометры выполнены в капсульном исполнении.

Однако перечисленные выше недостатки характерны и для данного технического решения.

Задачей группы изобретений является уменьшение массогабаритных характеристик устройства при сохранении параметров надежности и стойкости к внешним воздействиям.

Технический результат заключается в оригинальной форме корпуса, обеспечивающего также упрощение привязки осей чувствительности гироскопов и акселерометров.

Поставленная задача решается тем, что в навигационной системе, содержащей корпус, выполненный в виде несущего кронштейна, имеющего форму, приближенную к прямоугольному параллелепипеду с боковыми, верхней и нижней гранями, внутренней полостью, три волоконно-оптических гироскопа, расположенных со стороны двух смежных боковых граней и верхней грани, и три акселерометра, при этом гироскопы и акселерометры закреплены в корпусе на базовых поверхностях с обеспечением ортогональности установки их измерительных осей и закрыты крышками, а также блок электроники, расположенный в полости корпуса и закрепленный со стороны нижней грани, согласно техническому решению смежные боковые грани корпуса снабжены защитными кожухами, выполненными с возможностью размещения в них гироскопов и акселерометров, наружная поверхность защитных кожухов выполнена гладкой, а внутренняя имеет сложную рельефную форму, обусловленную наличием базовых опорных элементов, расположенных по периметру внутренней поверхности защитных кожухов, при этом два акселерометра размещены в нижней части корпуса, третий - в верхней части корпуса, а поверхности базовых опорных элементов служат опорными поверхностями для гироскопов, акселерометров и крышек. Защитный кожух выполнен в виде кольцеобразного выступа и имеет со стороны верхней и одной из боковых граней округлый участок, а со стороны противоположной боковой грани и нижней грани - спрямленный участок, при этом спрямленные участки кольцеобразного выступа образуют угловую зону для размещения акселерометра. В качестве волоконно-оптических гироскопов могут быть использованы гироскопы ВГ035, в качестве акселерометров - акселерометры марки АК-15. Блок электроники включает модули интерфейса, контроллера, аналого-цифрового преобразователя.

Поставленная задача решается также тем, что в корпусе навигационной системы, выполненном в виде несущего кронштейна, имеющего форму, приближенную к прямоугольному параллелепипеду с боковыми, верхней и нижней гранями, внутренней полостью, при этом две смежные боковые грани и верхняя грань корпуса выполнены с базовыми поверхностями для размещения и крепления гироскопов и акселерометров с обеспечением ортогональности установки их измерительных осей, третья боковая грань выполнена с возможностью крепления соединительных разъемов блока электроники, нижняя грань корпуса предназначена для крепления основания блока электроники, согласно техническому решению смежные боковые грани корпуса снабжены защитными кожухами, выполненными с возможностью размещения в них гироскопов и акселерометров, наружная поверхность защитных кожухов выполнена гладкой, а внутренняя имеет сложную рельефную форму, обусловленную наличием базовых опорных элементов, расположенных по периметру внутренней поверхности защитных кожухов. Защитный кожух выполнен в виде кольцеобразного выступа и имеет со стороны верхней и одной из боковых граней округлый участок, а со стороны противоположной боковой грани и нижней грани - спрямленный участок, при этом спрямленные участки кольцеобразного выступа образуют угловую зону для размещения посадочного места акселерометра, а посадочное место для размещения гироскопа организовано в центральной части кольцеобразного выступа.

Заявляемое решение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлено конструктивное исполнение заявляемого устройства (общий вид), на фиг.2 - его функциональная схема, на фиг.3-5 - чертежи корпуса заявляемого устройства, вид сверху; вид сбоку со стороны грани, предназначенной для размещения кожуха; вид сбоку со стороны грани, предназначенной для размещения разъемов блока электроники, соответственно. Позициями на фигурах обозначены: 1 - корпус; 2 - волоконно-оптические гироскопы, 3 - акселерометры, 4 - защитные крышки, 5 - защитные кожухи (кольцеобразные выступы), 6 - блок электроники, 7 - базовые опорные элементы, формирующие опорную поверхность, 8 - модуль процессорный, 9 - модуль АЦП, 10 - модуль интерфейсный, 11 - соединительные разъемы блока электроники, 12 - округлый участок кожуха, 13 - спрямленный участок кожуха, 14 - кронштейн блока электроники, 15, 16 - пластины кронштейна блока электроники, 17 - установочные площадки.

Заявляемое устройство (фиг.1, 2) включает корпус 1, во внутренней полости которого размещены с обеспечением фиксации чувствительные элементы - три волоконно-оптических гироскопа (ВОГ) 2 для измерения угловой скорости, три акселерометра 3 для измерения линейного ускорения, и блок электроники 6. Блок электроники 6 включает процессорный модуль 8, модуль аналого-цифрового преобразования (АЦП) 9, модуль интерфейсный 10. Заявляемое устройство является моноблочной структурой. Корпус 1 имеет конструктивное исполнение, обеспечивающее оптимальное расположение чувствительных элементов и блока электроники. Корпус представляет собой несущий кронштейн (каркас), форма которого приближена к прямоугольному параллелепипеду с внутренней полостью. При этом две смежные боковые грани и верхняя грань корпуса выполнены с базовыми поверхностями для размещения и крепления гироскопов 2 и акселерометров 3 (по одному гироскопу и одному акселерометру на каждой базовой поверхности), третья боковая и нижняя грани корпуса выполнена с возможностью установки и крепления блока электроники 6, четвертая боковая грань выполнена сплошной (без каких-либо отверстий или полостей). Гироскопы 2 и акселерометры 3 закреплены с обеспечением ортогональности установки их измерительных осей. Боковые грани, предназначенные для размещения гироскопов и акселерометров, выполнены с кольцеобразными выступами 5. Габаритные размеры кольцеобразных выступов 5 обусловлены габаритными размерами (поперечными) акселерометров 2 и гироскопов 3. При этом кольцеобразные выступы служат в качестве защитных кожухов для акселерометров и гироскопов. Кольцеобразные выступы 5 имеют внутреннюю и наружную поверхности, при этом наружная поверхность выполнена гладкой и имеет со стороны верхней и одной из боковых граней округлый участок 12, а со стороны противоположной боковой грани и нижней грани - спрямленный участок 13. Спрямленные участки 13 кольцеобразного выступа 5 образуют угловую зону для размещения акселерометра 3. Перечисленные признаки конструктивного решения корпуса обеспечивают размещение акселерометров в плоскости размещения гироскопов, при этом два акселерометра размещены в нижней части корпуса, третий - в его верхней части. Внутренняя поверхность кольцеобразных выступов имеет сложную рельефную форму, обусловленную наличием базовых опорных элементов 7, расположенных по периметру внутренней поверхности кольцеобразного выступа 5. При этом поверхности базовых опорных элементов 7 служат опорными поверхностями для гироскопов 2, акселерометров 3, а также защитных крышек 4, которыми снабжен корпус 1 (для гироскопов и акселерометров). Посадочное место для гироскопов организовано в центральной части кольцеобразных выступов, для акселерометров - в их угловой зоне. Например, при использовании акселерометров марки АК-15, корпус которых имеет цилиндрическую боковую поверхность, посадочное место представляет собой сквозное цилиндрическое отверстие с диаметром, соответствующим диаметру боковой поверхности акселерометра. Например, для гироскопа марки ВГ035, который также имеет цилиндрическую боковую поверхность, поверхность базовых опорных элементов, контактирующая с боковой поверхностью гироскопа, выполнена вогнутой с радиусом кривизны, соответствующим радиусу окружности, описывающей боковую поверхность гироскопа. Это обеспечивает плотную посадку гироскопа в корпусе заявляемого устройства. Кроме того, часть базовых опорных элементов 7 (каждой базовой поверхности) снабжена крепежными отверстиями для крепления защитной крышки 4, выполненной с возможностью плотной посадки на базовые опорные элементы с обеспечением герметизации корпуса. Таким образом, защитные 4 крышки для боковых граней имеют форму, повторяющую форму кольцеобразных выступов, для верхней грани - прямоугольную, соответствующую форме верхней грани.

Блок электроники 6 включает кронштейн 14, состоящий из двух перпендикулярно закрепленных пластин 15, 16, одна из которых 15 предназначена для закрепления плат блока электроники и снабжена соответствующими элементами крепления, вторая 16 - для крепления соединительных разъемов 11 и снабжена соответствующими посадочными отверстиями. При этом кронштейн 14 блока электроники размещен в корпусе 1 таким образом, что пластина 15, предназначенная для закрепления плат блока электроники (основание), размещена со стороны нижней грани корпуса 1, пластина 16 для крепления соединительных разъемов 11 - со стороны боковой грани. Пластины 15, 16 имеют габаритные размеры, обеспечивающие их плотную посадку в корпусе 1 с образованием гладкой внешней поверхности нижней и боковой граней корпуса. Соединительные разъемы 11 предназначены для электрического подключения заявляемого устройства и выполнены с различными диаметрами и с установочными ключами, что позволяет исключить ошибочное подключение устройства. Боковая грань, предназначенная для установки пластины 16 кронштейна 14 для крепления соединительных разъемов 11, имеет ступенчатую форму.

Корпус снабжен тремя установочными площадками (лапками) 17 для крепления заявляемого устройства к внешним объектам, расположенными с его внешней стороны в плоскости нижней грани, при этом две площадки выполнены с противоположных сторон от кольцеобразного выступа 5 на одной из граней и имеют сопряжение со спрямленным участком со стороны нижней грани. При этом одна из площадок имеет также сопряжение со спрямленным участком выступа смежной боковой грани. Третья площадка расположена со стороны грани, предназначенной для размещения пластины 16 кронштейна 14 с соединительными разъемами 11.

Заявляемое устройство связано с цифровым вычислительным устройством, например бортовым компьютером, посредством мультиплексного канала обмена, реализующего магистральный последовательный интерфейс. Заявляемое техническое решение обеспечивает эффективный съем тепла, выделяющегося блоком электроники, при этом отток тепла происходит на кронштейн 14 блока электроники 6, в результате чего непосредственно корпус 1 подвергается меньшей тепловой нагрузке. Заявляемое устройство также укомплектовано программным обеспечением.

Работа заявляемого устройства основана на измерении абсолютных угловых скоростей и линейных ускорений, действующих по осям чувствительности соответственно волоконно-оптических гироскопов 2 и акселерометров 3, связанных с осями приборной системы координат, записи полученных и обработанных данных в буфер для подготовки ответа по мультиплексному каналу обмена (МКО). Алгоритм преобразования выбран таким образом, что на выходе МКО снимается и передается в бортовую цифровую вычислительную машину, в качестве которой может быть использовано устройство марки БЦВМ-С-01, информация:

- о проекциях вектора абсолютной угловой скорости объекта эксплуатации заявляемого устройства, например, космического аппарата, на оси чувствительности ВОГ;

- о приращениях интегралов проекций вектора абсолютной угловой скорости объекта эксплуатации заявляемого устройства на оси чувствительности ВОГ;

- о проекциях вектора линейного ускорения объекта эксплуатации заявляемого устройства на оси чувствительности акселерометров;

- о приращениях интегралов проекций вектора линейного ускорения объекта эксплуатации заявляемого устройства на оси чувствительности акселерометров;

- о моментах времени, на которые сформирована информация.

После сбора информации от всех чувствительных элементов в процессорном модуле происходит обработка данных. Преобразованная информация готовится в буфере для передачи по мультиплексным каналам обмена.

Пример конкретного выполнения.

Было изготовлено заявляемое устройство со следующими массогабаритными характеристиками: шириной 200 мм, длиной - 190 мм, высотой - 159 мм. Устройство работает от сети постоянного тока напряжением от 23 до 32 В и просадках напряжения до 22 В на время не более 200 мс. Устройство обеспечивает измерение проекций абсолютной угловой скорости на оси приборной системы координат (ПСК) в диапазоне от минус 50 до плюс 50°C. В качестве чувствительных элементов устройства были использованы волоконно-оптические гироскопы марки ВГ035 (датчик вращения прямого преобразования («open-loop»), выполненные по волоконно-оптической технологии), и маятниковые акселерометры компенсационного типа с упругим подвесом чувствительного элемента. Все модули блока электроники выполнены в конструктиве PC-104, состыкованы друг с другом, образуя этажерочную конструкцию. Модуль процессорный представляет собой одноплатный процессорный модуль ТА1-SMART формата PC-104 с двумя мультиплексными каналами по ГОСТ Р 52070-2003 и обеспечивает:

- сбор и обработку информации, поступающей с каждого измерительного канала от чувствительных элементов;

- диагностику неисправности канала;

- выдачу информации в канал телеметрической информации;

- осуществление обмена по мультплексному каналу обмена с бортовой цифровой вычислительной машиной.

Модуль АЦП, используемый в заявляемом устройстве обеспечивает:

- прием информации с трех ВОГ и трех акселерометров, преобразование из последовательного кода в параллельный и занесение ее в буфер, который по шине PC-104 доступен процессорному модулю;

- преобразование электропитания бортовой сети 27 В в ряд стабилизированных напряжений, необходимых для работы заявляемого устройства;

- формирование сигналов ATM;

- прием внешних синхроимпульсов и выработку прерывания по шине PC-104. Модуль интерфейсный состоит из шести идентичных каналов предварительной обработки сигналов.

Заявляемая группа технических решений обеспечивает решение поставленной задачи.

1. Навигационная система, содержащая корпус, выполненный в виде несущего кронштейна, имеющего форму, приближенную к прямоугольному параллелепипеду с боковыми, верхней и нижней гранями, внутренней полостью, три волоконно-оптических гироскопа, расположенных со стороны двух смежных боковых граней и верхней грани, и три акселерометра, при этом гироскопы и акселерометры снабжены защитными крышками и закреплены в корпусе на базовых поверхностях с обеспечением ортогональности установки их измерительных осей, а также блок электроники, расположенный в полости корпуса, отличающаяся тем, что смежные боковые грани корпуса снабжены защитными кожухами, выполненными с возможностью размещения в них гироскопов и акселерометров, при этом внутренняя поверхность защитных кожухов имеет сложную рельефную форму, обусловленную формированием базовых поверхностей, состоящих из базовых опорных элементов, расположенных по периметру внутренней поверхности защитных кожухов, акселерометры размещены в плоскости размещения гироскопов, при этом акселерометры, расположенные со стороны смежных боковых граней, установлены в нижней части корпуса.

2. Навигационная система по п.2, отличающаяся тем, что защитный кожух выполнен в виде кольцеобразного выступа и имеет со стороны верхней и одной из боковых граней округлый участок, а со стороны противоположной боковой грани и нижней грани - спрямленный участок, при этом спрямленные участки кольцеобразного выступа образуют угловую зону для размещения акселерометра.

3. Навигационная система по п.2, отличающаяся тем, что в качестве волоконно-оптических гироскопов использованы гироскопы марки ВГ035, в качестве акселерометров - акселерометры марки АК-15.

4. Навигационная система по п.2, отличающаяся тем, что блок электроники включает модули интерфейса, контроллера, аналого-цифрового преобразователя.

5. Корпус навигационной системы, выполненный в виде несущего кронштейна, имеющего форму, приближенную к прямоугольному параллелепипеду с боковыми, верхней и нижней гранями, внутренней полостью, при этом корпус со стороны двух смежных боковых граней и верхней грани снабжен базовыми поверхностями для размещения и крепления гироскопов и акселерометров с обеспечением ортогональности установки их измерительных осей, нижняя грань корпуса предназначена для крепления блока электроники, отличающийся тем, что смежные боковые грани корпуса снабжены защитными кожухами, выполненными с возможностью размещения в них гироскопов и акселерометров, при этом внутренняя поверхность защитных кожухов имеет сложную рельефную форму, обусловленную формированием базовых поверхностей, состоящих из базовых опорных элементов, расположенных по периметру внутренней поверхности защитных кожухов, при этом форма и расположение базовых опорных элементов обеспечивает формирование посадочного места для гироскопа - в центральной части кожуха, посадочного места для акселерометра, приближенного к нижней части корпуса.

6. Корпус по п.5, отличающийся тем, что защитный кожух выполнен в виде кольцеобразного выступа и имеет со стороны верхней и одной из боковых граней округлый участок, а со стороны противоположной боковой грани и нижней грани - спрямленный участок, при этом спрямленные участки кольцеобразного выступа образуют угловую зону для размещения посадочного места акселерометра.