Бесплатформенная инерциальная навигационная система подвижного носителя

Название	Бесплатформенная инерциальная навигационная система подвижного носителя
Разработчик (Авторы)	Щипицын А.Г., Хмелевский А.С.
Вид объекта патентного права	Изобретение
Регистрационный номер	2682060
Дата регистрации	14.03.2019
Правообладатель	Щипицын Анатолий Георгиевич, Хмелевский Анатолий Сергеевич

Описание изобретения

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано при создании бесплатформенных инерциальных навигационных систем, водящих в состав инерциального навигационного комплекса для высокоскоростного маневренного объекта [1] в качестве бесплатформенной инерциальной навигационной системы подвижного носителя.

Используемые термины

Для существенного сокращения текста описания и формулы целесообразно перечислить используемые термины применительно к заявляемому устройству:

Объект - движущееся в пространстве управляемое тело с целенаправленным перемещением из одной области пространства в другую.

Полюс объекта - точка, для которой определяются переменные его поступательного движения - это, как правило, начало связанной с ним системы координат; в частности, полюсом объекта может быть его центр масс.

Датчиковая система координат - система координат, связанная с инерциальным датчиком; в заявляемом устройстве - это система координат, связанная с подвесом (центральным стержнем и боковыми стержнями) для подвижных масс вибраторов, начало которой помещено в «нижний» конец центрального стержня, третья ось направлена вдоль центрального стержня в сторону крепления боковых стержней, вторая ось направлена перпендикулярно плоскости, в которой расположены центральный и боковые стержни датчика, первая ось образуют со второй и третьей осями правую тройку; в датчиковой системе координат заданы массогеометрические параметры инерциального датчика: проекции радиуса-вектора центра масс и компоненты тензора инерции подвеса.

Объектная система координат - связанная с объектом система координат, начало которой совмещено с его полюсом, оси которой направлены в соответствии с задачами управления его движением.

Установочная система координат - система координат, связанная с объектом, начало которой помещено в начало датчиковой системы координат, ее третья ось, направленная вдоль центрального стержня, отклонена на два угла относительно объектной системы координат, и вокруг этой отклоненной осуществлен поворот на третий угол; эта система координат введена для построения математической модели динамики инерциального датчика, произвольно установленного на произвольно движущемся в пространстве объекте; путем варьирования численных значений трех указанных выше углов можно установить инерциальный датчик требуемым образом относительно объекта, а также можно требуемым образом установить относительно объекта несколько таких инерциальных датчиков.

Земная географическая система координат - связанная с Землей система координат, начало которой находится на поверхности Земли (в частности, совпадает с точкой начала движения объекта), первая ось направлена на Восток, вторая - на Север, третья - в зенит;

Земная геоцентрическая система координат - связанная с Землей система координат, начало которой помещено в центр сферической Земли, оси образуют правую тройку, при этом первая ось пересекает нулевой меридиан, третья ось направлена на Север (вдоль этой оси направлен вектор угловой скорости суточного вращения Земли).

Инерциальная система координат - связанная с абсолютно неподвижной в пространстве системой отсчета, оси которой образуют правую тройку и в начальный момент времени наблюдения за движением объекта параллельны осям земной геоцентрической системы координат.

Инерциальный датчик - электро-электронно-механическое устройство, выходные сигналы которого зависят от кинематических характеристик движения объекта, от конструктивных характеристик и принципов работы датчика, в заявляемом устройстве - это центральный стержень, с которым жестко связаны два боковых стержня под заданными углами к центральному стержню и расположенные в одной плоскости с центральным стержнем, по концам центрального стержня установлены опорные узлы, каждый из которых представляет собой два торцевых стержня, жестко связанных с центральным стержнем и установленных ему перпендикулярно в плоскости боковых стержней и девять датчиков сил, по три из которых установлены по концам торцевых стержней перпендикулярно центральному стержню и взаимно перпендикулярно, три датчика силы установлены на конце центрального стержня: один - вдоль центрального стержня и два другие - перпендикулярно центральному стержню и плоскости расположения центрального и боковых стержней; все указанные датчики сил контактируют с торцевыми и центральным стержнями, а их противоположные концы жестко контактируют с корпусом инерциального датчика, жестко установленном на объекте; каждый датчик силы выдает сигнал, равный его силе сжатия; на концах боковых стержней установлены вибраторы, точечные массы подвижных элементов которых совершают устойчивые возвратно-поступательные движения вдоль направлений боковых стержней с заданными амплитудами и частотами; выходы датчиков силы подключены ко входу встроенного компьютера по беспроводной технологии передачи информации.

Подвес вибраторов инерциального датчика, называемый также одним словом «подвес» - сборка, состоящая из центрального стержня, к которому жестко закреплены два боковых стержня, расположенных с центральным стержнем в одной плоскости под заданными углами к нему, на концах которых жестко установлены вибраторы с подвижными элементами, а на каждом конце центрального стержня, контактирующем с датчиками сил, жестко установлены по два торцевых стержня, также контактирующих с датчиками сил, установленных указанным выше специальным образом.

Встроенный компьютер - это вычислительное устройство, встроенное в инерциальный датчик или входящее в состав бортового компьютера, в котором хранится информация о структуре инерциального датчика и в который инсталлировано программное обеспечение для процедуры определения сил реакций опор на основе обработки сигналов датчиков сил, то есть вход во встроенный компьютер - это сигналы датчиков сил, а его выход - пять проекций векторов сил реакций опор подвеса и момент сил реакции относительно оси, направленной вдоль центрального стержня.

Первичная информация - это совокупность сигналов датчиков сил, установленных указанным выше способом между осью направления центрального стержня и указанными выше стержнями и корпусами инерциального датчика, жестко связанных с объектом; на основе этой информации вычисляются указанные выше проекции векторов сил реакций опор подвеса вибраторов инерциального датчика.

Датчиковая информация в заявляемом устройстве - это пять проекций векторов сил реакций опор подвеса и момент сил реакции относительно оси, направленной вдоль центрального стержня; эта информация получается путем обработки первичной информации во встроенном компьютере и является его выходом.

Инерциальная информация в заявляемом устройстве - это совокупность восемнадцати переменных, вычисляемых на основе первичной информации трех инерциальных датчиков, оси направления центральных стержней которых взаимно перпендикулярны; указанные восемнадцать переменных инерциальной информации -это: три проекции вектора кажущегося ускорения полюса объекта, три проекции вектора абсолютного углового ускорения объекта, три проекции вектора абсолютной угловой скорости объекта и девять произведений проекций вектора абсолютной угловой скорости объекта друг на друга; все указанные проекции векторов - на оси объектной системы координат; определение переменных инерциальной информации сводится к решению системы линейных алгебраических уравнений восемнадцатого порядка.

Навигационная информация - переменные, на основе которых осуществляется управление движением объекта, в заявляемом устройстве - это пятнадцать переменных: переменные ориентации объекта от базовой (например, земной географической системы координат) к объектной системе координат (это, например, девять направляющих косинусов), три проекции вектора скорости полюса объекта и три проекции радиуса-вектора полюса объекта (то есть три координаты объекта) в базовой системе координат.

Функция управления движением объекта - в заявляемом устройстве это сумма средневзвешенных модулей разностей определяемых бесплатформенной инерциальной навигационной системой переменных навигационной информации и соответствующих функций времени, задающих требуемые программные движения объекта, то есть функция управления движением объекта представляет собой рассогласования реальных и программных движений объекта, которые система управления его движением должна сводить к нулю в каждый текущий момент времени.

Блок инерциальной информации - устройство, состоящее из трех инерциальных датчиков описанного выше типа и локального компьютера, в котором инсталлировано программное обеспечение для процедуры определения переменных инерциальной информации на основе первичной информации.

Локальный компьютер - вычислительное устройство, встроенное в блок инерциальной информации или входящее в состав бортового компьютера, в котором хранится информация о структуре блока инерциальных датчиков и в который инсталлировано программное обеспечение, входом в которое являются переменные первичной информации, а выходом являются переменные инерциальной информации.

Бортовой компьютер - вычислительное устройство, в котором хранится априорная информация о гравитационном поле (Земли), базовом вращении (вращении Земли) и начальных условиях об ориентации, движении и положении объекта, входом которого являются переменные инерциальной информации, а выходом - переменные навигационной информации и в который инсталлировано программное обеспечение для процедуры функционирования бесплатформенной инерциальной навигационной системы, то есть для определения переменных навигационной информации и функции управления движением объекта на основе переменных инерциальной и априорной информации; следует отметить, что разделение общего вычислительного устройства (бортового компьютера) бесплатформенной инерциальной навигационной системы на встроенный, локальный и собственно бортовой компьютер является условным с целью удобства пояснения сути вычислительных процедур, реализуемых соответственно в инерциальном датчике, блоке инерциальной информации и собственно в бесплатформенной инерциальной навигационной системе.

Блок вычисления функции управления движением объекта - вычислительное устройство, в котором осуществляется вычисление функции управления движением объекта, представляющей собой средневзвешенное относительное рассогласование в каждый текущий момент времени между переменными навигационной информации, генерируемыми бесплатформенной инерциальной навигационной системой и априорно заданными функциями времени этих же переменных; вход в этот блок - это выход бесплатформенной инерциальной навигационной системы, а выход - это указанная функция времени, поступающая на вход системы управления движением объекта; следует заметить, что указанный блок вычисления функции управления движением объекта выделен здесь отдельно для удобства пояснения сути осуществляемых в нем вычислительных операций, а реально он может входить в общее вычислительное устройство, например, в бортовой компьютер.

Бесплатформенная инерциальная навигационная система - электро-электронно-механическое устройство, состоящее из блока инерциальной информации, подключенного к бортовому компьютеру, выходом которого являются переменные навигационной информации и функция управления движением объекта, поступающие на вход системы управления движением объекта.

Функционирование бесплатформенной инерциальной навигационной системы - процесс получения навигационной информации об ориентации объекта в системе координат, в которой решается задача навигации и управления им (например, направляющих косинусах от земной системы координат к объектной системе координат), движении объекта (проекций вектора скорости полюса объекта в земной системе координат), положении объекта (проекций радиуса-вектора полюса объекта в земной системе координат) и функции управления движением объекта на основе обработки первичной информации с привлечением априорной информации о гравитационном поле Земли, вращении Земли и начальных ориентации, движении и положении объекта относительно Земли.

Идентификация параметров инерциального датчика - процедура определения реальных конструктивных параметров инерциального датчика, основанная на его стендовых испытаниях, физически моделирующих поступательные и угловые движения объекта с обработкой получаемой при этих испытаниях первичной информации с последующим вычислением параметров инерциального датчика; для этой процедуры требуется разработка соответствующего программного обеспечения.

Массогеометрические характеристики инерциального датчика - в заявляемом устройстве - это постоянные во времени параметры: расстояние между опорами, вибрирующие точечные массы, координаты центра масс подвеса и компоненты тензора инерции подвеса, состоящего из центрального стержня, боковых стержней, торцевых стержней и корпусов вибраторов, в датчиковой системе координат.

Уровень техники

Известна бесплатформенная инерциальная навигационная система, построенная на трех взаимно ортогональных датчиках угловой скорости и трех взаимно ортогональных акселерометрах, выходы которых подключены к бортовому компьютеру, в котором вычисляются переменные навигационной информации и функция управления движением объекта [2, 3, 4].

Недостатком этого устройства является невозможность его использования для навигационных измерений в составе инерциального навигационного комплекса для высокоскоростного маневренного объекта [1].

Известен способ построения инерциальной навигационной системы [5], заключающийся в установке на объекте бесплатформенной инерциальной навигационной системы, состоящей из блока инерциальной информации, в состав которого входят один датчик углового движения (например, датчик угловой скорости) и один датчик поступательного движения (например, акселерометр), блок инерциальной информации жестко закреплен на оси, приводящейся во вращение двигателем и снабженной тахометром для измерения ее угловой скорости относительно объекта, во время движения объекта измеряют сигналы указанных датчиков в окрестностях координатных осей связанной с объектом системы координат и далее обрабатывают их с привлечением необходимой априорной информации для получения переменных навигационной информации. Известны также и усовершенствования [6, 7, 8] этого способа путем установки датчиков сил на оси вращения и соответствующей обработки измерительной информации. В изобретениях [5, 6, 7, 8] по способам построения инерциальных навигационных систем зафиксирована идея уменьшения количества инерциальных датчиков в системе путем принудительного вращения акселерометра относительно стабилизированной платформы или принудительного вращения относительно объекта двух датчиков, один из которых - акселерометр, второй - датчик угловой скорости. Если в дополнение к этим способам установить на оси вращения датчики сил, то измеряемая ими информация и ее обработка позволит получить избыточную инерциальную информацию с целью использования ее для повышения точности навигационной информации. Область применения таких систем ограничена объектами с медленно-меняющимися или с программно-меняющимися кинематическими характеристиками, то есть такие системы невозможно использовать для навигационных измерений в составе инерциального навигационного комплекса для высокоскоростного маневренного объекта [1].

Раскрытие изобретения

Задачей заявляемого устройства является обеспечение функциональных и точных навигационных измерений для высокоскоростного маневренного объекта, которое может быть использовано в качестве бесплатформенной инерциальной навигационной системы подвижного носителя [1].

Решение поставленной задачи основано на следующих идеях: 1) использование нескольких однотипных инерциальных датчиков для построения блока инерциальной информации; 2) использование в качестве основного элемента инерциального датчика подвеса, состоящего из центрального стержня и двух боковых стержней, составляющих одну плоскость с центральным стержнем и жестко закрепленных на центральном стержне под заданными углами к нему, а на концах боковых стержней установлены вибраторы [9], обеспечивающие возвратно-поступательные движения точечным массам их подвижных элементов в направлениях этих стержней; центральный стержень своими торцами установлен в опорные узлы, каждый из которых представляет собой сборку из двух торцевых стержней и девяти работающих на сжатие датчиков сил [10, 11]; два торцевых стержня жестко связанны с центральным стержнем, перпендикулярны ему и лежат в плоскости боковых стержней; к свободным концам каждого торцевого стержня прижаты три датчика силы, лежащих в плоскости, перпендикулярной центральному стрежню и один из которых направлен вдоль торцевого стержня, а два других перпендикулярны торцевому стержню; к концу центрального стержня прижаты еще три датчика силы, один из которых направлен вдоль центрального стержня, а два других направлены перпендикулярно центральному стержню и плоскости боковых стержней; установленные указанным способом датчики сил в опорных узлах инерциального датчика позволяют на основе их сигналов определить реакции опор подвеса; 3) идентификация параметров каждого инерциального датчика в блоке инерциальной информации и использование величин этих параметров при вычислении переменных инерциальной информации в течение всего интервала времени навигационных измерений.

Поставленная задача решается тем, что бесплатформенная инерциальная навигационная система состоит из трех инерциальных датчиков, каждый из которых состоит из подвеса, двух вибраторов, восемнадцати датчиков сил и встроенного компьютера, выходом которого являются проекции сил реакций опор подвеса; подвес инерциального датчика - это центральный стержень, с которым жестко связаны два боковых стержня под заданными углами к центральному стержню и расположенные в одной плоскости с центральным стержнем, по концам центрального стержня установлены опорные узлы, каждый из которых представляет собой два торцевых стержня, жестко связанных с центральным стержнем и установленных ему перпендикулярно в плоскости боковых стержней и девять датчиков сил, по три из которых установлены по концам торцевых стержней перпендикулярно центральному стержню и взаимно перпендикулярно, и три датчика силы установлены на конце центрального стержня: один - вдоль центрального стержня и два другие - перпендикулярно центральному стержню и плоскости расположения центрального и боковых стержней; все указанные датчики сил контактируют с торцевыми и центральным стержнями, а их противоположные концы жестко контактируют с корпусом инерциального датчика, жестко установленном на объекте; каждый датчик силы выдает сигнал, равный его силе сжатия; точечные массы подвижных элементов вибраторов, установленных на боковых стержнях инерциального датчика, совершают устойчивые возвратно-поступательные движения вдоль направлений боковых стержней с заданными амплитудами и частотами; выходы датчиков сил подключены ко входу встроенного компьютера по беспроводной технологии передачи информации.

На основе измеряемых сигналов восемнадцати датчиков сил далее последовательно: 1) во встроенном компьютере вычисляются пять сил реакций опор центрального стержня и момент сил относительно оси, совпадающей с направлением центрального стержня, 2) в локальном компьютере вычисляются восемнадцать переменных инерциальной информации с привлечением априорной информации о параметрах инерциальных датчиков и параметрах их установки на объекте, 3) в бортовом компьютере вычисляются пятнадцать переменных навигационной информации с привлечением априорной информации об угловой скорости Земли, ее гравитационном поле и начальных условиях об ориентации, движении и положении объекта, а затем вычисляется функция управления движением объекта с привлечением априорной информации о программных законах движения объекта во времени. Подача сигналов датчиков сил в локальный компьютер осуществляется по беспроводной технологии передачи информации [12].

Осуществление изобретения

На фиг. 1 показана схема инерциального датчика, построенного на основе стержневого подвеса с двумя вибраторами, установленного в двух опорах, в каждую из которых вмонтированы по девять датчиков сил. Инерциальный датчик (фиг. 1) является одним из нескольких (не менее трех) инерциальных датчиков, входящих в состав бесплатформенной инерциальной навигационной системы. Подвес инерциального датчика состоит из центрального стержня 1, к которому жестко прикреплены два боковых стержня 2 под заданными углами к центральному стержню и находящимися в одной плоскости с ним. На концах боковых стержней установлены вибраторы 3, обеспечивающие устойчивые возвратно-поступательные движения подвижным элементам с заданными амплитудами частотами. По торцам центрального стержня установлены опорные узлы 4 и 5, в каждый из которых вмонтировано девять датчиков сил (расположение которых показано на фиг. 4). Датчик силы представляет собой работающий на сжатие пьезоэлектрический элемент [10, 11], сигнал которого пропорционален действующей на него силы сжатия. Каждый датчик силы предварительно поджат и выставлен на нуль его сигал в этом предварительно поджатом состоянии из того условия, что при уменьшении силы сжатия у него появляется сигнал, соответствующий силе противоположного направления по отношению к силе, обеспечивающей его предварительное поджатие. Указанное предварительное поджатие каждого датчика силы рассчитано таким образом, что эти датчики способны измерять весь диапазон сил, обусловленных движением объекта, для которого предназначена бесплатформенная инерциальная навигационная система. Каждый датчик силы подключен к встроенному компьютеру 6, в котором на основе сигналов восемнадцати датчиков сил (первичной информации) вычисляют реакции опор центрального стержня: три проекции F_i (i=1, 2, 3) вектора силы реакции нижней опоры, две проекции N_j (j=1, 2) вектора силы верхней опоры и момента сил М относительно направления центрального стержня в установочной системе координат. Инерциальный датчик, схема которого изображена на фиг. 1, пронумерован позицией 7.

На фиг. 2 изображена схема блока инерциальной информации, построенного на трех инерциальных датчиках 7 указанного выше типа, подключенных к локальному компьютеру 8. С корпусом блока инерциальной информации связана объектная система координат O_YY₁Y₂Y₃. Выходная информация встроенных компьютеров каждого инерциального датчика подана на вход локального компьютера 8, выходная информация которого - это восемнадцать переменных x_i, i=1, … 18 инерциальной информации и в котором осуществляются вычисления этих переменных на основе вычисленных во встроенных компьютерах трех инерциальных датчиков реакций опор подвеса Блок инерциальной информации, изображенный на фиг. 2, пронумерован позицией 9.

На фиг. 3. изображена бесплатформенная инерциальная навигационная система, состоящая из последовательно соединенных блока инерциальной информации 9, бортового компьютера 10 и блока 11 вычисления функции управления движением объекта. Совокупность перечисленных устройств 9, 10, 11 и представляет собой бесплатформенную инерциальную навигационную систему 12, установленную на объекте 13, движущемся относительно Земли 14. Выходной информацией блока инерциальной информации 9 являются переменные x_i, i=1, … 18 инерциальной информации, поступающие из локального компьютера 8 на вход бортового компьютера 10, в котором хранится априорная информация о вращении Земли, ее гравитационном поле и начальных условиях об ориентации, движении и положении объекта. Выходная информация бортового компьютера 10 - это вычисляемые в каждый текущий момент времени движения объекта пятнадцать переменных навигационной информации: девять направляющих косинусов C_ij, i,j=1, 2, 3 от земной географической к объектной системе координат, три проекции V_i, i=1, 2, 3 вектора скорости полюса объекта и три проекции R_i, i=1, 2, 3 радиуса-вектора полюса объекта в земной географической системе координат. Указанные переменные навигационной информации поступают на вход блока 11 вычисления функции F управления движением объекта, которая далее подается в систему управления его движением относительно Земли.

На фиг. 4 представлена схема опорных узлов стержневого подвеса вибраторов инерциального датчика с наименованиями каждого из четырех торцевых стержней и каждого из восемнадцати датчиков сил: математическое описание обработки информации, получаемой с указанных опорных узлов приведено далее в тексте описания.

На фиг. 5 изображена блок-схема алгоритма функционирования бесплатформенной инерциальной навигационной системы, краткое математическое описание для которого приведено далее.

На фиг. 6 изображена блок-схема алгоритма функционирования имитационной модели бесплатформенной инерциальной навигационной системы, краткое математическое описание для которого приведено далее.

Формула изобретения

Бесплатформенная инерциальная навигационная система подвижного носителя, содержащая датчики угловой скорости и датчики кажущегося ускорения, подключенные к бортовому компьютеру, в котором хранится априорная информация о вращении Земли, ее гравитационном поле и начальных условиях о движении объекта и в каждый текущий момент времени последовательно вычисляются шесть переменных инерциальной информации, пятнадцать переменных навигационной информации и функция управления движением объекта, отличающаяся тем, что она построена на трех инерциальных датчиках, каждый из которых представляет собой подвес для двух вибраторов, состоящий из жестко связанных друг с другом центрального стержня, двух боковых стержней, установленных под заданными углами к центральному стержню и расположенных с ним в одной плоскости и двух торцевых стержней, установленных по торцам центрального стержня; по концам центрального стержня установлены опорные узлы, каждый из которых представляет собой два торцевых стержня, жестко связанных с центральным стержнем и установленных ему перпендикулярно в плоскости боковых стержней и девять датчиков сил, по три из которых установлены по концам торцевых стержней перпендикулярно центральному стержню и взаимно перпендикулярно, и три датчика силы установлены на конце центрального стержня: один - вдоль центрального стержня и два других - перпендикулярно центральному стержню и плоскости расположения центрального и боковых стержней; все указанные датчики сил контактируют с торцевыми и центральным стержнями, а их противоположные концы жестко контактируют с корпусом инерциального датчика, жестко установленном на объекте; каждый датчик силы выдает сигнал, равный его силе сжатия; на концах боковых стержней установлены вибраторы, точечные массы подвижных элементов которых совершают устойчивые возвратно-поступательные движения вдоль направлений боковых стержней с заданными амплитудами и частотами; выходы датчиков сил подключены ко входу встроенного компьютера по беспроводной технологии передачи информации; каждый датчик силы выдает сигнал, равный его силе сжатия, выходы датчиков силы и подключены ко входу бортового компьютера по беспроводной технологии передачи информации, в котором последовательно вычисляются реакции опор подвеса вибраторов инерциальных датчиков, восемнадцать переменных инерциальной информации с использованием избыточности для контроля правильности вычислений и повышения надежности, пятнадцать переменных навигационной информации и функция управления движением объекта.

Изобретение "Бесплатформенная инерциальная навигационная система подвижного носителя" (Щипицын А.Г., Хмелевский А.С.) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога