RU2079143C1

RU2079143C1 - Acceleration vector measuring system

Info

Publication number: RU2079143C1
Application number: RU9595105183A
Authority: RU
Inventors: М.В. Левский
Original assignee: Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им.С.П.Королева
Priority date: 1995-04-10
Filing date: 1995-04-10
Publication date: 1997-05-10
Also published as: RU95105183A

Abstract

FIELD: control systems of missiles and other flight vehicles. SUBSTANCE: acceleration vector measuring system determines the acceleration projections on the body axes of the flight vehicle in its arbitrary point. In the offered system indirect measurements according to indications of more precise instruments - integrating gyros installed on a gyro-stabilized platform are used instead of the traditional measurement by means of accelerometers. Possibility of measurement of acceleration vector in projections of the body axes of the flight vehicle in any point is attained by taking into account of the flight vehicle angular motion with the aid of the angular-rate sensor unit, angular rate processing unit, vector multiplier unit and double vector multiplier unit. Transformation of output signals of the integrating gyros into accelerations in the body coordinate system is provided by the linear velocity processing unit, orientation determining unit and device for conversion of vector projections from the inertial frame to the body axes. The adder produces the system output signals by addition of accelerations caused by translational and rotary motions of the flight vehicle. Selection of the flight vehicle point subject to the check-up on the side of the measuring system is accomplished by setting of specific magnitudes in the setter of the measurement point coordinates. EFFECT: improved design. 7 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться в системах управления ракет и других летательных аппаратов (ЛА) для эффективного контроля режима нагружения конструкции. The invention relates to measuring equipment and can be used in control systems of missiles and other aircraft (LA) for effective control of the loading state of the structure.

В настоящее время для измерения вектора ускорения в заданной системе отсчета используются акселерометры. Существуют пространственные измерители вектора линейного ускорения, представляющие собой сравнительно несложный прибор [1]
Ближайшей по технической сущности является система измерения вектора ускорения, состоящая из блока акселерометров, оси чувствительности которых образуют правую ортогональную систему координат [2] В простейшем случае акселерометры крепят непосредственно на корпусе изделия так, чтобы их оси чувствительности были максимально параллельны осям связанной системы координат. Тогда сигналы, снимаемые с выходов акселерометров, будут пропорциональны соответствующим составляющим вектора ускорения и могут непосредственно использоваться системой управления.Currently, accelerometers are used to measure the acceleration vector in a given reference frame. There are spatial linear acceleration vector meters, which are a relatively simple device [1]
The closest in technical essence is the acceleration vector measurement system, consisting of a block of accelerometers whose sensitivity axes form the right orthogonal coordinate system [2] In the simplest case, the accelerometers are mounted directly on the product’s body so that their sensitivity axes are as parallel as possible to the axes of the associated coordinate system. Then the signals taken from the outputs of the accelerometers will be proportional to the corresponding components of the acceleration vector and can be directly used by the control system.

Основные характеристики системы (погрешность измерения, надежность, помехозащищенность, динамический диапазон измерения, вес, энергопотребление и т. д.) полностью зависят от применяемых в ней акселерометров. The main characteristics of the system (measurement error, reliability, noise immunity, dynamic measurement range, weight, power consumption, etc.) are completely dependent on the accelerometers used in it.

Недостатком известной системы является невозможность определения вектора ускорения в произвольной точке летательного аппарата. Она позволяет определить вектор ускорения только в какой-то одной фиксированной точке. Это связано с тем, что акселерометр измеряет линейное ускорение только для единственной точки места своего крепления к корпусу аппарата. Ускорение какой-либо другой точки ЛА аппарата невозможно измерить тем же акселерометром. В процессе полета часто требуется знание вектора ускорения в нескольких точках ЛА, для чего приходится устанавливать несколько комплектов измерителей для каждой точки измерения необходимо иметь свой блок акселерометров. Кроме того, известная система, основанная на прямых измерениях, в принципе не может обеспечить определение вектора ускорения в точке, координаты которой относительно корпуса ЛА меняются с течением времени полета, например ускорения центра масс ракеты, так как сам центр масс перемещается относительно корпуса ракеты и не совпадает с точкой установки блока акселерометров. A disadvantage of the known system is the inability to determine the acceleration vector at an arbitrary point on the aircraft. It allows you to determine the acceleration vector only at any one fixed point. This is due to the fact that the accelerometer measures linear acceleration only for a single point of its attachment to the apparatus body. The acceleration of any other point on the aircraft cannot be measured with the same accelerometer. During the flight, knowledge of the acceleration vector at several points of the aircraft is often required, for which it is necessary to install several sets of meters for each measurement point, you must have your own unit of accelerometers. In addition, the known system based on direct measurements, in principle, cannot provide the determination of the acceleration vector at a point whose coordinates relative to the aircraft’s body change over time, for example, the acceleration of the center of mass of the rocket, since the center of mass moves relative to the body of the rocket and coincides with the installation point of the accelerometer block.

Техническим результатом изобретения является практическая возможность измерения вектора ускорения произвольной точки летательного аппарата. The technical result of the invention is the practical possibility of measuring the acceleration vector of an arbitrary point on an aircraft.

Указанный технический результат достигается тем, что в систему введены блок гироинтеграторов, устройство определения ориентации, блок датчиков угловой скорости, блок обработки линейных скоростей, блок обработки угловых скоростей, устройство пересчета проекций вектора из инерциальной системы координат в проекции на связанные оси, блок векторного умножения, блок двойного векторного умножения, сумматор и задатчик координат точки измерения, при этом выход блока гироинтеграторов связан с выходом блока обработки линейных скоростей, выход которого связан с векторным входом устройства пересчета проекций вектора из инерциальной системы координат в проекции на связанные оси, выход устройства определения ориентации связан с входом задания углового положения связанных осей относительно инерциальной системы координат устройства пересчета проекций вектора из инерциальной системы координат в проекции на связанные оси, выход блока датчиков угловой скорости связан с информационным входом блока двойного векторного умножения и входом блока обработки угловых скоростей, выход которого связан с информационным входом блока векторного умножения, входы сумматора связаны с выходами устройства пересчета проекций вектора из инерциальной системы координат в проекции на связанные оси, блока векторного умножения и блока двойного векторного умножения, вход задания координат точки измерения связан с параметрическими входами блока векторного умножения и блока двойного векторного умножения. The specified technical result is achieved by the fact that a gyro integrator unit, an orientation determining device, an angular velocity sensor unit, a linear velocity processing unit, an angular velocity processing unit, a device for converting vector projections from an inertial coordinate system into projections onto connected axes, a vector multiplication unit are introduced into the system, a block of double vector multiplication, an adder and a coordinate knob of the measuring point, while the output of the gyro integrator unit is connected to the output of the linear velocity processing unit, output which is connected to the vector input of the device for converting vector projections from the inertial coordinate system to the projection on connected axes, the output of the orientation determination device is connected to the input for setting the angular position of the connected axes relative to the inertial coordinate system of the device for converting vector projections from the inertial coordinate system to the projection on connected axes, output the block of sensors of angular velocity is connected to the information input of the block of double vector multiplication and the input of the block of processing angular velocities, the output to is connected to the information input of the vector multiplication block, the adder inputs are connected to the outputs of the device for converting vector projections from the inertial coordinate system to the projection onto the connected axes, the vector multiplication block and the double vector multiplication block, the input of setting the coordinates of the measurement point is connected with the parametric inputs of the vector multiplication block and block of double vector multiplication.

На фиг. 1 представлена функциональная схема предлагаемой системы; на фиг. 2 схема реализации устройства определения ориентации (УОО); на фиг. 3 - схема реализации блока обработки линейных скоростей (БОЛС); на фиг. 4 схема реализации блока обработки угловых скоростей (БОУС); на фиг. 5 схема реализации устройства пересчета проекций вектора из инерциальной системы координат в проекции на связанные оси (УПВ); на фиг. 6 схема реализации блока векторного умножения (БВУ); на фиг. 7 схема реализации блока двойного векторного умножения (БДВУ). In FIG. 1 shows a functional diagram of the proposed system; in FIG. 2 is an implementation diagram of a device for determining orientation (DOE); in FIG. 3 is a diagram of an implementation of a linear velocity processing unit (BOLS); in FIG. 4 is an implementation diagram of an angular velocity processing unit (BOWS); in FIG. 5 is a diagram of an apparatus for converting projections of a vector from an inertial coordinate system into a projection onto connected axes (UPV); in FIG. 6 is a diagram of an implementation of a vector multiplication block (STB); in FIG. 7 diagram of the implementation of the block of double vector multiplication (BDVU).

Пример реализации предложенной системы представлен на фиг. 2, где 1 - блок гироинтеграторов (БГИ), 2 устройство определения ориентации (УОО), 3 - блок датчиков угловой скорости (БДУС), 4 блок обработки линейных скоростей (БОЛС), 5 блок обработки угловых скоростей (БОУС), 6 устройство пересчета проекций вектора из инерциальной системы координат в проекции на связанные оси (УПВ), 7 блок векторного умножения (БВУ), 8 блок двойного векторного умножения (БДВУ), 9 сумматор и 10 задатчик координат точки измерения, при этом выход блока гироинтеграторов связан с входом блока обработки линейных скоростей, выход устройства определения ориентации связан с входом задания углового положения связанных осей относительно инерциальной системы координат устройства пересчета проекций вектора из инерциальной системы координат в проекции на связанные оси, выход которого связан с информационным входом блока векторного умножения, входы сумматора связаны с выходами устройства пересчета проекций вектора из инерциальной системы координат в проекции на связанные оси, блока векторного умножения и блока двойного векторного умножения, задатчик координат точки измерения связан с параметрическими входами блока векторного умножения и блока двойного векторного умножения. An example implementation of the proposed system is presented in FIG. 2, where 1 is a block of gyro-integrators (BGI), 2 an orientation determining device (UOO), 3 is a block of angular velocity sensors (BDUS), 4 block of processing linear velocities (BOLS), 5 block of processing angular velocities (BOWS), 6 conversion device projections of the vector from the inertial coordinate system to the projection onto the associated axes (UPV), 7 vector multiplication unit (BVI), 8 double vector multiplication unit (BDVU), 9 adder and 10 coordinate unit of the measuring point, while the output of the gyro integrator unit is connected to the input of the unit line speed processing, device output determining the orientation is connected to the input of the job of the angular position of the connected axes relative to the inertial coordinate system of the device for converting vector projections from the inertial coordinate system to the projection onto the connected axes, the output of which is connected to the information input of the vector multiplication block, the inputs of the adder are connected to the outputs of the device for converting vector projections from the inertial system coordinates in the projection onto the connected axes, vector multiplication block and double vector multiplication block, point coordinate gauge tions associated with parametric input unit vector multiplication and vector multiplication block double.

Реализация электронных блоков и элементов предлагаемой системы выполнена на интегральных схемах и стандартных аналоговых модулях. The implementation of the electronic units and elements of the proposed system is performed on integrated circuits and standard analog modules.

БГИ 1 установлен на гиростабилизированной платформе (ГСП) и выдает три составляющие вектора кажущейся скорости в инерциальной системе координат (ИСК), являющиеся главным источником информации для определения вектора ускорения в заданной точки ЛА. В простейшем случае он состоит из трех гироинтеграторов, оси чуствительности которых параллельны трем различным осям ИСК. BGI 1 is installed on a gyro-stabilized platform (GSP) and provides three components of the apparent velocity vector in the inertial coordinate system (ISK), which are the main source of information for determining the acceleration vector at a given point of the aircraft. In the simplest case, it consists of three gyro-integrators whose sensitivity axes are parallel to three different axes of the ISK.

УОО 2 (см. фиг. 2) состоит из ГСП, моделирующей на борту ИСК и определяющей взаимное расположение осей ССК и ИСК, и блока электроэнергии, вычисляющего косинусы по углам отклонения рамок ГСП, соответствующих углам тангажа ϑ, рыскания j и вращения v.
БДУС 3 включает три ДУСа, жестко закрепленных на корпусе ЛА так, чтобы их оси чувствительности были параллельны трем соответствующим осям ССК.DOE 2 (see Fig. 2) consists of a GSP, simulating onboard the ISK and determining the relative position of the axes of the SSK and ISK, and an electric unit that calculates the cosines from the angles of deviation of the frames of the GSP corresponding to the pitch angles ϑ, yaw j, and rotation v.
BDUS 3 includes three TLSs, rigidly fixed to the aircraft body so that their sensitivity axes are parallel to the three corresponding SSK axes.

БОЛС 4 (см. фиг.3) состоит из трех идентичных блоков, каждый из которых производит фильтрацию исходного сигнала от помех и высокочастотных наводок с последующим его дифференцированием. Блок выполнен на однотипных операционных усилителях, входная цепь которых имеет ограничительный резистор (он и играет роль простейшего фильтра высоких частот). Номиналы резисторов и конденсатора выбираются из условия практически чистого дифференцирования входного сигнала и рабочей области частот (постоянная времени T RC ≈ 1) и значительного его подавления в высокочастотной области спектра (

, где f_раб циклическая частота, ограничивающая рабочую область частот справа).BOLS 4 (see Fig. 3) consists of three identical units, each of which filters the source signal from interference and high-frequency interference, followed by its differentiation. The block is made on the same type of operational amplifiers, the input circuit of which has a limiting resistor (it plays the role of the simplest high-pass filter). The values of the resistors and capacitor are selected from the condition of almost pure differentiation of the input signal and the working frequency range (time constant T RC ≈ 1) and its significant suppression in the high-frequency region of the spectrum (

, where f _{slave is the} cyclic frequency limiting the working range of frequencies on the right).

БОУС 5 (см. фиг.4) аналогичен БОЛС 4 с той лишь разницей, что для игнорирования системы сигналов, вызванных упругими колебаниями корпуса ЛА, в цепь обратной связи операционных усилителей параллельно резисторам добавлены шунтирующие конденсаторы С_ос; номинал их выбирается из требования достаточного ослабления вибрационных составляющих входного сигнала (RC_ос ≈ 1/f_упр, где f_упр верхняя циклическая частота спектра движения ЛА как твердого тела, и она меньше, чем частота первого тона упругих колебаний).BOWS 5 (see FIG. 4) is similar to BOLS 4 with the only difference being that shunt capacitors C _{os are} added to the feedback circuit of operational amplifiers in order to ignore the system of signals caused by elastic vibrations of the aircraft hull; their nominal value is selected from the requirement of sufficient attenuation of the vibrational components of the input signal (RC _os ≈ 1 / f _ctn , where _{fcn is the} upper cyclic frequency of the aircraft motion spectrum as a solid, and it is less than the frequency of the first tone of elastic vibrations).

УПВ 6 (см. фиг. 5) производит пересчет одного и того же вектора из одной системы координат (ИСК) в другую систему координат (ССК) и представляет собой схему умножения матрицы на вектор согласно выражениям:
U_вых1= a₁₁U_вх1 + a₁₂U_вх2 + a₁₃U_вх3,
U_вых2 a₂₁U_вх1 + a₂₂U_вх2 + a₂₃U_вх3,
U_вых3= a₃₁U_вх1 + a₃₂U_вх2 + а₃₃U_вх3,
где a_ij элементы матрицы направляющих косинусов А.UPV 6 (see Fig. 5) recalculates the same vector from one coordinate system (SSC) to another coordinate system (SSC) and is a matrix-vector multiplication scheme according to the expressions:
U _out1 = a ₁₁ U _in1 + a ₁₂ U _in2 + a ₁₃ U _in3 ,
U _out2 a ₂₁ U _in1 + a ₂₂ U _in2 + a ₂₃ U _in3 ,
U _out3 = a ₃₁ U _in1 + a ₃₂ U _in2 + a ₃₃ U _in3 ,
where a _{ij are the} elements of the matrix of guiding cosines A.

БВУ 7 (см. фиг.6) осуществляет векторное умножение двух векторов

согласно выражениям:

где

информационные вход блока;

параметрический вход блока.BVU 7 (see Fig.6) performs vector multiplication of two vectors

according to the expressions:

Where

information input block;

block parametric input.

БДВУ 8 (см. фиг.7) представляет собой последовательное соединение двух блоков векторного умножения 11 и 12, у которых информационные входы соединены с информационным входом БДВУ, выход первого из них связан с параметрическим входом второго, а параметрический вход первого блока 11 связан с параметрическим входом БДВУ

. Блоки 11 и 12 полностью аналогичны БВУ, представленного на фиг. 6.The ccTLD 8 (see Fig. 7) is a serial connection of two

vector multiplication blocks

11 and 12, in which the information inputs are connected to the information input of the ccTLD, the output of the first of them is connected to the parametric input of the second, and the parametric input of the first block 11 is connected to the parametric entry of the ccTLD

.

Blocks

11 and 12 are completely similar to the STB shown in FIG. 6.

Сумматор 9 производит суммирование трех векторов, которое производится покомпонентно с помощью элементарных одноканальных сумматоров, выполненных, например, на операционных усилителях. The adder 9 sums three vectors, which is done component-wise using elementary single-channel adders, made, for example, on operational amplifiers.

Задатчик 10 определяет координаты точки измерения вектора ускорения

относительно выбранного полюса и служит для запитки параметрических входов БВУ и БДВУ.The setter 10 determines the coordinates of the measurement point of the acceleration vector

relative to the selected pole and is used to power the parametric inputs of the BWI and BDWU.

В силу того, что основные чувствительные элементы системы - гироинтеграторы расположены на гиростабилизированной платформе, а следовательно находятся в более благоприятных условиях функционирования, чем жестко связанные с корпусом ЛА акселерометры, достигается и дополнительный технический результат повышение надежности системы и достоверности получаемых измерений. Попутно следует отметить, что гироинтеграторы являются более точными измерительными приборами, чем акселерометры, и их использование при определении вектора ускорения обеспечивает высокую точность измерений. Due to the fact that the main sensitive elements of the system - gyro-integrators are located on a gyro-stabilized platform, and therefore are in more favorable operating conditions than accelerometers that are rigidly connected to the aircraft body, an additional technical result is achieved to increase the reliability of the system and the reliability of the measurements obtained. Along the way, it should be noted that gyro-integrators are more accurate measuring instruments than accelerometers, and their use in determining the acceleration vector provides high measurement accuracy.

Система работает следующим образом. The system operates as follows.

В процессе полета ЛА чувствительные элементы гироинтеграторы, установленные на ГСП, производят измерение трех компонент вектора кажущейся скорости в точке их установки. Их показания дифференцируются по времени в БОЛС и пересчитываются в проекции на связанные оси в УПВ, на выходе которого устанавливается значение вектора ускорения в полюсе ЛА

Ускорение, вызванное угловым движением ЛА, формируется БДВУ по сигналам БДУС. Учет влияния углового ускорения ЛА ω на результат измерения производится путем дифференцирования БДУС с последующим его пересчетом БВУ. Суммируя все три слагаемых посредством сумматора на его выходе, получают требуемое значение вектора ускорения в интересующей точке ЛА, координаты которой

установлены в задатчике координат измерения. Изменяя в процессе полета координаты

(путем выбора из запоминающего устройства, смены варианты из конечного списка сечений подлежащих контролю, по заранее заданной программе изменения координат или путем формирования этих величин в системе управления ЛА, либо каким-то другим способом) получают возможность определить значение вектора ускорения в той точки (в том сечении ЛА), в которой он необходим в данный момент времени, не прибегая к дополнительным измерениям, а, значит, и не требуя установки дополнительных измерителей с одновременной прокладкой сети кабелей.During the flight of the aircraft, the sensitive elements of the gyro-integrators installed on the GPS, measure the three components of the apparent velocity vector at the point of their installation. Their readings are differentiated by time in the BOLS and are converted into projections on the connected axes in the control gear, at the output of which the value of the acceleration vector in the aircraft’s pole is set

The acceleration caused by the angular movement of the aircraft is formed by the ccTLD by the signals of the CLCD. The influence of the angular acceleration of the aircraft ω on the measurement result is taken into account by differentiating the BSS with its subsequent recalculation of the BVI. Summing all three terms by means of the adder at its output, we obtain the required value of the acceleration vector at the point of interest on the aircraft, the coordinates of which

set in the coordinate unit of the measurement. Changing the coordinates during the flight

(by choosing from the storage device, changing options from the final list of cross-sections to be controlled, according to a predetermined program for changing coordinates, or by generating these values in the aircraft control system, or in some other way) it becomes possible to determine the value of the acceleration vector at that point (in that section of the aircraft), in which it is needed at a given moment in time, without resorting to additional measurements, and, therefore, without requiring the installation of additional meters with the simultaneous laying of a network of cables.

Эффективность предлагаемой системы определяется прежде всего тем, что она позволяет проводить определение ускорений в любых сечениях изделия, а не только в выбранных, где размещаются акселерометры. Кроме того, определенные таким образом ускорения в значительно меньшей степени искажены соответствующими от движений корпуса изделия, как упругого тела, и от местных деформаций, что также является благоприятным обстоятельством. The effectiveness of the proposed system is determined primarily by the fact that it allows the determination of accelerations in any sections of the product, and not only in selected ones, where accelerometers are located. In addition, the accelerations thus determined are to a much lesser extent distorted by the corresponding movements of the product body as an elastic body and local deformations, which is also a favorable circumstance.

Claims

The system of measuring the acceleration vector, characterized in that it contains a block of gyro integrators, a device for determining orientation, a block of sensors for angular velocity, a block for processing linear velocities, a block for processing angular velocities, a device for converting projections of a vector from an inertial coordinate system into a projection onto connected axes, a vector block multiplication, a block of double vector multiplication, an adder and a coordinate knob of the measuring point, while the output of the gyro integrator unit is connected to the input of the linear velocity processing unit, output which is connected to the vector input of the device for converting vector projections from the inertial coordinate system to the projection on connected axes, the output of the orientation determination device is connected to the input for setting the angular position of the connected axes relative to the inertial coordinate system of the device for converting vector projections from the inertial coordinate system to the projection on connected axes, output the block of sensors of angular velocity is connected to the information input of the block of double vector multiplication and the input of the block of processing angular velocities, the output to connected to the information input of the vector multiplication block, the adder inputs are connected to the outputs of the device for converting vector projections from the inertial coordinate system to the projection onto the connected axes, the vector multiplication block and the double vector multiplication block, the coordinate of the measurement point coordinate is connected with the parametric inputs of the vector multiplication block and block double vector multiplication.