Датчик крена и оборотов быстровращающегося управляемого снаряда

Авторы патента:


 

Изобретение относится к области ракетной техники, а именно к гироскопическим приборам, используемым на вращающихся по крену управляемых снарядах и ракетах в качестве гирокоординаторов, которые предназначены для преобразования сигналов управления ракетой из системы координат, связанной с пусковой установкой, в систему координат, связанную с вращающейся по крену ракетой. Датчик крена и оборотов быстровращающегося управляемого снаряда, содержит измеритель параметров снаряда, выполненный в виде двух акселерометров, жестко связанных с объектом так, что их оси чувствительности взаимно ортогональны и перпендикулярны продольной оси быстрого вращения снаряда, и вычислитель параметров снаряда, выполненный в виде микроконтроллера, причем выходы акселерометров подключены к двум информационным входам микроконтроллера. В состав измерителя параметров снаряда дополнительно введены последовательно соединенные измеритель угловой скорости вращения снаряда и интегратор, а также двухосный датчик магнитного поля Земли, причем выходы интегратора и датчика магнитного поля Земли подключены к третьему, четвертому и пятому информационным входам микроконтроллера. Измеритель угловой скорости вращения снаряда содержит две пары одноосных акселерометров, расположенных равноудаленно от центра оси вращения снаряда под углом 90° друг относительно друга, или четыре одноосных микроэлектромеханических датчика угловой скорости, расположенных на боковых торцах основания в виде правильной четырехгранной усеченной пирамиды. Техническим результатом является повышение точности определения текущего угла крена быстровращающегося управляемого снаряда. Фиг. 14.

Изобретение относится к области ракетной техники, а именно к гироскопическим приборам, используемым на вращающихся по крену управляемых снарядах и ракетах, например, в качестве гирокоординаторов, которые предназначены для преобразования сигналов управления ракетой из системы координат, связанной с пусковой установкой, в систему координат, связанную с вращающейся по крену ракетой.

При разработке быстровращающихся управляемых летательных объектов (например, снарядов или ракет) для формирования управляющих команд рулевого привода в опорной системе координат, связанной с вращением объекта, возникает необходимость определения текущего угла крена (или значений синуса и косинуса данного угла). Ранее для решения этой задачи использовались датчики угла крена на механических гироскопах (патент РФ 2184921, МКИ F41G 7/00, 2002 г.) Недостатком таких систем являются большие массогабаритные размеры, техническая сложность прибора и высокая цена.

Известен магнитный датчик скорости вращения по крену, патент США 6556896 BA (заявка US 200242014 от 10.01.02), кл. НКИ 701-3, опубл. 29.04.03 г. Устройство обеспечивает измерение скорости вращения по крену или углового положения по крену для управляемой ракеты и содержит пару магнитных датчиков, которые установлены внутри корпуса ракеты и генерируют аналоговый электрический сигнал, который отображает изменение интенсивности магнитного поля Земли, вследствие наличия ферромагнитного элемента, который расположен внутри поля. Использование в управлении ракетой интенсивности и направления электромагнитного поля Земли, которая сама по себе является величиной весьма нестабильной и зависящей от многих геофизических факторов, приводит к погрешностям в измерении угла крена, а следовательно, и к неточности при наведении ракеты на цель, и может использоваться только для вычисления средней угловой скорости вращения ракеты.

Известен датчик крена и оборотов для быстровращающихся объектов, патент РФ на полезную модель 105429, МКИ G01C 21, 2010 г. Устройство содержит измеритель параметров движения объекта в виде установленных в корпусе объекта акселерометров, связанных с вычислителем параметров объекта, причем измеритель параметров объекта выполнен в виде двух акселерометров, жестко связанных с объектом так, что их оси чувствительности взаимно ортогональны и перпендикулярны оси быстрого вращения объекта, а вычислитель параметров объекта выполнен в виде микроконтроллера, двухканальных усилителей и стабилизатора напряжения, причем выходы акселерометров подключены к входным клеммам микроконтроллера, выходные клеммы которого подключены к входам канальных усилителей, а стабилизатор напряжения подключен соответственно к акселерометрам, микроконтроллеру и канальным усилителям. Данное устройство выбрано в качестве прототипа.

Недостатком известного устройства является то, что не обеспечивается необходимая точность определения угла крена быстровращающегося управляемого снаряда, т.к. угол крена в данном случае определяется с помощью модуляции выходных сигналов линейных акселерометров, ускорением свободного падения в один g, который трудно выделить на фоне управляющих перегрузок, достигающих значения порядка 10g и более.

Задачей, которую решает заявляемая полезная модель, является повышение точности определения текущего угла крена быстровращающегося управляемого снаряда.

Данная задача решается за счет того, что в датчик крена и оборотов быстровращающегося управляемого снаряда, содержащий измеритель параметров снаряда, выполненный в виде двух акселерометров, жестко связанных с объектом так, что их оси чувствительности взаимно ортогональны и перпендикулярны продольной оси быстрого вращения снаряда, и вычислитель параметров снаряда, выполненный в виде микроконтроллера, причем выходы акселерометров подключены к двум информационным входам микроконтроллера, а в состав измерителя параметров снаряда дополнительно введены последовательно соединенные измеритель угловой скорости вращения снаряда и интегратор, а также двухосный датчик магнитного поля Земли, причем выходы интегратора и датчика магнитного поля Земли подключены к третьему, четвертому и пятому информационным входам микроконтроллера.

Измеритель угловой скорости вращения снаряда содержит две пары одноосных акселерометров, расположенных равноудалено от центра оси вращения снаряда под углом 90° друг относительно друга, или содержит четыре одноосных микроэлектромеханических (МЭМС) датчика угловой скорости (ДУС), расположенных на боковых торцах основания в виде правильной четырехгранной усеченной пирамиды.

Сущность полезной модели поясняется графическим материалом: фиг. 1, 2, 3 и 4.

На фиг. 1 представлена общая структурная схема датчика крена и оборотов быстровращающегося управляемого снаряда. На фиг. 2 представлен пример реализации измерителя угловой скорости на четырех одноосных акселерометрах, расположенных равноудалено от центра оси вращения снаряда под углом 90° друг относительно друга. На фиг. 3 и 4 представлен пример реализации измерителя угловой скорости на четырех одноосных МЭМС ДУС-ах, расположенных на боковых торцах основания в виде правильной четырехгранной усеченной пирамиды.

Структурная схема датчика крена и оборотов быстровращающегося управляемого снаряда фиг. 1 содержит:

1 - измеритель параметров движения снаряда;

2 - датчики линейного ускорения (ДЛУ) в виде двух МЭМС акселерометров, жестко связанных с объектом так, что их оси чувствительности взаимно ортогональны и перпендикулярны продольной оси быстрого вращения снаряда;

3 - измеритель угловой скорости вращения снаряда вдоль продольной оси;

4 - интегратор, например цифровой, программно реализуемый микроконтроллером;

5 - двухосный датчик магнитного поля Земли, измерительные оси которого развернуты относительно друг друга на 90° и перпендикулярны продольной оси быстрого вращения снаряда;

6 - вычислитель параметров в виде микроконтроллера, например, 32-разрядный семейства ARM Cortex-M3.

В качестве датчиков ДЛУ и датчиков магнитного поля Земли может использоваться, например, комбинированный МЭМС-датчик типа LSM303DLHC фирмы STMicroelectronics.

Устройство работает следующим образом.

Измеритель угловой скорости 3 измеряет текущую скорость вращения снаряда в полете вдоль продольной оси, значение которой поступает в интегратор 4. Текущий угол крена снаряда m в полете определяется интегрированием значения скорости вращения по формуле:

где m - текущий угол,

н - начальный угол,

- скорость вращения,

t - текущее время

Для определения текущего угла крена m снаряда кроме угловой скорости вращения, определяемой измерителем 3, необходимо знать значение начального угла н. В случае неизвестного угла досыла снаряда в стволе, он определяется решением тригонометрического уравнения составляющих сил тяжести по двум взаимно-перпендикулярным осям X и Y двухосевого МЭМС акселерометра 2 (инклинометра) до выстрела и запоминается во встроенном запоминающем устройстве (ЗУ) микроконтроллера 6 на все время полета снаряда.

Погрешности определения угловой скорости снаряда, обусловленные начальным разбросом «ненулей» датчиков, влиянием линейного управляющего ускорения, температурой и собственными шумами датчиков, приводят к накоплению ошибки вычисления текущего угла на конечном участке полета снаряда. Для компенсации ошибки вычисления текущего угла крена интегратором 4 используются сигналы двухосного датчика 5 магнитного поля Земли. Измерительные оси датчика 5 магнитного поля Земли развернуты относительно друг друга на 90°, поэтому при вращении снаряда, за счет пересечения составляющих вектора магнитного поля Земли, на выходе датчика магнитного поля Земли формируются два электрических сигнала, величина которых равна:

Um1 =Am·sinm

Um2=Am·cosm

где Am - амплитуда вектора магнитного поля Земли;

(m - угол крена снаряда относительно вектора магнитного поля Земли.

Математическая обработка сигналов Um1 и Um2 при сравнении с нулевым уровнем позволяет определить период вращения снаряда с дискретностью ¼ оборота (90°). Данный сигнал используется микроконтроллером 6 для коррекции вычисления текущего угла интегратором 4.

Угловая скорость вращения снаряда, определяемая измерителем 3, может определяться МЭМС датчиками угловой скорости ДУС или акселерометрами ДЛУ.

Вариант реализации измерителя угловой скорости на МЭМС ДЛУ представлен на рисунке фиг. 2, где 7, 8, 9 и 10 - одноосные акселерометры ДЛУ, расположенные равноудаленно от центра оси вращения снаряда под углом 90° друг относительно друга.

Центробежное ускорение, вызванное вращением снаряда и измеряемое датчиками (МЭМС-акселерометрами), расположенными на расстоянии радиуса R от оси вращения снаряда, определяется уравнением;

Aц=2·R

где R - расстояние от продольной оси изделия до чувствительных элементов МЭМС-акселерометров.

Отсюда может быть вычислена угловая скорость вращения =Aц/R, где R - константа.

Однако на управляемом снаряде на датчики МЭМС-акселерометров кроме центробежного ускорения Aц дополнительно будет воздействовать ускорение A упр, вызванное управляющими командами наведения снаряда. Для компенсации влияния управляющего ускорения Aупр на измерение угловой скорости в измерителе угловой скорости, реализованном на МЭМС акселерометрах, использованы две пары МЭМС акселерометров ДЛУ, измерительные оси которых совпадают с управляющими осями Y и Z снаряда. Проекции управляющих ускорений на измерительные оси диаметрально расположенных датчиков 7-8 и 9-10 равны по величине и противоположны по знаку. При суммировании сигналов четырех датчиков МЭМС акселерометров значения управляющих ускорений Aупр по осями Y и Z снаряда взаимно вычитаются и выходное значение сигнала равно учетверенному значению центробежной перегрузки, при этом усредняются ошибки установки и разброса крутизны датчиков.

Расчетное значение уравнения для ДУС с использованием 2-х пар МЭМС-акселерометров имеет вид

=1/4R·/Aц=kд·Aц

где Aц - суммарное значение сигналов четырех МЭМС-акселерометров;

kд - константа, равная 0,5·R.

Для повышения точности расчетного значения угловой скорости , предполагается дополнительная предварительная калибровка измерителя угловой скорости на стенде вращения с занесением калибровочных коэффициентов во встроенное энергонезависимое ЗУ микроконтроллера 5 в процессе производства. Например, для управляемого снаряда, имеющего диапазон вращения от 8 об/с до 25 об/с, с радиусом расстояния МЭМС-датчиков ДЛУ равным R=17,5 мм от центра вращения, значения центробежного ускорения лежат в диапазоне от 4,5 до 44g. Для измерения могут быть использованы МЭМС-датчики ДЛУ гида ADXL278 фирмы «Analog Devices с диапазоном измерения ускорения ±70 g.

Вариант реализации измерителя угловой скорости на четырех одноосных микромеханических ДУС, расположенных на боковых торцах основания в виде правильной четырехгранной усеченной пирамиды, показан на рисунках фиг. 3 и фиг. 4.

Измерение угловой скорости вращения снаряда традиционным способом с помощью микромеханических ДУС, как правило, не представляется возможным, так как современные МЭМС ДУС имеют диапазон измеряемых угловых скоростей не более 1000-1500%, а значение угловой скорости вращения снаряда может достигать 9000% (25 об./с). Для расширения рабочего диапазона измерения скоростей микромеханические ДУС установлены относительно продольной оси ЛА под определенным углом так (Фиг. 3), чтобы МЭМС ДУС измерял проекцию угловой скорости крена X.

Проекции вектора абсолютной угловой скорости микромеханические ДУС 11 и 12 на оси связанной системы координат определяются следующими равенствами (рис. 3):

A=-Y·cos+X·sin; B=Y·cos+X·sin

где A - угловая скорость, измеряемая датчиком 11;

B - угловая скорость, измеряемая датчиком 12;

Y·cos - проекция угловой скорости оси Y;

X·sin - проекция угловой скорости по оси X.

Вычисляя сумму (A+B)=2·X·sin, определяем угловую скорость X=(A+B)2·sin.

Для усреднения ошибки вычисления угловой скорости вращения снаряда, вызванной разбросом параметров датчиков, неточностью угловой установки датчиков, применены две нары МЭМС датчиков угловой скорости, установленных на боковых торцах основания 17 в виде правильной четырехгранной усеченной пирамиды (рис. 4). Расчетное значение угла наклона плоскости боковых торцев определяется зависимостью

=arcsinmd/mx

где md - максимальный рабочий диапазон угловых скоростей датчика ДУС;

mx - максимальный рабочий диапазон угловых скоростей вращения снаряда.

Так, например, при реализации измерителя угловой скорости вращения снаряда от 8 до 25 об/с (mx=9000 °/с) с использованием микромеханических ДУС типа ВХ-3700 фирмы Epson (диапазон md=±1500 °/c) угол был выбран равным 9,5°.

Комплексное использование в датчике крена и оборотов быстровращающегося управляемого снаряда первичных измерительных датчиков, работающих на различных физических принципах, применение оптимальных методов обработки и фильтрации их сигналов, калибровки и температурной компенсации повысило точность определения угла крена и точность наведения снаряда на конечных дальностях.

1. Датчик крена и оборотов быстровращающегося управляемого снаряда, содержащий измеритель параметров снаряда, выполненный в виде двух акселерометров, жестко связанных с объектом так, что их оси чувствительности взаимно ортогональны и перпендикулярны продольной оси быстрого вращения снаряда, и вычислитель параметров снаряда, выполненный в виде микроконтроллера, причем выходы акселерометров подключены к двум информационным входам микроконтроллера, отличающийся тем, что в состав измерителя параметров снаряда дополнительно введены последовательно соединенные измеритель угловой скорости вращения снаряда и интегратор, а также двухосный датчик магнитного поля Земли, причем выходы интегратора и датчика магнитного поля Земли подключены к третьему, четвертому и пятому информационным входам микроконтроллера.

2. Датчик крена и оборотов быстровращающегося управляемого снаряда по п. 1, отличающийся тем, что измеритель угловой скорости вращения снаряда содержит две пары одноосных акселерометров, расположенных равноудаленно от центра оси вращения снаряда под углом 90° относительно друг друга.

3. Датчик крена и оборотов быстровращающегося управляемого снаряда по п. 1, отличающийся тем, что измеритель угловой скорости вращения снаряда содержит четыре одноосных микроэлектромеханических датчика угловой скорости, расположенных на боковых торцах основания в виде правильной четырехгранной усеченной пирамиды.



 

Похожие патенты:
Наверх