Способ определения вертикальной скорости объекта и устройство для его осуществления

 

Использование: в приборостроении для определения вертикальной скорости малоразмерных подвижных объектов, в частности малоразмерных и малоэнерговооруженных летательных аппаратов самолетной схемы. Сущность изобретения: устройство содержит датчик давления 1, дифференциатор 6, датчики линейных ускорений 2-4, ориентированные по главным осям подвижного объекта и жестко закрепленные в районе его центра масс, датчики углов крена и тангажа 5 подвижного объекта, мультиплексор 7, аналогово-цифровой преобразователь 8, сумматор 9, умножитель 10, интегратор 12, оперативное запоминающее устройство 11, функциональный преобразователь 13 и цифроаналоговый преобразователь 14, при этом на входы мультиплексора 7 подключены выходы датчиков линейных ускорений 2-4, выход датчика давления 1, выход дифференциатора 6, на вход которого подключен выход датчика давления 1, выходы датчиков углов крена и тангажа 5, причем выход мультиплексора 7 подключен на вход аналогово-цифрового преобразователя 8, выход которого соединен с портами ввода-вывода сумматора 9, умножителя 10, интегратора 12, оперативного запоминающего устройства 11, функционального преобразователя 13 цифроаналогового преобразователя 14,входы управления которых связаны с выходами блока управления 15. 2 с. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к приборостроению, а конкретно рекомендуется для определения вертикальной скорости малоразмерных подвижных объектов, в частности малоразмерных и малоэнерговооруженных летательных аппаратов самолетной схемы.

Известно устройство для измерения вертикальной скорости летательного аппарата [1] В данном устройстве выходной сигнал образуется как сумма сигнала с инерциального датчика вертикальной скорости и поправки, состоящей из интеграла от разности выходного сигнала и сигнала от вариометрического датчика вертикальной скорости. Для этого выход инерциального датчика вертикальной скорости соединен с первым входом суммирующего блока, а выход вариометрического датчика с первым входом вычитающего блока, выход вычитающего блока соединен через интегратор с вторым входом суммирующего блока, а его выход, соединенный с вторым входом вычитающего блока, является выходным каналом.

Известное устройство позволяет частично компенсировать динамические погрешности измерителя вертикальной скорости за счет введения сигнала по ускорению вдоль вертикальной оси летательного аппарата, служащего входным сигналом для инерциального датчика вертикальной скорости, однако в силу того, что вертикальное ускорение летательного аппарата в земной системе координат не совпадает с его ускорением по вертикальной оси в системе координат, связанной с летательным аппаратом, при полете по криволинейной траектории, например при вираже, будут возникать погрешности измерения вертикальной скорости, которые могут быть весьма значительными. Другим источником погрешности определения вертикальной скорости является зависимость чувствительности вариометрического датчика вертикальной скорости от высоты полета. Вышесказанное позволяет утверждать, что при любых параметрах схемы устройства невозможно получить сигнал, соответствующий вертикальной скорости без амплитудных и фазовых искажений.

Наиболее близким по технической сущности является способ определения вертикальной скорости объекта, реализованный в устройстве для определения вертикальной скорости, содержащее датчик вертикального ускорения, датчик угла крена, вариометрический датчик и вычислительный блок [2] Структура канала известного устройства не позволяет получить сигнал, соответствующий вертикальной скорости без динамических искажений, так как сигнал полного вертикального ускорения заменяется его проекцией на вертикальную ось летательного аппарата, а сигнал, соответствующий барометрической вертикальной скорости, заменяется сигналом с вариометрического датчика, который зависит от высоты полета.

Технический результат изобретения повышение точности измерения.

Это достигается тем, что дополнительно к измерению ускорения по вертикальной оси и угла крена измеряют ускорения по продольной и поперечной осям объекта, угол тангажа, при этом вертикальная скорость определяется по соотношению вида W + W_Б (1) где W_Б K(p) dp/dt, = a_xcsin+a_усcoscos-a_zcsincos-g, причем где W значение вертикальной скорости объекта; вертикальное ускорение объекта; W_Б барометрическая вертикальная скорость; X_c, Y_c, Z_c оси связанной системы координат подвижного объекта; углы крена и тангажа соответственно; a_xc, a_yc, a_zc линейные ускорения вдоль главных осей подвижного объекта;
g ускорение свободного падения;
K₁, K₂, K₃ коэффициенты передачи;
T постоянная интегрирования;
p оператор преобразования Лапласа.

K(p) (dH/dt)(dp/dt), где dH/dt вертикальная скорость подвижного объекта;
dp/dt скорость изменения давления среды.

Для осуществления вышеуказанного способа используется устройство, содержащее датчик давления, дифференциатор, в которое введены датчики линейных ускорений ориентированные по главным осям подвижного объекта и жестко закрепленные в районе его центра масс, датчики углов крена и тангажа подвижного объекта, мультиплексор, аналогово-цифровой преобразователь, сумматор, умножитель, интегратор, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), функциональный преобразователь и цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), при этом на входы мультиплексора подключены выходы датчиков линейных ускорений, выход датчика давления, выход дифференциатора, на вход которого подключен выход датчика давления, выходы датчиков углов крена и тангажа, причем выход мультиплексора подключен на вход аналогово-цифрового преобразователя, выход которого соединен с портами ввода-вывода сумматора, умножителя, интегратора, ОЗУ, функционального преобразователя, цифроаналогового преобразователя, входы управления которых связаны с выходами блока управления.

Выражению (1) соответствует процедура, которая может быть иллюстрирована структурной схемой, представленной на фиг. 1.

На вход масштабного усилителя К1 подается сигнал, соответствующий вертикальному ускорению подвижного объекта. На вход масштабного усилителя К2 подается сигнал, соответствующий барометрической вертикальной скорости. Сигнал с выхода устройства, изображенного на фиг. 1, в операторной форме запишется в виде
W + W_Б
(2)
Преобразовывая (2), получим
W + W_Б
(1) так как имеет место = pW₄, (3) то, выражение (1) преобразуем к виду
W= W₄+ W_Б
(4)
Принимая при рассмотрении работы устройства то, что погрешности определения вертикального ускорения, полученного с датчиков линейного ускорения и вертикальной скорости, полученной путем дифференцирования барометрического давления, малы (т.е. W₄ W_Б W), после преобразования выражения (4) получим
W W₄
(5)
Если, коэффициенты при операторе Лапласа в числителе и знаменателе приравнять, т.е.

(6) то выражение (5) преобразуется к виду
W W₄
(7) В этом случае информация о вертикальной скорости без амплитудных и фазовых погрешностей и запаздывания передается на выход. При этом устраняется дрейф интегратора, обусловленный постоянным и медленно меняющимся смещением нуля в канале измерения вертикального ускорения, и устраняются высокочастотные помехи в канале измерения вертикальной скорости, характерные для барометрического метода, что иллюстрируется выражением (4). Выражение (6) является условием настройки фильтра.

На фиг. 2 изображена структурная схема устройства для измерения вертикальной скорости подвижного объекта. Приняты следующие обозначения: 1 датчик давления; 2, 3, 4 датчики линейных ускорений, ориентированные по главным осям подвижного объекта; 5 устройство измерения углов наклона подвижного объекта; 6 дифференцирующее устройство; 7 мультиплексор; 8 аналого-цифровой преобразователь; 9 сумматор; 10 умножитель; 11 оперативное запоминающее устройство; 12 интегратор; 13 функциональный преобразователь; 14 цифроаналоговый преобразователь; 15 блок управления.

Выходы датчиков 2, 3, 4 и устройства для определения углов крена и тангажа 5 соединены с входами мультиплексора 7, причем выход датчика давления 1 подсоединен также к входу дифференциатора 6, выход которого соединен с входом мультиплексора 7. Выход мультиплексора 7 соединен с входом аналого-цифрового преобразователя 8, выход которого в свою очередь подключается к шине данных, соединяющей порты ввода-вывода сумматора 9, умножителя 10, оперативного запоминающего устройства 11, интегратора 12, функционального преобразователя 13 и цифроаналогового преобразователя 14. Выходы блока управления 15 через шину управления соединены с входами управления перечисленных блоков. Выходной сигнал устройства, пропорциональный вертикальной скорости, снимается с выхода ЦАП.

Устройство работает следующим образом.

С датчиков на входы мультиплексора и дифференциатор будут поступать сигналы, соответствующие режиму движения объекта. Блок управления под воздействием внутреннего тактового генератора осуществляет работу по циклической программе и при этом вырабатывает сигналы управления, которые через шину управления поступают на входы управления функциональных узлов, обеспечивая их работу в следующей последовательности.

В течение первых тактов на вход АЦП через мультиплексор поступает сигнал с датчика давления, соответствующий текущему значению давления P. Этот сигнал преобразуется в цифровой код и поступает на вход функционального преобразователя, где происходит его преобразование в код соответствующий значению коэффициента K(P). В течение следующих тактов на вход АЦП через мультиплексор поступит сигнал с дифференциатора, пропорциональный скорости изменения давления dp/dt, преобразуется в цифровой код и поступает на первый вход умножителя, где запоминается. Затем цифровой код, соответствующий значению коэффициента K(p) с выхода функционального преобразователя поступает на второй вход умножителя, где происходит его перемножение с первым сигналом. На выходе умножителя возникает код, соответствующий произведению K(p) dp/dt, который поступает на вход ОЗУ, где происходит его запоминание.

Далее на вход АЦП через мультиплексор поступает сигнал, соответствующий текущему значению a_xc. Этот сигнал преобразуется в цифровой код и подается на первый вход умножителя, где происходит его запоминание. Затем на вход АЦП через мультиплексор подается сигнал, соответствующий текущему значению и преобразуется в цифровой код. Код, соответствующий значению подается на вход функционального преобразователя, на выходе которого возникает цифровой код, соответствующий значению sin С выхода функционального преобразователя этот код подается на второй вход умножителя, где происходит его перемножение с соответствующим сигналом. Сигнал с выхода умножителя, соответствующий значению a_xcsin подается на первый вход сумматора, где происходит его запоминание.

Далее мультиплексор подключает на вход АЦП сигнал, соответствующий значению a_yc, где он преобразуется в цифровой код и затем подается на первый вход умножителя, где происходит его запоминание. Затем на вход АЦП через мультиплексор подается сигнал, соответствующий текущему значению преобразуется в цифровой код и поступает на вход функционального преобразователя. На выходе функционального преобразователя возникает цифровой код, соответствующий значению cos который затем подается на второй вход умножителя. После перемножения сигналов на первом и втором входах умножителя появляется цифровой код, соответствующий произведению a_yccos который вновь подается на первый вход умножителя, где запоминается. Далее мультиплексор подключает к входу АЦП сигнал, соответствующий значению На выходе АЦП он преобразуется в соответствующий цифровой код, который подается на вход функционального преобразователя. На выходе функционального преобразователя формируется цифровой код, соответствующий значению cos и подается затем на второй вход умножителя. На выходе умножителя появится сигнал, соответствующий произведению a_yc cos cos который затем подается на второй вход сумматора. На сумматор с блока управления подается соответствующая команда и происходит суммирование вышеуказанных слагаемых, в результате чего на выходе сумматора возникает цифровой код, соответствующий значению a_xcsin + a_yccos cos. Этот код вновь поступает на первый вход сумматора, где происходит его запоминание.

Затем через мультиплексор на вход АЦП поступает сигнал, соответствующий текущему значению a_zc и преобразуется в цифровой код, который с выхода АЦП поступает на первый вход умножителя, где запоминается. Далее через мультиплексор на вход АЦП поступает сигнал, соответствующий значению который преобразуется в цифровой код и подается на вход функционального преобразователя. Затем с выхода функционального преобразователя цифровой код, соответствующий значению sin подается на второй вход умножителя. После умножения цифровой код, соответствующий значению, с выхода умножителя вновь поступает на его вход, где запоминается.

Далее на вход АЦП через мультиплексор подается сигнал, соответствующий текущему значению преобразуется в цифровой код и поступает на вход функционального преобразователя. С выхода функционального преобразователя цифровой код, соответствующий значению cos подается на второй вход умножителя и после выполнения операции умножения с выхода умножителя цифровой код, соответствующий значению a_zcsin cos, поступает на второй вход сумматора. По командам с блока управления сумматор переводится в режим вычитания и производит вычитание из первого слагаемого второе. В результате на его выходе появляется цифровой код, соответствующий значению a_xcsin + a_yccos cos a_zcsin cos Затем этот код подается на вход функционального преобразователя, где происходит вычитание из этого кода величины, соответствующей g и умножение разности на величину K₁, таким образом, на выходе формируется код, соответствующий значению (a_xcsin +a_yccos cos a_zcsin cos g)K₁. Далее этот код поступает на первый вход сумматора, где запоминается. Затем по команде с блока управления на выход СЗУ подается цифровой код, соответствующий значению K(p) dp/dt, и поступает на вход функционального преобразователя, где происходит его умножение на величину K₂. Код, соответствующий значению [K(p) dp/dt] R₂, с выхода функционального преобразователя поступает затем на второй вход сумматора. После операции суммирования на выходе сумматора возникает код, соответствующий значению (a_xcsin + a_yccos cos a_zcsin cos
g)K₁+ + K₂K(p)dp/dt, который вновь подается на первый вход сумматора, где происходит его запоминание. Далее с выхода интегратора код, соответствующий значению вертикальной скорости, поступает на вход функционального преобразователя. Там по команде с блока управления умножается на коэффициент K₃ и затем с выхода функционального преобразователя код, соответствующий значению WK₃ подается на второй вход сумматора. Сумматор по командам с блока управления переводится в режим вычитания, производит вычитание второго сигнала из первого и на его выходе возникает цифровой код, соответствующий их разности. Цифровой код с выхода сумматора подается на вход интегратора. С выхода интегратора цифровой код, соответствующий измеряемому значению вертикальной скорости, подается на вход ЦАП и далее после преобразования в аналоговый сигнал на выход устройства. Затем описанный выше цикл повторяется.

Преимуществом предлагаемого способа измерения вертикальной скорости по сравнению с известными решениями является отсутствие динамических погрешностей в выходном сигнале. При этом устраняется дрейф интегратора, обусловленный постоянным и медленно меняющимся смещением нуля в канале измерения вертикального ускорения, и устраняются высокочастотные помехи в канале измерения вертикальной скорости характерные для барометрического метода.

Формула изобретения

1. Способ определения вертикальной скорости объекта по скорости изменения статического давления среды, в которой перемещается объект, ускорению движения объекта по вертикальной оси и углу крена, отличающийся тем, что дополнительно измеряют ускорения по продольной и поперечной осям объекта, угол тангажа объекта, при этом вертикальную скорость определяют по соотношению вида

где W_Б барометрическая вертикальная скорость, W_Б K(P) dP/dt;
W₄ вертикальное ускорение объекта,
,

причем , v углы крена и тангажа соответственно;
a_Xс, a_Yс, a_Zс линейные ускорения вдоль главных осей подвижного объекта;
g ускорение свободного падения;
K₁, K₂, K₃ коэффициенты передачи;
T постоянная интегрирования;
P оператор преобразования Лапласа;
K(P) (dH/dt) (dP/dt), где dH/dt вертикальная скорость подвижного объекта;
dP/dt скорость изменения давления среды.

2. Устройство для определения вертикальной скорости объекта, содержащее датчик линейного ускорения по вертикальной оси объекта, датчик угла крена и вычислительный блок, отличающееся тем, что в него введены датчик давления, дифференциатор, датчики линейных ускорений по продольной и поперечным осям объекта, датчик угла тангенса, а вычислительный блок состоит из мультиплексора, аналого-цифрового преобразователя, сумматора, умножителя, интегратора, оперативного запоминающего устройства, функционального преобразователя, цифроаналогового преобразователя и блока управления, при этом на входы мультиплексора подключены выходы трех акселерометров, жестко закрепленных в районе центра масс объекта, выход датчика давления, выход дифференциатора, на вход которого подключен выход датчика давления, выходы датчиков углов крена и тангажа, причем выход мультиплексора подключен на вход аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с портами ввода-вывода сумматора, умножителя, интегратора, оперативного запоминающего устройства, функционального преобразователя, цифроаналогового преобразователя, входы управления которых связаны с выходами блока управления.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2