CC BY
51
Прохорцов Алексей Вячеславович, канд. техн. наук, доц, proxav@rambler. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Смирнов Владимир Александрович, канд. техн. наук, доц, proxav@rambler. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
MATHEMATICAL MODEL OF RECEIVING EQUIPMENT, SATELLITE NAVIGATION SYSTEM, WHICH IS PART OF A TIGHTLY-INTEGRATED SYSTEM ORIENTATION AND
NAVIGATION
V.V. Savelyev, M.B. Bogdanov, A.V. Prohortsov, V.A. Smirnov
The analytical dependence of the output signals of the SNA devices that can be used for modeling the inertial-satellite navigation systems based on a tightly-circuit complexes funding.
Key words: receiving equipment, inertial-satellite navigation system, aggregation.
Saveliev Valery Viktorovich, doctore of technical science, professor, head of depar-tament, _proxav@r ambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Bogdanov Maxim Borisovich, candidate of technical science, docent, bmb 75@ rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Prohortsov Alexey Vjacheslavovich, candidate of technical science, docent, prox-av@rambler.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Smirnov Vladimir Alexandrovich, candidate of technical science, docent, prox-av@rambler.ru, Russian Tula, Tula State University
УДК 531.383
СИСТЕМА КОРРЕКЦИИ ДВУХОСНОГО ГИРОСТАБИЛИЗАТОРА
В.В. Кулешов
Работа посвящена разработке системы коррекции двухосного гиростабили-затора. Получены аналитические зависимости, позволяющие определить уходы гиро-стабилизатора. Предложена схема практической реализации системы коррекции, содержащей два канала с перекрестными связями.
Ключевые слова: система коррекции, гиростабилизатор, перекрестные связи, двоичный умножитель, датчик моментов, электронный ключ, период Шуллера.
Известна система коррекции двухосного гиростабилизатора, содержащая два идентичных канала. В каждом независимом канале последовательно соединены акселерометр, апериодическое звено первого порядка, изодромное звено и датчик моментов гироскопа [1].
Недостатком такой системы коррекции является то, что не учитывается динамика движения основания (маневр объекта). Значительный фазовый сдвиг гиростабилизатора, на частоте возмущения, приводит к снижению точности стабилизации.
В работе [2] приводится система коррекции, содержащая два идентичных канала, включающая в каждом: акселерометр, апериодическое звено, изодромное устройство, датчик моментов гироскопа, интегратор, фильтр верхних частот, усилитель обратной связи, вычитатель, второе апериодическое звено, измеритель спектра, управляющее устройство. Недостатком подобной системы коррекции является то, что ее практическая реализация строится в предположении симметрии колебания объекта относительно вертикали (что в реальных условиях движения объекта практически невозможно), не учитываются условия разгона, торможения, циркуляции и неравномерности движения объекта. В пределах 1% неравномерности движения основания возникают ошибки гиростабилизатора и отклонение его за допустимые нормы. Кроме того,
невозможно обеспечить независимость одного канала от другого при маневре объекта, что в свою очередь приведет к снижению точности стабилизации [3,4].
При разработке высокоточной системы коррекции гиростабилиза-торов основным моментом является обеспечение работоспособности системы коррекции при наличии реальных возмущений и возможность интегрирования сигналов в подвижной системе координат [6].
Целью данной работы является разработка системы коррекции двухосного гиростабилизатора.
Это достигается за счет введения в систему коррекции, содержащей акселерометр в каждом канале и датчик моментов, двух прямых каналов от цифровых устройств измерения ускорений к датчикам моментов и двух перекрестных связей между каналами (рис. 1).
Рис.1 Функциональная схема системы коррекции двухосного
гиростабилизатора
В функциональной схеме (рис. 1) использованы следующие обозначения: 1, 12 - цифровой акселерометр [5]; 2, 7, 8, 9, 11, 13 - двоичный умножитель; 3 - генератор вспомогательной частоты; 4, 14 - реверсивный двоичный счетчик; 5, 15 - электронный ключ; 6, 18 - датчик моментов; 10 -цифровой датчик угловой скорости; 16 - схема управления электронными ключами; 17 - генератор тока.
Работа системы коррекции двухосного гиростабилизатора осуществляется следующим образом [6].
При маневре объекта первое цифровое устройство для измерения ускорений - 1 выдает информацию в виде цифрового двоичного кода, который поступает на вход первого двоичного умножителя - 2. Двоичный умножитель - 2 выдает на выходе импульсы, число которых пропорционально двоичному коду с устройства - 1. Если выход с устройства - 1 принять за X (X - ускорение объекта вдоль продольной оси), то на выходе
первого двоичного умножителя - 2 имеем сигнал равный X -И2п (1-частота генератора вспомогательной частоты - 3, п-разрядность первого двоичного умножителя - 2). Для разделения во времени поступления сигналов с двоичных умножителей прямых каналов - 2, 13 и перекрестных связей -7, 8, 9, 11 генератор вспомогательной частоты - 3 вырабатывает две серии тактирующих импульсов, которые поступают на входы синхронизации двоичных умножителей - 2, 13. Выходной сигнал с первого двоичного умножителя - 2 поступает на один из входов первого реверсивного двоичного счетчика - 4, который осуществляет подсчет импульсов с двоичного умножителя - 2 ( т.е. интегрирование). Выходной сигнал с первого реверсивного двоичного счетчика - 4 поступает на вход первого электронного ключа - 5, управление которым осуществляется схемой управления ключами - 16 на тактовой частоте генератора вспомогательной частоты - 3. Схема управления ключами - 16 формирует пилообразный цифровой опрашиваемый сиг-
/-)П—1
нал в диапазоне 2 и его схема реализована на основе реверсивного двоичного счетчика, переключение которого с режима суммирования на режим вычитания осуществляется путем дешифрации 2-х крайних состояний (коды 01111...11 и 1000...01) с помощью двух п-разрядных схем "И", выходы которых переключаются Я^-триггером. Сигнал с генератора-3 опрашивает с помощью 2-х схем "И" прямой и инверсный выход Я8-триггера и подает "0" на суммирующий и "1" на вычитающий входы реверсивного двоичного счетчика. В режиме суммирования при достижении значения кода 0111..1 Я8- триггер переключается в состояние "1" и реверсивный счетчик начинает работать в режиме вычитания. При достижении счетчиком значения 1000.01 Я8-триггер устанавливается в состояние "0" и переводит реверсивный счетчик в режим суммирования. Выходом схемы - 16 является текущий цифровой параллельный код с реверсивного счетчика со всех разрядов, включая знаковый. Амплитуда тока, поступающая на токо-
вую обмотку первого датчика моментов - 6 гиростабилизатора поддерживается неизменной с помощью генератора тока - 17. Аналогичным образом работает второй прямой канал, при действии поперечного ускорения Y, состоящий из генератора - 3, второго цифрового устройства для измерения ускорений - 12, второго двоичного умножителя - 13, второго реверсивного двоичного счетчика - 14, второго электронного ключа - 15 и второго датчика моментов - 18. Электронные ключи 5 и 15 осуществляют сравнение цифровой информации с выходов 4 и 14 с информацией с 16 и сравнение осуществляется путем параллельного двоичного сложения. Реализация сложения происходит на комбинационном сумматоре всех п-разрядов реверсивного двоичного счетчика , включая знаковый. При коде "0" знакового разряда электронные ключи 5 и 15 выдают на датчики моментов 6 и 18 ток с генератора -17 положительной полярности и при коде "1" отрицательной полярности. При отсутствии сигнала с цифрового устройства для измерения угловой скорости - 10 на входы первого и второго датчика моментов - 6, 18 будут поданы сигналы пропорциональные интегралу выходных сигналов с устройств - 1 и 12. При наличии угловой скорости движения объекта (измерение угловой скорости осуществляется устройством -10) и для реализации предлагаемой системы коррекции необходимо на входы первого -4 и второго - 14 реверсивных двоичных счетчиков подать
„ йа
сигналы пропорциональные X--на вход второго реверсивного двоичного счетчика - 14 и на вход первого реверсивного двоичного счетчика - 4. Для реализации произведения X ■ ^^ и У ■ ^^, в систему коррекции введены перекрестные связи с выхода - 4 на вход -14, через третий - 7 и четвертый - 8 двоичные умножители, и с выхода - 14 на вход - 4, через шестой - 11 и пятый - 9 двоичные умножители. Управление двоичными умножителями -8 и 9 осуществляется цифровым устройством для измерения угловой скорости - 10. Предлагаемая система коррекции позволяет подавать на входы датчиков моментов - 6 и 18 интегралы входных сигналов X и Y в подвижной системе координат.
Работу системы коррекции двухосного гиростабилизатора можно пояснить математически. Пусть имеется неподвижная система координат ХОУ и система координат ХрУ^ связанная с объектом. Прямоугольные
системы координат повернуты относительно друг друга на угол а так, что в любой момент времени осуществляется связь
У = У1 ■ соБ(а) + Х1 ■ Бт(а), X = X1 ■ соБ(а) + У1 ■ Бт(а). (1)
В неподвижной системе координат XOУ система коррекции реализует зависимость
У = I У 2 Шг , X = |X2 Ш, (2)
где Х2 и У2 входные сигналы с устройств 1 и 12. Преобразуем выражения (2) к виду
У' = У2 и X' = X2, (3)
где X и У - величины скоростей движения объекта. Продифференцируем выражение (1), и учитывая, что X2 и У2 входные сигналы с устройств 1 и
12 в подвижной и неподвижной системе координат связаны соотношениями (1), после подстановки в (3) получим:
У2 = У1 • соБ(а) - X1 ■ Бт(а), X2 = X1 ■ соБ(а) + У1 ■ Бт(а). (4)
После ряда преобразований (4) получим:
У, = < (У 2 - X, ■ ЖО-) Л ,
X, = I (X 2 - у, ■ ^ Лг . (5)
Полученные выражения (5) реализуется в предлагаемой системе коррекции и из выражения (5) следует, что для ее реализации необходима информация о текущем значении угловой скорости поворота системы координат. Информацию об угловой скорости объекта имеем с устройства-10. Определим величину ухода двухосного гиростабилизатора при наличии коррекции, реализуемой по зависимости (5), при следующих значениях : ¥х =6 м/с-скорость движения объекта вдоль продольной оси, Я =6378
Шо
км- радиус Земли, —=0.05 1/с-угловая скорость разворота объекта, Т
Шг
=84.4 мин- период Шуллера. При развороте объекта (переход на новый
курс) за время г =3.14/а1 сигнал с устройства для измерения ускорений, при отсутствии интегральной коррекции и перекрестных связей и после интегрирования , будет равен
Шп Шп
V = ж■ г = — V 3.14/—-V 3.14, (6)
у Шг х Шгх
где Ж -ускорение движения объекта.
Датчик моментов гиростабилизатора будет развивать момент, в результате которого гиростабилизатор будет поворачиваться в абсолютном пространстве со скоростью
Р'= Ух ■ Я, (7)
и угловое отклонение гиростабилизатора будет равно:
Р = Р' Т. (8)
186
После подстановки (6,7) в (8) получим величину ухода
Р = Vx ■ T■ 3.14/R. (9)
При настройке параметров двухосного гиростабилизатора на период Шуллера и наличии интегральной коррекции уход будет равен 51,42 угл.мин. При наличии перекрестных связей зависимость (9) будет иметь вид:
b = Vx ■ T■ 3.14-5/R ,
где 5-относительная погрешность компенсации ускорения движения объекта по перекрестной связи.
Двоичные умножители 7,8,9,11, входящие в перекрестную связь, и реверсивные двоичные счетчики 4 и 14 прямых каналов системы коррекции обеспечивают точность не хуже 0.1%. В этом случае, величина ухода гиростабилизатора составит b =51,42 10-3 угл.мин.
Таким образом, введение в структуру системы коррекции гироста-билизатора двух прямых каналов и двух перекрестных связей между каналами позволяет существенно повысить точность стабилизации.
Предлагаемая система коррекции предназначена для применения в двухосных системах стабилизации, и может найти применение в системах стабилизации видеокомпьютерных систем сопровождения объектов, навигации и наведения.
Список литературы
1. Ривкин С.С., Береза А. Д. Гироскопическая стабилизация морских гравиметров. М.: Наука, 1985. 131 с.
2. Малютин Д.М., Коржук Н.Л. Система коррекции гиростабилизатора морского гравиметра. Пат. RU 2 244 261 опубл. 10.01.05, Бюл. №1.
3. Расчет и проектирование гироскопических стабилизаторов. Под. ред. Пельпор Д.С.,Колосов Ю.А., Рахтенко. Е.Р. М.: Машиностроение, 1972. 216 с.
4. Александров А.Г. Синтез регуляторов многомерных систем. М.: Машиностроение, 1986. 272 с.
5. Кулешов В.В. Акселерометр Пат. RU 2226695 опуб. 10.04.2004. Бюл. №10.
6. Кутуров А.Н., Кулешов В.В. Система коррекции. Пат. RU. №2282148, опубл. 20.08.2006. Бюл. №23.
Кулешов Владимир Вениаминович, канд. техн. наук, доц., v47kuleshov@gmail. com, Россия, Тула, Тульский государственный университет
CORRECTION SYSTEM BIAXIAL GYROSTABILIZER V. V. Kuleshov
The work is devoted to development of biaxial gyrostabilizer correction. Analytical dependence for determining treatments gyrostabilizer. A scheme for the practical implementation of the correction system comprising two cross-coupled channel.
Key words: correction gyrostabilizer, cross-connection, the binary multiplier, torque sensors, electronic key period Schuller.
Kuleshov Vladimir Veniaminovich, candidate of tehnicale sciences, docent, v4 7kuleshov@,gmail. com, Russia, Tula, Tula State University
УДК 004.932.2
СИСТЕМА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРЕПЯТСТВИЙ
ДЛЯ БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА ВЕРТОЛЕТНОГО ТИПА, ПРЕДНАЗНАЧЕННАЯ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВНУТРИ ПОМЕЩЕНИЙ
С.В. Журбенко
В работе рассмотрены принципы построения системы определения препятствий для беспилотного летательного аппарата (БПЛА) вертолетного типа, предназначенная для использования внутри помещений, в которых возможна встреча с неподвижными объектами. Приведено описание методики и программного обеспечения для определения расстояния до объектов и анализа полученных данных.
Ключевые слова: система определения препятствий, дальномер, беспилотный летательный аппарат, квадрокоптер.
Основной задачей является разработка роботизированного устройства способного перемещаться без помощи оператора в помещениях, в которых возможна встреча с неподвижными объектами. Также в процессе перемещения устройство должно маневрировать между объектами в автоматическом режиме.
В качестве базовой платформы для данного устройства выбран квадрокоптер, как устройство, обладающее высокой маневренностью, способное перемещаться по воздуху, что избавляет от необходимости учета особенностей рельефа поверхности. Способность зависать в воздухе и осуществлять вращение вокруг вертикальной оси позволяет получить дополнительное время для расчета и сбора данных обо всех объектах, расположенных в обозримом пространстве исследуемого помещения, а также о его габаритах. Сбор данных об окружающем пространстве заключается в получении информации о расстояниях от квадрокоптера до объектов.
