Устройство контроля движения космического аппарата

Авторы патента:

G01P15/02 - с использованием сил инерции (G01P 15/14,G01P 15/18 имеют преимущество)

Полезная модель относится к области измерений векторов скорости и ускорения подвижного объекта и может быть использована в системах для контроля движения космических аппаратов и других подвижных объектов, которые перемещаются по траекториям произвольной формы. Техническая задача заключается в создании устройства для контроля движения подвижного объекта простого и надежного в эксплуатации. Устройство контроля подвижного объекта содержит заполненный мелкодисперсной смесью сферический корпус, закрепленный на подвижном объекте и ориентированный в системе координат подвижного объекта, датчики давления, установленные равномерно на внешней поверхности сферического корпуса, блок времени и блок обработки, выход которого соединен посредством канала связи с блоком контроля и управления подвижным объектом, при этом выходы датчиков давления, размещенных на сферическом корпусе, подключены через последовательно соединенные соответствующие аналого-цифровой преобразователь и блок усреднения к соответствующим информационным входам блока обработки, другой информационный вход которого соединен с выходом блока времени, сферический корпус заполнен мелкодисперсной смесью от 90% до 95% его объема. В качестве датчиков давления используют тензометрические датчики. В качестве мелкодисперсной смеси может быть использован, например, песок. Техническим результатом является расширение диапазона траекторий движения и повышение точности измерения за счет использования мелкодисперсной заполняющей смеси, изготовления корпуса устройства в виде сферы и предложенного расположения датчиков по поверхности сферы, обеспечение возможности определения координат и траектории движения центра масс космического аппарата даже если его ориентация изменится относительно самого себя.

Известна инерциальная система управления, в которой контроль движения подвижного объекта осуществляют путем измерения векторов скорости и ускорения с использованием инерциального устройства, выполненного в виде трех пружинных акселерометров, расположенных на осях Декартовой системы координат. Один акселерометр располагают вдоль направления движения (ось X) для регистрации движения. Два других акселерометра располагают перпендикулярно (оси Y, Z) для регистрации отклонения от направления движения. (Жаков А.М., Пигулевский Ф.А. Управление баллистическими ракетами. - М.: Военное издательство Министерства обороны СССР, 1965. стр. 241-243)

Каждый акселерометр включает в себя измеритель в виде груза массой m, прикрепленного к корпусу устройства с помощью пружин. Груз связан с контактом потенциометра, питаемого от источника постоянного тока.

Пружины выполняют функцию демпфера, а также - автоматического регулятора положения измерителя - возвращения груза в исходное положение при исчезновении ускорения.

Однако наличие трех акселерометров влечет необходимость предварительной взаимной или внешней синхронизации и калибровки для того, чтобы они в равной степени одинаково и синхронно реагировали на изменение движения, а также необходимость их точной ориентации по взаимно перпендикулярным осям перед началом движения объекта и сохранении этого положения в процессе движения.

Эти операции требуют достаточно трудоемких высокоточных работ. Кроме того, при движении, сопряженном с перегрузками, взаимно перпендикулярное положение акселерометров трудно сохранить. Известно, что изменение положения акселерометров приводит к искажению вектора скорости и ускорения.

Недостатком известного устройства является также возможность появления резонансного эффекта для каждой из пружин. Каждая пружина является колебательным устройством и имеет собственную частоту колебания. При вибрациях может возникнуть резонанс, который приведет к искажению реакции пружин на внешнее воздействие и, следовательно, к искажению регистрации параметров движения объекта.

Известно устройство контроля подвижного объекта, содержащее заполненный жидкостью корпус, выполненный в виде прямого параллелепипеда и закрепленный одной гранью на подвижном объекте в горизонтальной плоскости, датчики давления, установленные равномерно на внешней поверхности каждой грани корпуса, шесть аналого-цифровых преобразователей, шесть блоков усреднения, блок времени и блок обработки, выходом соединенный посредством канала связи с блоком контроля и управления подвижным объектом, при этом выходы датчиков давления, размещенных на каждой грани корпуса, подключены через последовательно соединенные соответствующие аналого-цифровой преобразователь и блок усреднения к соответствующим информационным входам блока обработки, другой информационный вход которого соединен с выходом блока времени, причем жидкость заполняет корпус не более 85% его объема. В качестве датчиков давления используют тензометрические датчик. (Патент РФ 95851, МПК G01P 15/02, опубл. 10.07.2010 - прототип).

Недостатком известного устройства является ограниченность траекторий движения, обусловленная формой прямого параллелепипеда. Это обусловлено тем, что датчики расположены в трех взаимно перпендикулярных плоскостях, причем горизонтальная плоскость соответствует горизонтальной плоскости поверхности Земли. При резком изменении траектории движения и направление давления на грань между плоскостями точность определения резко снижается. Такая ситуация не имеет место на железнодорожном транспорте, который перемещается по рельсам и слабо изменяет движение в горизонтальной плоскости. При движении космического аппарата, вертолета или реактивного самолета траектория может быть произвольной и фактор потери точности играет существенную роль.

Недостатком известного устройства является также возможность появления резонансного эффекта для граней параллелепипеда. Между параллельными гранями возможно появление резонанса, связанного с расстоянием между гранями (полуволна). Резонанс искажает картину, которую создают датчики. Совокупность трех разных резонансных частот в сложной системе может создавать дополнительные побочные резонансные эффекты, что еще более ухудшит точность определения координат. При этом возможны резонансные эффекты на гармониках частот кратных резонансным частотам.

Недостатком известного устройства является также привязка движения к системе координат объекта. На практике центр масс двигается независимо от ориентации объекта, например условная ось координат Z объекта может быть направлена вверх от поверхности Земли или вниз. Движение центра масс не изменится, а в прототипе любой переворот объекта влияет на определение координат.

Техническая задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, заключается в создании устройства для контроля движения подвижного объекта простого и надежного в эксплуатации.

Поставленная техническая задача, решается тем, что согласно заявляемой полезной модели, устройство контроля подвижного объекта содержит заполненный мелкодисперсной смесью сферический корпус, закрепленный на подвижном объекте и ориентированный в системе координат подвижного объекта, датчики давления, установленные равномерно на внешней поверхности сферического корпуса, блок времени и блок обработки, выход которого соединен посредством канала связи с блоком контроля и управления подвижным объектом, при этом выходы датчиков давления, размещенных на сферическом корпусе, подключены через последовательно соединенные соответствующие аналого-цифровой преобразователь и блок усреднения к соответствующим информационным входам блока обработки, другой информационный вход которого соединен с выходом блока времени, сферический корпус заполнен мелкодисперсной смесью от 90% до 95% его объема

Кроме того, в качестве датчиков давления используют тензометрические датчики.

В качестве мелкодисперсной смеси может быть использован, например, песок.

Техническим результатом является:

- расширение диапазона траекторий движения и повышение точности измерения за счет использования мелкодисперсной заполняющей смеси, изготовления корпуса устройства в виде сферы и предложенного расположения датчиков по поверхности сферы.

- обеспечение возможности определения координат и траектории движения центра масс космического аппарата даже если его ориентация изменится относительно самого себя (например, он перевернется или двигается «боком»).

- исключение побочных резонансных эффектов за счет использования механической конструкции с одной резонансной частотой и подавление гармоник за счет использования мелкодисперсной смеси.

Сущность полезной модели поясняется рисунком, где на фиг. 1 представлен разрез поперечного сечения, используемого в устройстве инерциального датчика.

В качестве блока обработки используют процессор, снабженный программным обеспечением, сконфигурированным с возможностью выполнения следующих функций:

- соотносит каждый датчик с сектором сферы и вектором в пространстве, нормальным поверхности сферы в данном секторе;

- фиксирует значения показаний датчиков давления в состоянии равномерного движения космического аппарата (получают условные «нулевые значения» давления);

- в режиме реального времени фиксирует показания текущих значений датчиков давления в процессе движения космического аппарата;

- сравнивает в автоматическом режиме показания усредненных значений датчиков давления с соответствующими текущими значениями и определяет режимы движения космического аппарата;

- по изменениям давления вычисляет ускорение, скорость космического аппарата и определяет пространственное положение космического аппарата;

- направляет данные о величине ускорения, скорости космического аппарата и его пространственном положении в программно-аппаратное устройство управления движением;

- с учетом времени движения и скорости следования космического аппарата определяет местоположение объекта.

Устройство используют следующим образом.

Первоначально осуществляют калибровку измерение условный «нулей» давления на датчики, заключающуюся в том, что при движении космического аппарата измеряют величину давления на каждый датчик.

В качестве датчиков 1 используют тензометрические датчики. Тензометрический датчик преобразует силы, действующие на стенку корпуса, в изменение электрического сопротивления.

Сигналы с выходов датчиков давления преобразуют с помощью соответствующего аналого-цифрового преобразователя в цифровую форму.

Полученные значения передают в блок обработки, в котором фиксируют их как нулевые уровни начальных значений давлений.

Таким образом, процесс калибровки учитывает начальное распределение давлений на поверхность сферы независимо от ориентации подвижного объекта.

По результатам калибровки получают значения начальных давлений: P0_i i=1, , n, где n - общее число датчиков на сфере. Эти значения запоминают в памяти блока обработки.

Изменение движения подвижного объекта (космического аппарата) характеризуется изменением начальных значений давлений и появлением новых текущих значений давлений на поверхности сферы 1. Изменения давлений фиксируются блоком обработки в режиме реального времени. На основе сравнения текущих и начальных значений получают приращения.

Каждое приращение, отличное от нуля, определяет вектор действия ускорения в данном секторе сферы и величину этого ускорения.

При равномерном движении космического аппарата дисперсная смесь 2 внутри корпуса 1 находится в состоянии равновесия и все приращения значений давления равны 0.

При ускорении космического аппарата на дисперсную смесь 2 действует внешняя сила противоположная направлению движения, которая прижимает смесь к поверхности сферы со стороны противоположной движений и ослабляет давление смеси к поверхности сферы со стороны движения.

При этом интегральное значение силы, действующей на сферу, в режиме реального времени позволяет определить направление движения (вектор) космического аппарата и его ускорение (модуль или скаляр).

При торможении космического аппарата процесс будет обратный.

При повороте подвижного объекта вектор и ускорение будут меняться.

Блок обработки по изменениям давлений в режиме реального времени определяет ускорение, скорость и положение космического аппарата. При развертывании этих значений во времени можно определить траекторию и положение центра масс космического аппарата в пространстве, независимо от ориентации самого космического аппарата, то есть от его уловного положения и от его локальной системы координат.

1. Устройство контроля подвижного объекта, содержащее корпус с наполнителем, датчики давления, аналого-цифровые преобразователи, блоки усреднения, блок времени и блок обработки, выход которого соединен посредством канала связи с блоком контроля и управления подвижным объектом, при этом выходы датчиков давления подключены через последовательно соединенные соответствующие аналого-цифровой преобразователь и блок усреднения к соответствующим информационным входам блока обработки, другой информационный вход которого соединен с выходом блока времени, отличающееся тем, что корпус выполнен сферическим и наполнен мелкодисперсной смесью, датчики давления установлены равномерно на внешней поверхности сферического корпуса,

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что сферический корпус заполнен мелкодисперсной смесью от 90% до 95% его объема.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве датчиков давления используют тензометрические датчики давления.