Пирометрическая вертикаль
Изобретение относится к устройствам для измерения углового положения летательных аппаратов и может быть использовано как устройство ориентации и стабилизации на малогабаритных беспилотных летательных аппаратах.
Пирометрическая вертикаль, содержащая четыре пирометрических датчика (пирометра), размещенных на печатной плате перпендикулярно в одной плоскости. В нее дополнительно введен независимый от пирометров двухосевой или трехосевой некорректируемый датчик угловой скорости, оси чувствительности которого расположены параллельно осям симметрии летательного аппарата, а сам датчик угловой скорости расположен в центре масс, с возможностью контроля верности вычисляемых по показаниям только пирометров углов крена и тангажа и вычисления углов крена и тангажа только по показаниям датчика угловой скорости ограниченное время, когда углы крена и тангажа по пирометрам признаются не верными.
Введением датчика угловой скорости достигается возможность в неблагоприятных для пирометрической вертикали условиях кратковременно переключать задачу вычисления углового положения с пирометрической вертикали на датчик угловой скорости. А также определять факт наличия неблагоприятных условий по показаниям датчика угловой скорости. 1 н.п.ф., 1 илл.
Полезная модель относится к устройствам для измерения углового положения летательных аппаратов (ЛА) и может быть использована как устройство ориентации и стабилизации на малогабаритных беспилотных летательных аппаратах (БПЛА).
Известна бесплатформенная система ориентации, вырабатывающая в качестве параметров ориентации углы последовательных поворотов подвижного объекта, известные как углы Крылова. [Гироскопические приборы и системы: Учеб. для вузов по спец. «Гироскопические приборы и устройства» / Д.С.Пельпор, И.А.Михалев, В.А.Бауман и др.; Под ред. Д.С.Пельпора. - 2-е изд.; перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 1988. - 424 с.: ил.]. Она состоит из трех датчиков угловой скорости, оси чувствительности которых взаимно перпендикулярны и устройства вычисления углов, основными элементами которого являются вычислитель угловых скоростей по углам Крылова, а также интегрирующие и суммирующие устройства.
Недостатком бесплатформенной системы ориентации являются накапливаемые со временем погрешности определения угловой ориентации объекта, обусловленные наличием интегрирующих звеньев в блоке вычисления углов.
Наиболее близким аналогом является пирометрическая вертикаль в составе авиамодельного автопилота Co-Pilot CPD4 [U.S. Patent 6,181,989] производства фирмы FMA Inc (США, Мериленд). Данная вертикаль состоит из четырех пирометрических датчиков (пирометров), расположенных на печатной плате горизонтально в плоскости ЛА. Принцип измерения углового положения основан на измерении разности инфракрасного теплового излучения поверхности земли и небосвода (космоса). Т.к. земля всегда теплее, есть некий градиент, распределенный вертикально от зенита до надира. Измеряя температуру четырьмя перпендикулярными пирометрами, расположенными вдоль осей симметрии ЛА, можно определять углы крена и тангажа без накопления ошибок в силу отсутствия интегрирующих звеньев.
Недостатком известной пирометрической вертикали является невозможность работы в условиях отсутствия видимой линии горизонта (при полетах в глубоких ущельях, тоннелях, улицах города) и неравномерной тепловой картины по разные стороны от ЛА (например, когда справа лесной пожар, слева - холодное море). В первом случае пирометрическая вертикаль вообще не сможет функционировать, во втором случае появится существенная ошибка определения углов крена и тангажа.
Технической задачей предлагаемого устройства является расширение возможностей пирометрической вертикали путем добавления возможности контроля верности вычисляемых пирометрической вертикалью углов и вычисления углов крена и тангажа в условиях отсутствия видимой линии горизонта или неравномерной тепловой картины.
Поставленная техническая задача решена тем, что в пирометрическую вертикаль, содержащую четыре пирометра, размещенных на печатной плате перпендикулярно в одной плоскости, дополнительно вводится независимый от пирометров двухосевой или трехосевой некорректируемый датчик угловой скорости (ДУС), оси чувствительности которого расположены параллельно осям симметрии летательного аппарата, а сам датчик угловой скорости расположен в центре масс, с возможностью контроля верности вычисляемых по показаниям только пирометров углов крена и тангажа и вычисления углов крена и тангажа только по показаниям датчика угловой скорости ограниченное время, когда углы крена и тангажа по пирометрам признаются не верными. В неблагоприятных для пирометрической вертикали условиях становится возможным кратковременно переключать задачу вычисления углового положения с пирометрической вертикали на ДУС, используя в качестве исходных значений углов крена и тангажа алгоритма интегрирования последнее корректное показание пирометрической вертикали, а также определять факт наличия неблагоприятных условий по показаниям ДУС.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 показана структурная схема пирометрической вертикали с некорректируемым ДУС. Предлагаемое устройство содержит печатную плату 1, на которой размещены перпендикулярно друг к другу четыре пирометра 2, расположенные в одной плоскости (печатная плата 1 установлена на ЛА так, что направление осей чувствительности пирометров параллельном осям симметрии ЛА) и двухосевой или трехосевой ДУС 3, расположенный в центре масс ЛА с направлением осей чувствительности, параллельном осям симметрии ЛА. Пирометры и ДУС соединены с ЭВМ 4.
Заявленное устройство работает следующим образом. В штатном режиме вычисление углов крена и тангажа происходит согласно методике из [U.S. Patent 6,181,989] с использованием показаний только пирометров 2. В течение всего полета происходит непрерывное измерение углов крена и тангажа по показаниям пирометров 2, составляющих пирометрическую вертикаль, и ДУС 3, накопление N последних выборок в ОЗУ ЭВМ 4 и сравнение этих показаний:
где 
р и 
р - углы крена и тангажа соответственно, полученные по показаниям пирометров 2, g и g - углы крена и тангажа соответственно, полученные по показаниям ДУС 3, m - константа, определяющая размах допустимых отклонений g и g от p и p, n - порядковый номер измерения.
Выполнение неравенств (1) означает, что показания пирометрической вертикали и независимого от нее ДУС на последнем измерении коррелируются и пирометрическая вертикаль работает корректно. В этом случае g присваивается значение p, а g - значение р и отсчет углового положения по ДУС начинается каждый раз заново от последнего значения, определенного пирометрической вертикалью. Таким образом осуществляется непрерывный контроль верности выдаваемых пирометрической вертикалью углов. Вместе с отсутствием накопления ошибок интегрирования, это обеспечивает повышение надежности и универсальности предлагаемого устройства, по сравнению с известным.
В случае не выполнения неравенств (1), присвоение g=p и g=p не происходит. В случае не выполнения неравенств (1) k раз подряд, условия работы пирометрической вертикали признаются неблагоприятными и задача счисления углов крена и тангажа перекладывается полностью на ДУС, интегрированием показаний которого получают текущие углы g и g относительно последних корректных p и p. Переключение на ДУС также возможно осуществлять принудительно по команде пилота ЛА или оператора БПЛА. Значения параметров N, m и k выбираются индивидуально под используемый ЛА и автопилот.
Наиболее распространенные в настоящее время ДУС имеют собственный уход в пределах 0,33 градуса в минуту (на примере модели ADXRS610 производства кампании Analog Devices Inc.). ЛА самолетной схемы, в зависимости от компоновки, способны сохранять стабилизацию при ошибках углов крена и тангажа от 1 (для несамостабилизирующихся аэродинамических схем) до 5 (для самостабилизирующихся аэродинамических схем) градусов. Таким образом, при накоплении ошибки определения углов крена и тангажа на уровне 0,33 градуса в минуту, ЛА самолетной схемы может продолжать устойчивый полет, используя показания некорректируемого ДУС, в течение времени от 3 до 15 минут, что позволяет не только выйти из неблагоприятной для работы пирометрической вертикали зоны, но и осуществлять кратковременные полеты в ущельях, тоннелях и городских улицах.
Условием возвращения к стабилизации ЛА по показаниям пирометрической вертикали является выполнение неравенств (2) р раз подряд:
где р и р - углы крена и тангажа соответственно, полученные по показаниям пирометров 2, g и g - углы крена и тангажа соответственно, полученные по показаниям ДУС 3, 1 - константа, определяющая размах допустимых отклонений g и g от р и р, n - порядковый номер измерения. Значения параметров 1 и р выбираются индивидуально под используемый ЛА и автопилот.
При возвращении к стабилизации по показаниям пирометрической вертикали происходит сброс g и g, и отсчет углового положения по ДУС, как и прежде, начинается каждый раз заново от последнего корректного значения, определенного пирометрической вертикалью, что делает возможным неоднократное использование режима управления по ДУС без накопления ошибок интегрирования.
Таким образом, совокупность признаков предлагаемого устройства, реализация которых может быть выполнена в соответствии фиг.1, позволяет расширить функциональные возможности пирометрической вертикали в условиях отсутствия видимой линии горизонта или неравномерной тепловой картины путем введения контроля верности вычисляемых по показаниям только пирометров углов крена и тангажа и вычисления углов крена и тангажа только по показаниям датчика угловой скорости ограниченное время, когда углы крена и тангажа по пирометрам признаются не верными.
Пирометрическая вертикаль, содержащая четыре пирометрических датчика (пирометра), размещенных на печатной плате перпендикулярно в одной плоскости, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введен независимый от пирометров двухосевой или трехосевой некорректируемый датчик угловой скорости, оси чувствительности которого расположены параллельно осям симметрии летательного аппарата, а сам датчик угловой скорости расположен в центре масс, с возможностью контроля верности вычисляемых по показаниям только пирометров углов крена и тангажа и с возможностью вычисления углов крена и тангажа только по показаниям датчика угловой скорости ограниченное время, при углах крена и тангажа, признанных по пирометрам неверными.
