Бесплатформенная инерциальная гировертикаль

Авторы патента:

G01C21 - Навигация; навигационные приборы, не отнесенные к предыдущим группам (измерение расстояния, пройденного наземным транспортным средством, G01C 22/00; измерение линейной и угловой скорости или ускорения G01P; управление курсом, высотой или положением транспортных средств G05D 1/00; системы управления движением транспорта G08G)

Полезная модель относится к системам ориентации и навигации подвижных объектов различного типа, в частности к бесплатфрменным инерциальным гировертикалям (БИТВ), в которых используется измерительная информация, получаемая с датчиков угловых скоростей и с блока акселерометров. БИТВ предназначены для определения угловой ориентации объекта относительно местной вертикали. Бесплатформенная инерциальная гировертикаль содержит трехканальный блок датчиков угловых скоростей, трехканальный блок линейных акселерометров, блок вычисления наблюдаемой вертикали, дискретный фильтр Винера с двумя входами, блок вычисления угловых скоростей с двумя входами, блок переключения режима с четырьмя входами и блок вычисления третьей проекции линейного ускорения, причем выход трехканального блока датчиков угловых скоростей соединен с первым входом дискретного фильтра Винера и первым входом блока вычисления угловых скоростей, выход трехканального блока линейных акселерометров соединен с первым входом блока переключения режима и входом блока вычисления третьей проекции линейного ускорения, выход блока вычисления третьей проекции линейного ускорения соединен со вторым входом блока переключения режима, выход блока переключения режима соединен со вторым входом дискретного фильтра Винера, выход дискретного фильтра Винера соединен с входом блока вычисления наблюдаемой вертикали, четвертым входом блока переключения режима и вторым входом блока вычисления угловых скоростей, выход блока вычисления угловых скоростей соединен с третьим входом блока переключения режима. Введением блока вычисления третьей проекции линейного ускорения, блока переключения режима с четырьмя входами и блока вычисления угловых скоростей с двумя входами достигается повышение точности бесплатформенной инерциальной гировертикали при длительном режиме работы в условиях многократного маневрирования подвижного объекта, а также корректировка показаний трехканального блока линейных акселерометров без применения сложных передаточных функций, приводящих к запаздыванию контура коррекции при их реализации в дискретной системе. 1 н.п.ф., 1 илл.

Известна бесплатформенная инерциальная гировертикаль [Патент РФ 96235. «Бесплатформенная инерциальная гировертикаль» / Ю.В. Иванов, А.П. Шведов, В.Я. Распопов]. Устройство содержит трехканальный блок датчиков угловых скоростей, трехканальный блок линейных акселерометров, блок вычисления наблюдаемой вертикали и дискретный фильтр Винера с двумя входами.

Недостатком известной бесплатформенной инерциальной гировертикали является то, при наличии постоянных или медленноменяющихся линейных ускорений объекта происходит увеличение погрешности системы по углам тангажа и крена по апериодическому закону, обусловленное не совпадением линий истинной и кажущейся вертикали. Таким образом, известная бесплатформенная инерциальная гировертикаль обладает большими погрешностями в определении углов тангажа и крена при длительном воздействии линейных ускорений в процессе маневрирования объекта (разгон, торможение или разворот).

Наиболее близким аналогом является бесплатформенная инерциальная гировертикаль [Патент РФ 119097 «Бесплатформенная инерциальная гировертикаль» / В.Я. Распопов, М.Н. Машнин, А.П. Шведов, Ю.В. Иванов]. Устройство содержит трехканальный блок датчиков угловых скоростей, трехканальный блок линейных акселерометров, блок вычисления наблюдаемой вертикали, дискретный фильтр Винера, блок коррекции постоянных или медленно меняющихся линейных ускорений, причем выход трехканального блока датчиков угловых скоростей соединен с первым входом дискретного фильтра Винера, выход трехканального блока линейных акселерометров соединен со вторым входом дискретного фильтра Винера, выход дискретного фильтра Винера соединен с входом блока вычисления наблюдаемой вертикали.

Недостатком известной бесплатформенной инерциальной гировертйкали является то, что блок коррекции постоянных или медленно меняющихся линейных ускорений формирует значения поправок _x, _y, _z путем преобразования разносного сигнала с выхода сумматора передаточными функциями третьего порядка, которые, при их реализации в дискретной системе, вносят запаздывание как минимум на 3 такта работы системы, что в свою очередь приводит к запаздыванию коррекции формируемых дискретным фильтром Винера проекций g_x, g_y, g_z и лишь частично компенсируют погрешности по углам тангажа и крена при возникновении постоянных или медленно меняющихся линейных ускорений. Также к частичной компенсации погрешности от постоянных или медленно меняющихся линейных ускорений приводит то, что коэффициенты передаточных функций B_i, C_i, D_i вычисляются с погрешностью, так как при их вычислении используются сигналы, формируемые трехканальным блоком датчиков угловых скоростей. При этом, когда линейные ускорения отсутствую, частично некомпенсированная погрешность будет восприниматься блоком коррекции постоянных или медленно меняющихся ускорений, как наличие ускорения объекта и корректироваться дискретным фильтром Винера не будет. То есть в разных режимах движения объекта (прямолинейный полет или маневрирование) режим работы известной бесплатформенной инерциальной гировертикали остается неизменным. Таким образом, в случае многократного маневрирования при длительном режиме работы БИГВ может возникать эффект накопления погрешности по углам тангажа и крена.

Технической задачей предлагаемого устройства является повышение точности БИГВ при длительном режиме работы в условиях многократного маневрирования подвижного объекта за счет применения структуры позволяющей идентифицировать режимы движения объекта и изменять режимы работы БИГВ, а также корректировки показаний акселерометров без применения сложных передаточных функций, приводящих к запаздыванию контура коррекции при их реализации в дискретной системе.

Поставленная техническая задача решена тем, что в бесплатформенной инерциальной гировертикали, содержащей трехканальный блок датчиков угловых скоростей, выход которого соединен с первым входом дискретного фильтра Винера, трехканальный блок линейных акселерометров, блок вычисления наблюдаемой вертикали и дискретный фильтр Винера, выход которого соединен с входом блока вычисления наблюдаемой вертикали дополнительно введены блок вычисления третьей проекции линейного ускорения, блок переключения режима с четырьмя входами и блок вычисления угловых скоростей, причем выход трехканального блока датчиков угловых скоростей соединен с первым входом блока вычисления угловых скоростей, выход трехканального блока линейных акселерометров соединен с первым входом блока переключения режима и входом блока вычисления третьей проекции линейного ускорения, выход блока вычисления третьей проекции линейного ускорения соединен с вторым входом блока переключения режима, выход блока переключения режима соединен со вторым входом дискретного фильтра Винера, выход дискретного фильтра Винера соединен с четвертым входом блока переключения режима и вторым входом блока вычисления угловых скоростей, выход блока вычисления угловых скоростей соединен с третьим входом блока переключения режима.

Бесплатформенная инерциальная гировертикаль содержит трехканальный блок датчиков угловых скоростей, трехканальный блок линейных акселерометров, блок вычисления наблюдаемой вертикали и дискретный фильтр Винера с двумя входами, блок вычисления угловых скоростей с двумя входами, блок переключения режима с четырьмя входами и блок вычисления третьей проекции линейного ускорения, причем выход трехканального блока датчиков угловых скоростей соединен с первым входом дискретного фильтра Винера и первым входом блока вычисления угловых скоростей, выход трехканального блока линейных акселерометров соединен с первым входом блока переключения режима и входом блока вычисления третьей проекции линейного ускорения, выход блока вычисления третьей проекции линейного ускорения соединен с вторым входом блока переключения режима, выход блока переключения режима соединен с вторым входом дискретного фильтра Винера, выход дискретного фильтра Винера соединен с входом блока вычисления наблюдаемой вертикали, четвертым входом блока переключения режима и вторым входом блока вычисления угловых скоростей, выход блока вычисления угловых скоростей соединен с третьим входом блока переключения режима.

Полезная модель поясняется рисунком на фиг. 1.

Бесплатформенная инерциальная гировертикаль содержит трехканальный блок датчиков угловых скоростей 1, трехканальный блок линейных акселерометров 2, дискретный фильтр Винера 3 с двумя входами и блок вычисления наблюдаемой вертикали 4, блок вычисления угловых скоростей 5 с двумя входами, блок переключения режима 6 с четырьмя входами и блок вычисления третьей проекции линейного ускорения 7, причем выход трехканального блока датчиков угловых скоростей 1 соединен с первым входом дискретного фильтра Винера 3 и первым входом блока вычисления угловых скоростей 5, выход трехканального блока линейных акселерометров 2 соединен с первым входом блока переключения режима 6 и входом блока вычисления третьей проекции линейного ускорения 7, выход блока вычисления третьей проекции линейного ускорения 7 соединен со вторым входом блока переключения режима 6, выход блока переключения режима 6 соединен с вторым входом дискретного фильтра Винера 3, выход дискретного фильтра Винера 3 соединен с входом блока вычисления наблюдаемой вертикали 4, четвертым входом блока переключения режима 6 и вторым входом блока вычисления угловых скоростей 5, выход блока вычисления угловых скоростей 5 соединен с третьим входом блока переключения режима 6.

Заявленное устройство работает следующим образом.

Трехканальный блок линейных акселерометров 2 вырабатывает наблюдаемые ускорения n_z, n_y, n_z, содержащие как проекции ускорения свободного падения Земли, так и ускорения, обусловленные движением объекта, которые поступают на второй вход дискретного фильтра Винера 3. В зависимости от режима движения объекта: прямолинейное равномерное движение, разгон, торможение, разворот по углу тангажа или разворот по углу курса, - один, два или три канала трехканального блока линейных акселерометров 2 соответствуют проекциям вектора силы тяжести Земли g_x, g_y, g_z :

1. При прямолинейном равномерном движении линейные ускорения объекта отсутствуют и все три измерения n_x , n_y, n_z трехканального блока линейных акселерометров 2 соответствуют проекциям вектора ускорения силы тяжести Земли g_x, g_y, g_z;

2. При разгоне или торможении объекта линейное ускорение присутствует преимущественно вдоль продольной оси объекта X и только две проекции n_y, n_z, вырабатываемые трехканальным блоком линейных акселерометров 2, соответствуют проекциям вектора ускорения силы тяжести Земли g_y, g_z;

3. При развороте по углу курса линейное ускорение присутствует по двум поперечным осям Y и Z, при этом только проекция n_x, вырабатываемая трехканальным блоком линейных акселерометров 2, соответствует проекции вектора ускорения силы тяжести Земли g_x. Если при этом происходит разгон или торможение объекта, то ни одно из измерений трехканального блока линейных акселерометров 2 не соответствует вектору ускорения силы тяжести Земли;

4. При развороте по углу тангажа линейное ускорение присутствует преимущественно вдоль поперечной оси объекта Y и только две проекции n_x, n_z , вырабатываемые трехканальным блоком линейных акселерометров 2, соответствуют проекциям вектора ускорения силы тяжести Земли g_x, g_z.

Так как модуль вектора силы тяжести Земли g постоянен как в географической системе координат, так и в системе координат XYZ, связанной с объектом, при отсутствии измерения одной из проекции вектора силы тяжести Земли оно может быть вычислено по двум другим. Следовательно, для режимов разгона, торможения и разворота по углу тангажа недостающие проекции g_x в первом и втором случае и g_y в третьем - могут быть вычислены по выражениям:

;

Вычисления недостающих проекций вектора ускорения силы тяжести Земли для режимов движения объекта 2 и 4 выполняются в блоке вычисления третьей проекций 7, которые поступают для дальнейшей обработки в блок переключения режима 6.

В задачу блока переключения режима 6 входит идентификация режима движения объекта и, в зависимости от режима движения, формирование скорректированных показаний трехканального блока линейных акселерометров 2. Идентификация режима движения объекта осуществляется по значениям показаний трехканального блока линейных акселерометров 2, проекциям вектора силы тяжести Земли, сформированными дискретным фильтром Винера 3 на предыдущем такте работы БИТВ и угловым скоростям курса и тангажа, формируемым блоком вычисления угловых скоростей 5.

Проекции вектора силы тяжести Земли формируются дискретным фильтром Винера 2 на основании рекуррентных соотношений:

где - вектор ускорения силы тяжести Земли, вычисленный дискретным фильтром Винера 2 на предыдущем шаге работы БИТВ;

- прогноз вектора силы тяжести Земли;

- шаг дискретизации БИТВ;

- вектор угловой скорости вращения объекта на i-ом шаге работы БИГВ, формируемый трехканальным блоком датчиков угловых скоростей 1;

K - коэффициент передачи дискретного фильтра Винера 3;

- скорректированный вектор кажущихся ускорений, формируемый блоком переключения режима 6.

По сформированным дискретным фильтром Винера 3 проекциям вектора ускорения силы тяжести Земли вычисляются углы тангажа и крена объекта в блоке вычисления наблюдаемой вертикали 4.

Угловые скорости курса и тангажа формируются блоком вычисления угловых скоростей 5 в соответствии с выражениями:

Блок выбора режима 6 работает по следующему алгоритму:

1. В случае если разностный сигнал между показанием трехканального блока линейных акселерометров 2 n_x и прогнозом дискретного фильтра Винера 3 g_x,i/i-1 превышает некоторое пороговое значение, то идентифицируется режим разгона или торможения объекта. Если угловые скорости курса и тангажа не превышает некоторые пороговые значения, показание трехканального блока линейных акселерометров 2 n_x заменяется недостающей проекцией n_xн, вычисленной блоком вычисления третьей проекций 7. В противном случае проекция пх заменяется проекцией g_x,i/i-1.

2. В случае если угловая скорость тангажа , вычисленная блоком вычисления угловых скоростей 5, превышает некоторое пороговое значение, то идентифицируется режим разворота по углу тангажа. Если разностный сигнал между показанием трехканального блока линейных акселерометров 2 n_x и прогнозом дискретного фильтра Винера 3 g_x,i/i-1 не превышает некоторое пороговое значение, показание трехканального блока линейных акселерометров 2 n_y заменяется недостающей проекцией n_yн , вычисленной блоком вычисления третьей проекции 7. В противном случае проекция n_y заменяется проекцией g_y,i/i-1 , поступающей с выхода дискретного фильтра Винера 3.

3. В случае если угловая скорость курса , вычисленная блоком вычисления угловых скоростей 5, превышает некоторое пороговое значение, показания трехканального блока линейных акселерометров 2 n_z и n_y заменяются проекциями вектора ускорения силы тяжести Земли g_yi-1 и g_zi-1, вычисленными дискретным фильтром Винера 3 на предыдущем шаге работы системы.

4. Новые сформированные значения показаний акселерометров n_xк , n_yк, n_zк формируются на выходе блока переключения режима 6.

Следовательно, в случае идентификации режимов маневрирования объекта: разгон, торможение, разворот по углу курса и разворот по углу тангажа, - происходит коррекция показаний трехканального блока линейных акселерометров 2, при этом коррекция происходит без запаздывания, в отличие от известной бесплатформенной инерциальной гировертикали. По завершению маневра объекта, показания трехканального блока линейных акселерометров 2 в блоке переключения режима 6 не изменяются и БИГВ работает в нормальном режиме. Следовательно, по завершению маневра, предлагаемая бесплатформенная инерциальная гировертикаль, в отличие от известной бесплатформенной инерциальной гировертикали, в нормальном режиме устраняет погрешности по углам тангажа и крена связанные с недокомпенсацией ускорений объекта при маневрировании и эффекта накопления погрешности при длительной работе не наблюдается.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет повысить точность беспалтформенной инерциальной гировертикали при длительном режиме работы в условиях многократного маневрирования подвижного объекта, а также скорректировать показания: трехканального блока линейных акселерометров без применения сложных передаточных функций, приводящих к запаздыванию контура коррекции при их реализации в дискретной системе.

Бесплатформенная инерциальная гировертикаль, содержащая трехканальный блок датчиков угловых скоростей, выход которого соединен с первым входом дискретного фильтра Винера, трехканальный блок линейных акселерометров, блок вычисления наблюдаемой вертикали и дискретный фильтр Винера, выход которого соединен с входом блока вычисления наблюдаемой вертикали, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введены блок вычисления третьей проекции линейного ускорения, вход которого соединен с выходом трехканального блока линейных акселерометров, а выход соединен со вторым входом блока переключения режима, блок переключения режима, первый вход которого соединен с выходом трехканального блока линейных акселерометров, четвертый вход соединен с выходом дискретного фильтра Винера, а выход соединен со вторым входом дискретного фильтра Винера, и блок вычисления угловых скоростей, первый вход которого соединен с выходом трехканального блока датчиков угловых скоростей, второй вход с выходом дискретного фильтра Винера, а выход с третьим входом блока переключения режима.