Экономика в промышленности Под редакцией профессора А. В. Ляшенко Саратов Издательство Саратовского университета 2015
Скачать 2.44 Mb.
|
БЕСПЛАТФОРМЕННАЯ СИСТЕМА ОРИЕНТАЦИИ ВРАЩАЮЩИХСЯ ПОДВИЖНЫХ ОБЪЕКТОВ (хронометрический способ автономной ориентации) А. А. Игнатьев, Г. М. Проскуряков*, А. В. Васильев, А. А. Маслов Саратовский государственный университет Россия, 410012, Саратов, Астраханская, 83 E-mail: kof@sgu.ru *ОАО «Институт критических технологий» Россия, 410040, Саратов, пр. 50 лет Октября, 110А E-mail: kbkt@renet.ru Для вращающихся подвижных объектов (наземных и подземных, надводных и подводных, воздушных и комбинированных, баллистических и космических) разработан хронометрический способ решения задачи автономной ориентации на основе обработки магнитоинерциальной информации, получаемой от трехосных блоков векторных датчиков (акселерометров, магнитометров, гироскопов). Приведены алгоритмы обработки комплексной информации для хронометрического способа, а также даны оценки условий их практической реализации в бесплатформенной геофизической системе ориентации. Ключевые слова: вращающийся подвижный объект, бесплатформенная система ориентации, трехосные блоки акселерометров, магнитометров, гироскопов, алгоритм, матрица, хроноимпульсы, частота вращения. Strapdown Attitude Control System Rotating Moving Objects (Chronometric Method of Autonomous Orientation) A. А. Ignatiev, G. M. Proskuryakov, A. V. Vasiliev, A. A. Maslov Rotating moving objects (surface and underground, above water and underwater, air and combined ballistic and space) developed by chronometric method of solving the problem of Autonomous orientation based on the processing of magnetoinertial information obtained from triaxial blocks of vector sensors (accelerometers, magnetometers, gyroscopes). Algorithms of processing of complex information for chronometric method, as well as the conditions for its practical application in strapdown geophysical system orientation. Key words: rotating the movable object, strapdown attitude control system, triaxial blocks accelerometers, magnetometers, gyroscopes, algorithm, matrix, chronopulses, frequency of rotation. Вращающиеся подвижные объекты (ВПО) занимают особое место среди множества подвижных аппаратов. К их числу следует отнести снаряды и инклинометры, вращающиеся в буровой скважине или трубопроводе, вращающиеся объекты систем высокоточного оружия (ВПО ВТО), вращающиеся космические аппараты в режиме закрутки, вращающиеся части подвижного объекта (несущие и гребные винты, сканирующие и вращающиеся платформы с антеннами, телескопами, актинометрической аппаратурой и пр.). Частоты 0 принудительного вращения, качаний и сканирования таких ВПО могут составлять величины от долей герц до единиц и даже десятков герц (Гц). Применительно к ВПО ВТО ставится задача определения в каждый момент времени не только его угловой скорости 0 и текущего угла вращения γ (угла крена), но и определения его ориентации (т. е. определение углов курса ψ и тангажа ϑ), а также управления ими при маневрировании подвижного объекта (ПО). Для решения задач ориентации и стабилизации ВПО ВТО в настоящее время на практике находят применение гироскопические (ГСО) и бесплатформенные инерциальные (БИСО) системы ориентации [1, 2]. Однако ГСО отличаются большими габаритами и массами, а для БИСО характерно явление накопления во времени погрешностей ориентации (∆ψ(t), ∆ϑ(t), ∆γ(t)). Кроме того, основной недостаток ГСО связан с явлением выбиваемости систем в условиях пространственного маневрирования объекта [2]. Особенность решения задач ориентации, стабилизации и управления ВПО ВТО заключается в том, что они должны решаться не только относительно неподвижной системы координат, связанной с Землей, но и относительно линии визирования цели (ЛВЦ), на которую наводится ВПО. В настоящее время задачи ориентации, стабилизации и управления ВПО относительно ЛВЦ решаются на основе использования оптических головок самонаведения (ОГС), применение которых еще больше расширяет перечень недостатков, ограничений, вопросов и проблем [3–7]. В качестве альтернативы для ГСО и БИСО в направлении устранения указанных недостатков с учетом отмеченных особенностей могут рассматриваться бесплатформенные геофизические системы ориентации (БГСО), построенные на основе комплексирования датчиков магнито-инерциальной информации: трехосных блокох магнитометров (ТБМ), акселерометров (ТБА) и гироскопов (ТБГ). Известным схемотехническим решениям построения БГСО, в которых предлагается реализовать алгоритмы автономной обработки комплексной геофизической информации [3–6], присущи свои недостатки. В работе [5] предлагается способ определения параметров ориентации (углов тангажа ϑ и крена γ) быстовращающихся подвижных объектов на основе показаний БИСО, в состав которой входят шесть акселерометров с неортогональными осями чувствительностей и один гироскоп рысканья. Однако предлагаемый способ решает только задачу аналитического горизонтирования ВПО, а не задачу аналитического компасирования его, так как не позволяет определить курс объекта (ни истинный, ни магнитный). В статье [6] решается аналогичная задача аналитического горизонтирования ПО, но с использованием показаний не инерциальных, а магниточувствительных датчиков. При этом при вычисления углов ϑ и γ ПО предполагается известным угол магнитного курса Φ. В [7] предлагается способ аналитического горизонт-компасирования (АГК) на основе обработки магнитометрической и акселерометрической информации. При этом используется упрощенный и неточный алгоритм аналитического магнитокомпасирования с вычислением функции tgΦ (разрывной и неоднозначной) без учета магнитных свойств подвижного основания и геометрических технологических погрешностей сборки и монтажа блоков ТБМ и ТБА. Алгоритмы аналитического горизонтирования (АГ) ПО имеют существенные ограничения по условиям эксплуатации, так как предполагают реализацию эталонных режимов движения, не учитывающих реальную динамику поступательного и вращательного движения объекта. Для более полного и точного решения задачи бесплатформенной ориентации ВПО на основе использования геофизической информации и применения безинерциальной (безынтегральной!) технологии ее обработки предположим, что БГСО построена по схеме измерения параметров трех векторов – ТМПЗ, а, (напряженности магнитного поля Земли (МПЗ), кажущегося ускорения и абсолютной угловой скорости вращения объекта). Измерительные оси блоков ТБМ, ТБА и ТБГ параллельны соответствующим осям связанного трехгранника XYZ. Такая БГСО может быть с успехом использована для полного решения задачи автономной ориентации ВПО [8, 9]. Сущность принятой концепции автономной ориентации ВПО на основе обработки комплексной геофизической информации и подход к разработке алгоритмов ориентации во всех модификациях изложены в [10]. На основе описанной концепции решения задачи автономной ориентации с учетом разработанных вариантов алгоритмов рассмотрим расширенное алгоритмическое обеспечение для решения поставленной задачи ориентации ВПО. Для любого ВПО в составе переносного зенитно-ракетного комплекса можно выделить два принципиально различных режима работы объекта и его системы ориентации, выполняемых последовательно в два этапа [10]:
В работе [10] обоснован подход к решению задачи разработки алгоритмов АГК ВПО на основе использования комплексной магнито-тахо-акселерометрической информации, получаемой от трех пар блоков (ТБА + ТБГ, ТБМ + ТБА, ТБМ +ТБГ), а также разработан рабочий алгоритм магнито-акселерометрического АГК (этап начальной выставки). Алгоритм тахо-акселерометрического АГК по сигналам блоков ТБА + ТБГ широко используется на практике [11, 12]. В результате выполнения операции начальной выставки на основе использования различных алгоритмов АГК, их модификаций и комбинаций оказываются известными в условиях функциональной избыточности информации те начальные значения углов ориентации ψ0, ϑ0, γ0, с которыми ВПО и ее БГСО переходят к работе в основном режиме – в режиме автономной работы. В режиме автономной работы при сходе ВПО с направляющих ПЗРК происходит принудительное раскручивание объекта до угловой скорости 0 вокруг продольной оси X объекта. Вращение ВПО вокруг продольной оси в режиме автономной работы обеспечивает условия для реализации одного силового (стабилизирующего объект в пространстве по курсу ψ и тангажу ϑ с учетом ее кинетического момента  ) и трех информационных эффектов (рис. 1):
Показания блоков ТБМ, ТБА, ТБГ в режиме автономной работы БГСО формируются в соответствии с проявлением хронометрического, модулирующего и гармонического эффектов вращения в виде сигналов продольных (не модулированных) и поперечных (гармонически изменяющихся, см. рис. 1) магнитометров, акселерометров и гироскопов, подчиняющихся уравнениям Пуассона, кинематическим уравнениям Эйлера и векторно-матричным уравнениям преобразования координат [10]:
где Тm, аm, m – векторы напряженности результирующего магнитного поля, кажущегося ускорения и абсолютной угловой скорости вращения ВПО, приведенные к точкам установки на ПО ТБМ, ТБА и ТБГ соответственно; ТХ, ТY, ТZ, аX, аY, аZ, X, Y, Z – проекции векторов Тm, аm, m на оси связанного трехгранника m = XYZ (показания блоков ТБМ, ТБА, ТБГ соответственно); BМ, Bа, BГ – матрицы сборки блоков; M – матрица монтажа (установки) на ПО модуля (ТБМ + ТБА + ТБГ); ТМПЗ, аs, s – соответствующие векторы, заданные в осях географического трехгранника s = NHE;  – вектор напряженности постоянной составляющей магнитного поля объекта (МПО); 0 – вектор относительной угловой скорости собственного вращения ВПО вокруг продольной оси; ra – радиус-вектор точки размещения ТБА относительно центра масс ВПО в связанном трехграннике XYZ,  ; A – матрица ориентации ВПО (3×3); S – матрица коэффициентов Пуассона (3×3); E – единичная матрица (3×3).0 0 0 0 0 A B C B1 C1 D1 O1 O2 O3 O4 T0/2 (π) 0∙t π π π 2π 2π 2π 3π 3π 3π 4π 4π 4π ∆φГ ∆tГ ∆φM ∆tM uГZ(t) Z(t) ~ uMZ(t) ~ TZ(t) uMY(t) TY(t) ~ ~ uГY(t) Y(t) uaY(t) aY(t) ~ uaZ(t) aZ(t) ~ Ym –Ym ~ ~ –Zm Zm ~ ~ –TZm TZm TYm –TYm ~ ~ ~ ~ AY AY –AY –AZ –AZ AZ AZ 0∙t 0∙t A B C D t t N ППИ Хроноимпульсы (ХИ) T0/2 ∆t T0/2 τ ∆t N T0/2 T0/2 T0/2 N0 N0 N0 N0 Nt t Рис. 1. Выходные и управляющие сигналы БГСО в режиме автономной работы T0 = 2π/ω0  Для схемы Эйлера–Крылова матрица A ориентации ВПО может быть выражена через матрицы курса (Aψ), тангажа (Aϑ) и крена (Aγ):
где aij – направляющие косинусы матрицы ориентации [13–17]. Так как ВПО выступает как хронометр и модулятор, то в соответствии с хронометрическим и модулирующим эффектами вращения для измерения временных отрезков и последующего вычисления соответствующих фазовых сдвигов можно в состав БГСО ввести хронометрический канал, формирующий ряды хроноимпульсов (ХИ) и полупериодных импульсов (ППИ) (см. рис. 1). Частота следования ХИ задается постоянной с помощью генератора хроноимпульсов (ГХИ) и выбирается на уровне нескольких килогерц и более (νХИ ≥ 1 кГц). Частота же следования ППИ составляет величину, равную двойной частоте вращения ВПО (νППИ = 2ν0; ν0 = 0/(2π)). Процесс хронометрирования вращения ВПО и гармонических сигналов блоков (ТБМ, ТБА, ТБГ) для оценки их временных и фазовых параметров с помощью таймера (высокочастотного счетчика импульсов) сводится к определению полупериода T0/2 вращения ВПО, текущего времени t, отсчитываемого с момента пуска объекта, интервального времени Δt в пределах каждого полуоборота (0 ≤ Δt ≤ T0/2), временных отрезков Δtм, Δtг сигналов ТБМ и ТБГ по алгоритму хронометрирования АХ (см. рис. 1):
где – длительность одного ХИ; N0, Nt, N, NM, NГ – числа ХИ, посчитанных таймером за полупериод вращения T0/2, текущее время t и интервальные отрезки времени Δt, Δtм, Δtг. С учетом конкретной ориентации продольной оси X ВПО в пространстве (т. е. с учетом мгновенной ориентации вектора скорости υ в пространстве по углам ψ и ϑ) относительные фазовые сдвиги сигналов поперечных магнитометров и гироскопов относительно соответствующих синхронных сигналов акселерометров могут быть как положительными  что соответствует опережению сигналов датчиков по фазе, так и отрицательными  что соответствует запаздыванию сигналов этих датчиков по фазе. Тогда частота v0, угловая скорость 0 вращения ВПО и частота следования ППИ  рассчитываются по следующим формулам:
На основе использования хронометрического способа решения задачи автономной ориентации ВПО по информации тахометрического  и хронометрического (N, N0, T0, 0, Δt) каналов измерений можно вычислить приближенное значение угла вращения  объекта:
График изменения вычисленных приближенных значений углов вращения  может быть представлен в виде непрерывной прямой линии  ( ) или в виде периодической пилообразной линии 0AO1B1O2C1O3D1 … с периодом, равным ( ) (см. рис. 1).Текущее мгновенное значение угла вращения (крена) ВПО можно вычислить на основании линейной функции (9) по формуле
если ввести поправку Δ к приближенно вычислительному значению угла  [10]:
где  – угол между векторами 0 и ТМПЗ.Функции sin и cos можно вычислить по следующим формулам [10]:
Неравенства sin 0, cos 1, характеризуют условия непопадания осей чувствительностей ТБМ в мертвую зону (в которой векторы 0 и ТМПЗ совпадают по направлению). Оценка среднего значения поправки  равна
Знание текущих значений углов γ вращения ВПО в каждый момент времени t с учетом показаний ТБМ позволяет вычислить углы маневрирования объекта (ψ, ) в линеаризованной или конечной формах. Недостаток хронометрического способа определения угла вращения ВПО заключается в необходимости введения коррекции предварительно вычисленных значений углов крена путем определения и введения поправок Δ.БГСО на основе комплексирования блоков ТБМ + ТБА + ТБГ может быть построена в виде малогабаритной или даже миниатюрной микропроцессорной измерительно-вычислительной системы (рис. 2). Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) Алгоритмы автономной ориентации Микроконтроллер Параметры ориентации Вычислительная часть БГСО Измерительная часть БГСО ТБА ТБМ Tx Ty Tz gx gy gz Ωx Ωy Ωz ψ ϑ γ ψ ϑ γ ψ ϑ γ |
.
,
.
.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 |