Экономика в промышленности Под редакцией профессора А. В. Ляшенко Саратов Издательство Саратовского университета 2015
Скачать 2.44 Mb.
|
БЕСПЛАТФОРМЕННАЯ СИСТЕМА ОРИЕНТАЦИИ ВРАЩАЮЩИХСЯ ПОДВИЖНЫХ ОБЪЕКТОВ (гармонический способ автономной ориентации) Г. М. Проскуряков, А. А. Игнатьев*, А. А. Маслов* ОАО «Институт критических технологий» Россия, 410040, Саратов, пр. 50 лет Октября, 110А E-mail: kbkt@renet.ru *Саратовский государственный университет Россия, 410012, Саратов, Астраханская, 83 E-mail: kof@sgu.ru Разработан гармонический способ решения задачи автономной ориентации для вращающихся подвижных объектов (наземных и подземных, подводных и надводных, воздушных и комбинированных, баллистических и космических аппаратов) на основе обработки магнито-инерциальной информации, получаемой от трехосных блоков векторных датчиков (акселерометров, магнитометров, гироскопов). Приведены алгоритмы обработки комплексной информации для гармонического способа, а также даны оценки условий их практической реализации в бесплатформенной геофизической системе оринтации. Ключевые слова: вращающийся подвижный объект, бесплатформенная система ориентации, трехосные блоки акселерометров, магнитометров, гироскопов, алгоритм, матрица, гармоническая функция. Strapdown Orientation System of Moving Rotating Objects (harmonic method for the autonomous orientation) G. M. Proskuryakov, A. A. Ignatiev, A. A. Maslov Harmonious method for solving the problem of autonomous orientation for rotating movable objects is designed (surface and underground, underwater and surface, air and combined, ballistic and space vehicles) it is based on the processing of the magneto-inertial information from the triaxial block of vector sensors (accelerometers, magnetometers, gyros). Algorithms for processing of complex information for a harmonic way are shown, as well as data evaluation conditions of their implementation in the geophysical strapdown orientation system. Key words: rotating a movable object, strapdown orientation system, a three-axis accelerometer unit, magnetometers, gyroscopes, the algorithm, matrix, harmonic function. Для управления и стабилизации вращающихся подвижных объектов могут быть использованы следующие системы ориентации: гироскопические (ГСО), бесплатформенные инерциальные (БИСО) или бесплатформенные геофизические (БГСО) [1–10]. БГСО строятся на основе комплексирования датчиков магнито-инерциальной информации: трехосных блоков магнитометров (ТБМ), акселерометров (ТБА) и гироскопов (ТБГ). БГСО выполняются как малогабаритные и даже миниатюрные измерительно-вычислительные системы, использующие различное программно-алгоритмическое обеспечение [3–7]. Однако этим БГСО присущи недостатки, связанные с несовершенством как конструкций и схемотехнических решений по построению измерительной части системы, так и алгоритмов ее функционирования. Указанные недостатки частично устраняются в способе ориентации, описанном в патенте [8], в котором предлагается алгоритмическое определение угла крена γ вращающегося подвижного объекта (ВПО) на основе обработки магнитометрической информации от ТБМ с учетом задаваемых значений углов магнитного курса Φ, тангажа и магнитного наклонения Im. Эти недостатки обусловлены использованием очень грубых алгоритмов аналитического горизонтирования (АГ), не учитывающих проявление перекрестной геометрико-кинематической связи канала крена с каналом тангажа, влияние геометрических технологических погрешностей сборки и монтажа ТБА, а также алгоритмов аналитического компасирования (АК) (без учета магнитных свойств основания и геометрических технологических погрешностей сборки и монтажа ТБМ). При разработке алгоритмов аналитического креноуказания ВПО использовано явление модуляции показаний поперечных магнитометров (Y- и Z-магнитометров) с помощью вращения объекта, за счет чего в их сигналах содержится информация о гармонических функциях (  ) приближенного значения угла крена  . Однако вычисление гармонических функций (sin(γ), cos(γ)) от точного значения угла крена ( ) предполагает предварительную оценку поправки Δ. В источнике [8] эту оценку производят по алгоритму вычисления функции tg(Δ) с учетом выбора численных значений функций чувствительностей погрешностей к ошибкам неточного задания углов курса (ΔΦ) и тангажа (Δ).Практическая реализация разработанных алгоритмов накладывает сильные ограничения на выбор траектории полета и маневрирование ВПО (по углам ψ, , Jm) и становится невозможной при фактических условиях эксплуатации для большинства баллистических траекторий ВПО. Для исключения недостатков, характерных для магнитометрической системы аналитического креноуказания (  ) ВПО, в работах [3, 4] предложена малогабаритная магнитоакселерометрическая система ориентации (МАСО) с программным кардановым подвесом, предназначенная для определения всех углов (Φ, , ) ориентации ВПО в пространстве. В состав такой малогабаритной микропроцессорной измерительно-вычислительной системы (ИВС) входят однокомпонентный (HMC 1001) и двухкомпонентный (HMC 1002) магниторезистивные датчики производства фирмы Honeywell (США) [11] и два акселерометра AT 1104 отечественного производства (ОАО «Темп-Авиа», г. Арзамас) [12], а также аналого-цифровой преобразователь (АЦП) типа AD 73360 производства фирмы Analog Devices (США), микроконтроллер ATmega, энергонезависимая память типа AT24C, блоки питания и электронные блоки преобразования напряжения. Работоспособность макета МАСО для ВПО при произвольной ориентации объекта в пространстве (0 ≤ ψ ≤ 360o, –90o ≤ , ≤ 90о) не может быть подтверждена полностью в силу проявления принципиальных ограничений и недостатков, присущих принятым алгоритмам аналитического горизонт-компасирования (АГК).В основу предлагаемой концепции решения задачи автономной ориентации ВПО положено условие обработки комплексной геофизической информации о векторах напряженности ТМПЗ магнитного поля Земли (МПЗ), кажущегося ускорения а и угловой скорости вращения объекта . При этом предполагается, что весь цикл работы БГСО складывается из двух этапов, определяющих два режима работы системы [10]:
На первом этапе выполняется начальная выставка БГСО, т. е. определение начальных углов курса ψ0, тангажа 0 и крена 0 с использованием широко применяемых на практике алгоритмов аналитического горизонт-компасирования (АГК) по сигналам системы блоков ТБА+ТБГ [13, 14]. В режиме автономной работы ВПО и его БГСО производится принудительное раскручивание объекта до угловой скорости 0 вокруг продольной оси Х, в результате чего реализуется один силовой (стабилизирующий) и три информационно-измерительных (хронометрический, модулирующий и гармонический) эффекта. Показания блоков ТБМ, ТБА и ТБГ в режиме автономной работы БГСО формируются в соответствии с проявлением хронометрического, модулирующего и гармонического эффектов вращения в виде компонент векторов Tm, am и m [10, 15]. Фазовые сдвиги колебаний сигналов поперечных магнитометров (Δφм) и гироскопов (Δφг), оси чувствительностей которых параллельны поперечным осям Y и Z связанного трехгранника, линейно связаны с интервальными отрезками времени Δtм, Δtг, определяемыми хронометрическим способом [15]. Причем выходные сигналы магнитометров, акселерометров и гироскопов (uм, uа, uг) оказываются зависимыми от проекций векторов Tm, am, m на оси связанного трехгранника m = XYZ:
где kм, kа, kг – номинальные значения масштабных коэффициентов магнитометров, акселерометров и гироскопов; Δuм, Δuа, Δuг – векторы нулевых сигналов датчиков (смещений нулей); uxм, uyм, uzм, uxа, uyа, uzа, uxг, uyг, uzг – выходные сигналы ТБМ, ТБА и ТБГ соответственно; Δuxм, Δuyм, Δuzм, Δuxа, Δuyа, Δuzа, Δuxг, Δuyг, Δuzг – нулевые сигналы датчиков. От недостатка хронометрического способа решения задачи автономной ориентации ВПО свободен гармонический способ, основанный на вычислении углов вращения и углов маневрирования объекта ψ и по гармонически модулированным сигналам поперечных магнитометров, акселерометров и гироскопов. Анализ показывает, что амплитуды сигналов поперечных датчиков и их относительные фазовые сдвиги несут в своих значениях косвенную информацию как о частоте v0 и скорости вращения 0 ВПО, так и об углах ориентации связанного трехгранника m = XYZ в пространстве (ψ, , ). С учетом вращения ВПО вокруг продольной оси X c угловой скоростью 0 сигналы продольных датчиков, оси чувствительностей которых параллельны оси X, оказываются немодулированными, а сигналы поперечных датчиков, оси чувствительности которых параллельны поперечным осям Y и Z объекта, оказываются модулированными вращением объекта и гармонически изменяемыми с частотой v0(0):
где Ту(0t), Тz(0t), aу(0t), az(0t), у(0t), z(0t) – входные сигналы поперечных Y- и Z-датчиков, модулированные по амплитуде за счет вращения объекта с угловой скоростью 0. С учетом модуляции сигналов поперечных датчиков вращением ВПО выражения (2) можно привести к гармонической форме:
где  ,  ,  ,  ,  ,  , φм, φа, φг – амплитуды и фазы выходных сигналов поперечных датчиков.С учетом предварительно проведенных метрологических калибровок блоков ТБА, ТБМ и ТБГ, обеспечивающих определение масштабных коэффициентов и смещений нулей всех датчиков, на основе результатов текущих измерений (uм, uа, uг) и в соответствии с выражениями (1) можно вычислить входные сигналы всех датчиков:
где i = xyz. Приведем вычисленные по формулам (4) входные сигналы ТБМ, ТБА и ТБГ к немагнитному невращающемуся основанию, т. е. к резалевой системе координат, с учетом результатов аналитической юстировки блоков ТБМ, ТБА и ТБГ (Вм, Ва, Вг, М), магнитной калибровки ТБМ (  ) и идентификации параметров вращения ВПО (Т0, 0):
где  – векторы напряженности результирующего магнитного поля, кажущегося ускорения и собственной угловой скорости вращения ВПО, приведенные к немагнитному невращающемуся основанию;  ,  ,  – матрицы сборки блоков ТБМ, ТБА, ТБГ; M – матрица монтажа (установки) на ПО модуля (ТБМ+ТБА+ТБГ); S – матрица коэффициентов Пуассона (3×3); E – единичная матрица (3×3);  – вектор напряженности постоянной составляющей магнитного поля объекта (МПО); 0 – угловая скорость вращения ВПО вокруг продольной оси X; ya, za – координаты точки установки ТБА в связанном трехграннике m.С учетом корректировки показаний блоков по формулам (5) уравнения, описывающие формирование показаний блоков (Tm, am, m), можно привести к системе укороченных векторно-матричных уравнений:
где TМПЗ, as, s – соответствующие векторы, заданные в осях географического трехгранника s = NHE (N, E, H – направления на географический север, восток и вертикаль, соответственно). Приведенные к немагнитному основанию значения амплитуд и фаз гармонических сигналов поперечных магнитометров в проекциях на оси резалевого трехгранника определяются по следующим формулам:
где  ,  – амплитуды входных сигналов поперечных Y- и Z-магнито-метров, приведенные к немагнитному основанию и резалевому трехграннику; ψ, – углы курса и тангажа.Приведенные к резалевому трехграннику значения амплитуд и фаз гармонически изменяющихся сигналов поперечных акселерометров и гироскопов можно определить по формулам:
где  ,  ,  ,  – амплитуды входных сигналов поперечных Y- и Z-акселерометров и гироскопов, приведенные к резалевому трехграннику; – скорость движения ВПО;  ,  – угловые скорости искривления траектории ВПО в горизонтальной и вертикальной плоскостях;  – угловая скорость вращения Земли;  ,  – северная и вертикальная составляющие вектора удельной силы тяжести g в неподвижном трехграннике s = NHE; φ – географическая широта. Анализ выражений (5) для приведенных показаний ТБМ, ТБА и ТБГ показывает, что скорректированные сигналы блоков (  ) практически совпадают с их истинными входными сигналами (Tm, am, m), сдвинутыми на величины, соответствующие нулевым смещениям (Δuм, Δuа, Δuг) и детерминированным сдвигам ( ) с учетом приведения к резалевому трехграннику. Анализ гармонических функций (3), характеризующих формирование выходных сигналов поперечных датчиков, показывает, что колебания выходных сигналов магнитометров и гироскопов синхронны с колебаниями выходных сигналов uya(0t), uza(0t) поперечных акселерометров, но сдвинуты относительно них на фазовые углы (Δφм, π/2+Δφм, Δφг, π/2+Δφг) соответственно.Таким образом, как гармонические колебания приведенных сигналов поперечных датчиков, так и гармонические колебания первичных сигналов этих датчиков (до приведения), записанные в соответствии с выражением (3), несут в себе информацию о текущем угле вращения ВПО и углах ориентации его продольной оси X в пространстве (ψ, ). На основании выражений (3) можно получить формулы для вычисления функций угла вращения ВПО по акселерометрическим, магнитометрическим и тахометрическим каналам:
На основании выражений (10) и (11) возможно вычисление функций sin() и cos(). Алгоритмы АГ гармонического способа вычислений углов маневрирования ψ и ВПО в настоящей работе не приводятся. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
УДК 537.6 |
, 
, 
, 
, 
, 
,
, 
,
, 
,
, 
,
Похожие:
 | Решением Президиума вак министерства образования и науки РФ издание включено в Перечень ведущих рецензируемых изданий, в которых |  | К38 Неправомерные действия должностных лиц налоговых органов. Саратов: Изд-во Сарат ун-та, 2008 376 с.: ил. 978-5-292-03835-1 |
| Лингвометодические проблемы преподавания иностранных языков в высшей школе: Межвуз сб науч тр. / Под ред. Л. И. Со | | Лингвометодические проблемы преподавания иностранных языков в высшей школе: Межвуз сб науч тр. / Под ред. Л. И. Со |
| Экономика. Теория и практика: материалы III международной научно-практической конференции (16 июня 2015 г.). Отв ред. Зарайский А.... | | О. В. Бессчетнова : под ред. Г. В. Дыльнова. — Саратов : Научная книга, 2008. — 288 с |
| Для преподавателей, научных работников и студентов, обучающихся по специальности «Социально-культурный сервис и туризм» | | Для преподавателей, научных работников и студентов, обучающихся по специальности «Социально-культурный сервис и туризм» |
| «Педагогика и психология» Пензенского государственного технологического университета О. А. Вагаева | | «Педагогика и психология» Пензенского государственного технологического университета О. А. Вагаева |