Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор состояния информационно-измерительных систем манитометрического типа 12
1.1 Область применения ИИС магнитометрического типа 12
1.1.1 ИИС магнитометрического типа позиционирования стационарных объектов 12
1.1.2 ИИС магнитометрического типа определения параметров ориентации беспилотных летательных аппаратов 14
1.1.3 ИИС магнитометрического типа управления и наведения ракет реактивных систем залпового огня 16
1.2 Использование магнитного поля Земли для решения задач ориентации и навигации 18
1.3 Выбор применяемого типа магнитных датчиков в составе ИИС 20
1.4 Неопределенность нахождения параметров ориентации объекта по показаниям магнитных датчиков 26
1.5 Выводы по главе 27
2 ИИС Магинтометрического типа позиционирования стационарных объектов в составе переносного зенитно-ракетного комплекса 29
2.1 Постановка задачи исследования 29
2.2 Структура ИИС позиционирования стационарных объектов на акселерометрах и магнитных датчиках 30
2.3 Математическая модель ИИС позиционирования ПЗРК 32
2.4 Уравнения ошибок и их анализ 35
2.4.1 Анализ влияния погрешностей акселерометров на точность определения углов места и крена 36
2.4.2 Анализ влияния погрешностей акселерометров и магнитных датчиков на точность определения угла курса 43
2.5 Выводы по главе 47
3 Информационно-измерительная система магинтометрического типа определения параметров ориентации подвижных объектов 48
3.1 Постановка задачи исследования 48
3.2 Разработка математической модели ИИС магнитометрического типа, реализованной на трехосном МД 50
3.3 Разработка математической модели ИИС магнитометрического типа, реализованной на двухосном МД 64
3.3.1 Разработка математической модели системы, реализованной на двухосном МД с ориентацией OX, OZ 64
3.3.2 Разработка математической модели системы, реализованной на двухосном МД с ориентацией OX, OY 67
3.3.3 Разработка математической модели системы, реализованной на двухосном МД с ориентацией OY, OZ 69
3.4 Уравнения ошибок ИИС и их анализ 73
3.5 Моделирование работы ИИС ориентации на борту БПЛА 82
3.5.1 Ошибки определения углов по трехосному МД 86
3.5.2 Ошибки определения углов по двухосному МД 86
3.6 Моделирование работы ИИС на борту снаряда РСЗО 88
3.7 Сравнение результатов аналитических исследований и имитационного моделирования работы ИИС ориентации магнитометрического типа 90
3.8 Анализ работы ИИС при смене решений 91
3.8.1. Определение угловых скоростей объекта по одному ДУС и вектору напряженности МПЗ 93
3.8.2. Работа системы в режиме «Выбор решения» 94
3.9 Автономный режим работы ИИС ориентации 95
3.10 Алгоритм калибровки МД на основе фильтра Калмана 102
3.11 Выводы по главе 111
4 Экспериментальные исследования макета ИИС магнитометрического типа позициоршрования ПЗРК 114
4.1 Макет ИИС позиционирования ПЗРК 114
4.2 Исследование и топографирование магнитного поля объекта 116
4.3 Калибровка магнитных датчиков и компенсация влияния магнитного поля объекта 122
4.4 Алгоритмы обработки информации ИИС ориентации 131
4.5 Выводы по главе 136
Заключение 137
Список литературы 139
Приложение
- Использование магнитного поля Земли для решения задач ориентации и навигации
- Структура ИИС позиционирования стационарных объектов на акселерометрах и магнитных датчиках
- Разработка математической модели ИИС магнитометрического типа, реализованной на трехосном МД
- Калибровка магнитных датчиков и компенсация влияния магнитного поля объекта
Введение к работе
Актуальность работы. Развитие современной техники обуславливает необходимость в информационно-измерительных системах для определения параметров ориентации объектов в пространстве, построенных на различных физических принципах. Данные системы применяются для позиционирования стационарных объектов и для определения параметров ориентации подвижных объектов различного базирования (наземного, водного и воздушного).
Области применения таких систем расширяются, вместе с тем, возрастают требования к ним по точности определения параметров ориентации, минимизации массы, габаритов, стоимости, энергопотребления, времени готовности и способности интегрироваться в современные системы управления объекта.
В настоящее время большинство информационно-измерительных систем определения параметров ориентации объектов строятся на базе гироскопов и акселерометров традиционного исполнения. Они представляют собой сложные приборы точной механики, однако обладают значительными энергопотреблением, габаритами, массой и высокой стоимостью.
Развитие микросистемной техники, в частности, появление микромеханических акселерометров (МА) и гироскопов (МГ) позволяет создавать системы, обладающие малыми массой и габаритами, например интегрированные бесплатформенные системы ориентации (БСО). Несмотря на это, все МГ и МА (и российские, и зарубежные) все еще уступают по точности и шумовым характеристикам обычным гироскопам и акселерометрам, и системы, построенные на датчиках данного типа, обладают нарастающей во времени ошибкой в автономном режиме работы (при пропадании сигналов спутниковой навигационной системы, входящей обычно в состав интегрированных БСО).
Благодаря интенсивному развитию магнитоэлектроники было создано второе поколение дискретных преобразователей магнитного поля и датчиков на их основе. Существенными достоинствами информационно-измерительных систем (ИИС) определения параметров ориентации, построенных на магнитных датчиках, является отсутствие накапливаемой со временем ошибки, возможность работы при больших линейных и угловых скоростях движения объекта в пространстве и практически мгновенное время готовности.
Применение таких систем позволяет решать задачи позиционирования буев и спутниковых антенн, определять курсовой угол в задачах навигации подвижных объектов и топографической привязки трубопроводов, автомобильных дорог и электронных карт местности, а также осуществлять индивидуальное автономное позиционирование пусковых установок переносных зенитно-ракетных комплексов (ПЗРК) по магнитному азимуту и углу места для упреждающего ожидания цели и повышения эффективности последующего наведения.
Разработкой подобных систем активно занимаются такие фирмы и организации как «Philips Semiconductors» (Голландия), «Honeywell», «Space Electronic», «Crossbow Technology Inc.», «Precision Navigation Inc.», «Advanced Orientation Systems Inc. (AOSI)» (США), УП «Минский НИИ радиоматериалов» (Беларусь), НТЦ «Рисса», ООО «ТеКнол», ФГУП ГНПП «Электроприбор», ФГУП ГНПП «СПЛАВ», ФГУП НКТБ "Феррит", ГОУ ВПО «Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева» (Россия) и др.
Проведенный анализ технических характеристик существующих ИИС магнитометрического типа и публикаций (отечественных и зарубежных), показал, что при решении задачи позиционирования стационарных объектов точность работы таких систем требует увеличения. Кроме того должна быть обеспечена высокая точность и работоспособность системы при расширенном диапазоне углов места (до +80 градусов) позиционируемого объекта. Проведенный анализ также показал, что в подобных системах показания магнитных датчиков используются для определения углов курса. Решение задачи определения ИИС магнитометрического типа углов тангажа и крена подвижных объектов позволяет дополнительно:
использовать эту информацию для автономного управления беспилотным летательным аппаратом;
использовать эту информацию при управлении и наведении высокоманевренных вращающихся по крену летательных аппаратов, а также при телеметрических пусках.
Таким образом, задача разработки теоретических основ построения, математического описания, алгоритмов функционирования и способов повышения точности работы информационно-измерительных систем магнитометрического типа для определения параметров ориентации стационарных и подвижных объектов является весьма актуальной.
Объектом исследования яатяется малоразмерная ИИС магнитометрического типа для позиционирования стационарных объектов повышенной точности с расширенным диапазоном углов места, посгроенная на основе магниторезистивных датчиков и датчиков линейного ускорения, а таїаке малоразмерная ИИС магнитометрического типа для высокоточного определения углов тангажа и крена высокоманевренных подвижных объектов (в том числе вращающихся по крену), построенная на основе магниторезистивных датчиков и GPS приемника.
Предметом исследования является разработка теоретических основ построения, математического описания, алгоритмов функционирования, способов повышения точности, проектировочных зависимостей и исследование особенностей применения ИИС магнитометрического типа для определения параметров ориентации стационарных и подвижных объектов.
Целью работы является повышение точности определения углов места и курса малоразмерной ИИС магнитометрического типа для позиционирования стационарных объектов с расширенным диапазоном углов места за счет использования смещенного базиса двухосного блока акселерометров, выработки признаков применения возможных функциональных зависимостей вычисления курсового угла при различной ориентации объекта в пространстве, а также разработка теоретических основ построения ИИС магнитометрического типа для определения углов тангажа и крена высокоманевренных подвижных объектов (в том числе вращающихся по крену) и способов повышения точности такой системы за счет введения в арукгуру системы пирометрических датчиков и применения алгоритмов оптимальной фильтрации для компенсации систематических погрешностей в показаниях магнитных датчиков.
Методы исследований. Для решения поставленной задачи использовался комплексный метод исследования, который характеризуется применением аналитических методов, теории случайных процессов, теории оптимальной фильтрации, методов математического моделирования с применением ЭВМ, методов физического моделирования в лабораторных условиях.
Теоретические предпосылки к разработке подобных систем были созданы трудами отечественных и зарубежных ученых:
Афанасьева Ю.В., БараночниковаМЛ., Белоглазова И.Н, Джанджгавы Г.И., Пешехонова В.П., Помыкаева И.И., Распопова ВЛ., Салычева О.С, Степанова О.А., Черноморского А.И., Caruso M.J., Fried Т.Д., Zhao Г., LenzJ.E. и др.
Научная новизна работы:
-
Определены варианты функциональных зависимостей вычисления курсового угла ИИС магнитометрического типа позиционирования ПЗРК и выработаны признаки их применения в зависимости от ориентации объекта в пространстве, что увеличивает точность системы.
-
Разработаны математическая модель и уравнения ошибок ИИС магнитометрического типа позиционирования ПЗРК, а также получена зависимость точности определения угла курса от угла наклона вектора напряженности магнитного поля Земли (ВНМПЗ), что позволяет на стадии проектирования проводить оценку точности системы и выбирать элементную базу в зависимости от предъявляемых требований по точности, условиям эксплуатации и стоимости.
-
Разработан способ повышения точности определения углов места и курса при использовании двухосного акселерометра в составе ИИС магнитометрического типа позиционирования ПЗРК.
-
Разработаны структуры, математические модели и алгоритмы функционирования ИИС магнитометрического типа определения параметров ориентации подвижных объектов (в том числе вращающихся по крену), а также уравнения, позволяющие проводить оценку точности системы на основании ошибок применяемых чувствительных элементов, дополнительно привлекаемой информации и условий эксплуатации.
-
Разработан способ повышения точности ИИС магнитометрического типа определения параметров ориентации подвижных объектов за счет комплексирования ИИС с пирогоризонтом на основе алгоритма калмановской фильтрации, что позволяет оценивать и компенсировать систематическую составляющую сигнала магнитных датчиков.
Практическая ценность и реализация результатов работы заключается в разработке теоретических основ построения, математического описания, алгоритмов функционирования и способов повышения точности ИИС магнитометрического типа позиционирования стационарных объектов и определения параметров ориентации подвижных объектов (в том числе вращающихся по крену). Полученные в работе уравнения ошибок могут быть использованы для оценки точности и при проектировании подобных систем. Впервые поведены экспериментальные работы по топографированию магнитных полей ПЗРК и снаряда РСЗО, позволившие определить оптимальное (с минимальным уровнем искажений объектом МПЗ) место установки ИИС на объекте. Разработан макет высокоточной ИИС ориентации магнитометрического типа для работы в составе ПЗРК, внедренный на ОАО «Мичуринский завод «Прогресс».
Апробация работы. Основные результаты, представленные в данной диссертационной работе, докладывались и обсуждались на следующих семинарах и конференциях: XIV Международном научно-техническом семинар
«Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации», сентябрь 2005 г., Крым, г. Алушта; Международная молодежная научная конференция «XXXII Гагаринские чтения» 2006 г , Москва; VIII Конференции молодых ученых «Навигация и упраізление движением», март 2006 г., г. С.-Петербург; XVI Международном научно-техническом семинаре «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации», сентябрь 2007 г. Крым, г. Алушта; X Юбилейной конференции молодых ученых «Навигация и управление движением», март 2008 г., г. С.Петербург; XI Конференции молодых ученых «Навигация и управление движением», март 2009 г., г. С.-Петербург; I Международной научно-практической конференции «Интеллектуальные машины», апрель 2009 г., г. Москва, МГТУ «МАМИ»
Использование магнитного поля Земли для решения задач ориентации и навигации
Общепринятой моделью магнитного поля Земли для решения задач ориентации и навигации является представление о Земле, как о большом сферическом магните, поле которого можно приписать короткому стержню, расположенному в центре Земли (см. рисунок 1.5) [9, 10].
Линии магнитного поля исходят из южного полушария и вновь входят в Землю в северном полушарии таким образом, что северный геомагнитный полюс в действительности является южным полюсом дипольного поля. Дипольная ось не параллельна оси вращения Земли, а отклоняется от него на 10 градусов, поэтому геомагнитные и географические полюса не совпадают. Северный геомагнитный полюс сейчас находится рядом с островом Эллесмир на территории Канадского арктического архипелага, а южный геомагнитный полюс расположен на расстоянии примерно 1000 километров к югу от Австралии. Полюса медленно дрейфуют в результате происходящих перемен в основном магнитном поле Земли.
В любой точке пространства вектор геомагнитного поля определяется следующими параметрами: горизонтальными компонентами Не (северная интенсивность), Не (восточная интенсивность) и вертикальной составляющей В (вертикальная интенсивность, положительная при направлении вверх), а также полной интенсивностью вектора напряженности МПЗ Н, углом магнитного наклонения (угол между горизонтальной плоскостью и полным вектором Н) и углом магнитного склонения D (угол между направлениями на географический и магнитный север) (рисунок 1.6). Эти составляющие измеряются в эрстедах (Э), но традиционно представляются в нанотеслах (нТ) (1 Э = 105 нТ). Напряжение магнитного поля Земли примерно составляет от 25000 до 70000 нТ (0,25-0,7 Э).
Для изучения пространственного распределения основного геомагнитного поля, измеренные в разных местах значения Н, D, I наносят на специальные карты, которые называются магнитными картами Земли, и соединяют линиями точки равных значений элементов. Такие линии называют соответственно изодинамами, изогонами, изоклинами (рисунок 1.7) [11, 12]. Магнитный экватор не совпадает с географическим экватором. С увеличением широты значение / возрастает до 90 в магнитных полюсах. Полная напряженность Н от экватора к полюсу растет до 0,7 Э или до 70 мкТл.
При создании магнитных датчиков используются различные физические явления, возникающие в полупроводниках и металлах при взаимодействии с магнитным полем. Эти явления, известные как эффекты Холла и Гаусса, были открыты в конце XIX века (в 1879 году). Благодаря успехам магнитоэлектроники было создано второе поколение дискретных датчиков и освоено их промышленное производство.
К устройствам второго поколения, характеризующимся высокими магнитоэлектрическими и эксплуатационными характеристиками, широкой номенклатурой приборов и значительными объемами их производства, относятся интегральные элементы Холла, тонкопленочные магниторезисторы, магнитодиоды, феррозонды и т.д.
Технология изготовления большинства современных магнитных датчиков базируется на тех же принципах, что и производство полупроводниковых приборов и интегральных микросхем (с использованием процессов диффузии, ионного легирования, фотолитографии, микросварки и т.д.).
Каждый из перечисленных датчиков имеет определенный набор параметров и характеристик, обладает преимуществами и особенностями, которые необходимо учитывать при проектировании магнитоэлектронной аппаратуры в зависимости от конкретных условий ее применения [5, 13, 14, 15, 16, 17]. Рассмотрим характеристики наиболее часто используемых магнитных датчиков (таблица 1.3), таких как: - дискретный элемент Холла; - «монолитный» магниторезистор; - тонкопленочный магниторезистор; - магнитодиод; - феррозонд.
Структура ИИС позиционирования стационарных объектов на акселерометрах и магнитных датчиках
В работе [21] отмечается, что переносные зенитно-ракетные комплексы (ПЗРК) имеют существенное ограничение стрельбы в ночных условиях из-за сложности наблюдения и прицеливания.
Реализация принципиально нового решения - обеспечение целеуказанием стрелков-зенитчиков путем размещения средств целеуказания непосредственно на боевых средствах ПЗРК может дать возможность командиру отделения стрелков-зенитчиков принимать оповещения о воздушных целях, и после ее обнаружения осуществлять прицеливание, сопровождение, захват головкой самонаведения и пуск ракеты. По оценкам специалистов это позволит сократить время реакции комплексов, обеспечить всесуточность их работы и значительно повысить эффективность боевого применения всех типов ПЗРК.
Идеология построения средств обеспечения стрельбы ночью (СОСН) для всех типов ПЗРК была предложена и разработана коломенским Конструкторским бюро Машиностроения. Одной из поставленных задач, в рамках создания СОСН, является ориентация опорных устройств по магнитному азимуту, с чем успешно может справиться ИИС магнитометрического типа позиционирования стационарных объектов. Основными требованиями, предъявляемыми к системе, являются обеспечение: определения угла рассогласования между направлением магнитного меридиана и текущим направлением продольной оси пусковой трубы с точностью не хуже 1,5; - определения утла рассогласования между гравитационной вертикалью (линией отвеса) и текущим направлением продольной оси пусковой трубы в диапазоне углов от -20 до 80 градусов с точностью не хуже 0,7; - выдачи информации о значении крена в диапазоне ±10; - функционирования в диапазоне температур внешней окружающей среды от -40 С до +50 С.
В соответствии с поставленной научно-технической задачей, являющейся актуальной и имеющей практическую значимость, проведем исследования, направленные на разработку ИИС ориентации магнитометрического типа с указанными характеристиками.
Конструктивно, ИИС ориентации состоит из измерительного модуля (ИМ), аналого-цифрового преобразователя, микроконтроллера и блока электроники [22, 23].
Измерительный модуль ИИС ориентации выполняет задачу определения угловых отклонений подвижного объекта в связанной с ним системе координат относительно горизонтальной географической системы координат. В результате алгоритмической обработки микроконтроллером сигналов, вырабатываемых ИМ, формируются сигналы ИИС, в которых содержится информация о параметрах угловой ориентации объекта - углах курса, крена и места. В состав измерительного блока входят магнитные датчики и акселерометры, оси чувствительности которых ориентированы вдоль осей OX, OY, OZ прямоугольной системы координат OXYZ (рисунок 2.2) [24, 25, 26, 27]. OXYZ - приборная система координат, связанная с объектом; О ц С, - система координат локального уровня; 0г - система координат
Магнитного севера, определяемая направлением Магнитного севера; /- вектор напряженности МПЗ; L, В - горизонтальная и вертикальная проекции вектора напряженности МПЗ в системе координат 0п Такая структура построения имеет существенное преимущество по отношению к системе, реализованной в механическом кардановом подвесе, который вращается по отношению к магнитным датчикам, оказывая переменное магнитное воздействие, тем самым, ухудшая точность системы, снижая ее быстродействие, а так же ресурс работы и надёжность [28].
При изменении углового положения объекта происходят изменения проекций вектора напряженности магнитного поля Земли (ВНМПЗ) и вектора ускорения свободного падения Земли (g) на оси OX, OY и OZ, вследствие чего датчики вырабатывают соответствующие сигналы, являющиеся первичными для решения задачи ориентации в ИИС.
В начальный момент времени полагаем, что система координат OXYZ и система координат fy\C, совпадают. Произвольное положение системы координат OXYZ относительно цС, определяется углами места (0), крена (у) и курса (у). Обозначим X, Y Z - как показания магнитных датчиков, а Xa,Ya,Za - как показания акселерометров, направленных вдоль соответствующих осей приборной системы координат.
Определим проекции ZMUC, Хмис горизонтальной составляющей вектора напряженности магнитного поля Земли (L) на оси Orf и О системы координат локального уровня 0 т , используя нормированные показания МД, расположенных вдоль осей приборной системы координат:
Имея значения Хмпс и мпс, легко вычислить угол курса по формуле [21, 29-36]: В зависимости от взаимного расположения осей Ог , 0 и составляющей ВНМПЗ L формула (2.2) трансформируется к виду: Также, зная текущие углы места и крена, угол курса можно определить по формуле [29]: В зависимости от взаимного расположения осей On , О и горизонтальной составляющей вектора напряженности магнитного поля Земли L формула (2.3) трансформируется к виду: где Я- полная интенсивность ВНМПЗ. Показания датчиков в системе координат O rf запишем в виде: Зададим поворот на угол места 9 и получим: Зададим поворот на угол крена у и получим: X = L cos\/ cos6 Углы крена и места, используемые в выражении (2.1) вычисляются на основании сигналов акселерометров (в единицах ускорения силы тяжести) следующими возможными зависимостями [37, 38, 39, 40]
Разработка математической модели ИИС магнитометрического типа, реализованной на трехосном МД
При решении ряда практических задач известен курсовой угол движения объекта, требуется же определять углы тангажа и крена. Например, курсовой угол полета снаряда реактивной системы залпового огня (РСЗО) остается практически неизменным с точностью до ±0,2 градусов, а информация об углах тангажа и крена представляет большой интерес (рисунок 3.1) [56]. Задача определения углов тангажа и крена на основе показаний магнитных датчиков возможна также при произвольной траектории движения объекта в случае привлечения информации о путевом угле от спутниковой навигационной системы (СНС). Для малоразмерного беспилотного летательного аппарата (БПЛА) путевой угол можно принять в качестве угла курса, ввиду малых значений углов скольжения [57]. Существенными достоинствами информационно-измерительной системы (ИИС) ориентации на основе магнитных датчиков, являются отсутствие накапливаемой со временем ошибки и неограниченное время работы системы, а также возможность функционирования в широком диапазоне угловых скоростей движения объекта в пространстве и практически мгновенное время готовности системы.
Такая структура построения ИИС не требует приведения показаний магнитных датчиков к горизонту, а как было показано, ошибка в определении угла наклона датчика на высоких широтах очень существенно сказывается на общей точности системы. Актуальность разработки информационно-измерительной системы магнитометрического типа для определения параметров ориентации подвижных объектов и исследование ее функционирования подтверждается также широким кругом возможных решаемых задач: определение углов ориентации подвижного объекта; реализация раскладки команд управления вращающегося по крену подвижного объекта на основании информации магнитометрической ИИС; получение данных о параметрах ориентации на траектории полета управляемого летательного аппарата при телеметрических пусках; комплексирование информации магнитометрической и инерциальной систем ориентации для управления движением летательного аппарата. Таким образом, необходимо разработать теоретические основы построения, математические модели и алгоритмы функционирования ИИС определения параметров ориентации подвижных объектов, чувствительными элементами которой являются магнитные датчики. Задача сводится к определению углов тангажа и крена по известному углу курса и априорной информации о параметрах геомагнитного поля в данной точке местности, выбору решения, соответствующего истинной угловой ориентации объекта (п. 1.4), и повышению точности определяемых параметров. Использование трехосного МД позволяет избавиться от ошибки, обусловленной неточностью измерения напряженности магнитного поля путем нормирования показаний МД и использования нормы вектора напряженности магнитного поля Земли (ВНМПЗ). Горизонтальная (L) и вертикальная (В) проекции нормы ВНМПЗ в этом случае записываются через величину угла наклона ВНМПЗ (/) в следующем виде: В = sin/, L- cos/. Нормированные показания МД X,Y,Z, определяются зависимостями [58]:
Из полученных решений необходимо выбрать то, которое соответствует истинной угловой ориентации объекта. Для этого рассмотрим вертикальную плоскость С,гОц (рисунок 3.2). Рисунок 3.2 - Системы координат В этой плоскости возможны четыре случая расположения проекции ВНМПЗ: - при отрицательном угле наклона ВНМПЗ (В 0) и модуле угла курса меньше 90 градусов (рисунок 3.3.а); - при отрицательном угле наклона ВНМПЗ (В 0) и модуле угла курса больше 90 градусов (рисунок 3.3.6); - при положительном угле наклона ВНМПЗ (В 0) и модуле угла курса меньше 90 градусов (рисунок 3.4.а); - при положительном угле наклона ВНМПЗ (В 0) и модуле угла курса больше 90 градусов (рисунок 3.4.6); Проекция ВНМПЗ Угол тангажа определяется как угол между линией горизонта и осью ОХ. В рассматриваемой плоскости ось ОХ может находиться в одной из четырех областей для каждого из четырех случаев расположения проекции ВНМПЗ в плоскости Ол . Данные области определяют расположение оси ОХ объекта относительно линии горизонта (Orf), вертикальной оси неподвижной системы координат (ОС, ) и проекцией ВНМПЗ (рисунок 3.3, рисунок 3.4): I - модуль угла курса меньше 90 градусов; угол тангажа отрицателен; проекция ВНМПЗ на ось ОХ положительна для случая рис.3.3 и отрицательна для рис.3.4; ось ОХ лежит ниже прямой, содержащей проекцию ВНМПЗ. II - модуль угла курса меньше 90 градусов; угол тангажа отрицателен; проекция ВНМПЗ на ось ОХ положительна; ось ОХ лежит выше прямой, содержащей проекцию ВНМПЗ для рис.3.3 и ниже для рис.3.4. III - модуль угла курса меньше 90 градусов; угол тангажа положителен; проекция ВНМПЗ на ось ОХ положительна; ось ОХ лежит выше прямой, содержащей проекцию ВНМПЗ для рис.3.3 и ниже для рис.3.4. IV - модуль угла курса меньше 90 градусов; угол тангажа положителен; проекция ВНМПЗ на ось ОХ отрицательна для случая рис.3.3 и положительна для рис.3.4; ось ОХ лежит выше прямой, содержащей проекцию ВНМПЗ. V - модуль угла курса больше 90 градусов; угол тангажа отрицателен; проекция ВНМПЗ на ось ОХ положительна для случая рис.3.3 и отрицательна для рис.3.4; ось ОХ лежит ниже прямой, содержащей проекцию ВНМПЗ. VI - модуль угла курса больше 90 градусов; угол тангажа отрицателен; проекция ВНМПЗ на ось ОХ отрицательна; ось ОХ лежит ниже прямой, содержащей проекцию ВНМПЗ для рис.3.3 и выше для рис.3.4. VII - модуль угла курса больше 90 градусов; угол тангажа положителен; проекция ВНМПЗ на ось ОХ отрицательна; ось ОХ лежит ниже прямой, содержащей проекцию ВНМПЗ для рис.3.3 и выше для рис.3.4. VIII - модуль угла курса больше 90 градусов; угол тангажа положителен; проекция ВНМПЗ на ось ОХ отрицательна для случая рис.3.3 и положительна для рис.3.4; ось ОХ лежит выше прямой содержащей проекцию ВНМПЗ.
Калибровка магнитных датчиков и компенсация влияния магнитного поля объекта
На практике возможны случаи пропадания сигналов спутников поступающих на модуль GPS, ввиду чего приведенные выше алгоритмы
расчета углов тангажа и крена теряют свою работоспособность, и возникает задача получения параметров угловой ориентации объекта в автономном режиме работы системы. Данная задача может быть решена включением в состав структуры системы пирометрических датчиков.
Согласно закону Планка любое нагретое выше нуля по Кельвину тело обладает эмиссией. Следовательно, и поверхность земли, и находящееся в космосе вещество, будут всегда обладать инфракрасным (ИК) излучением. При помощи бесконтактного термометра можно зафиксировать температурное различие между зенитом небосвода и земной поверхностью, доходящее до 40 градусов. Если ИК термометр выставить в горизонт и зафиксировать его показания, то, перемещая чувствительный элемент термометра в вертикальной плоскости, можно определить зависимость изменения отображаемой температуры от угла отклонения от горизонта. Это явление использует в своей работе устройство приведения объекта в горизонтальную плоскость, получившее название пирогоризонт.
Четыре пирометрических датчика, размещённые ортогонально друг к другу, способны указать своё горизонтальное положение по условию равности показаний всех четырёх датчиков, а также вычислять своё угловое положение в пространстве. Чувствительным элементом пирометрического датчика служит своеобразный конденсатор — пластина из пироэлектрика с металлическими обкладками. На одну из обкладок нанесен слой вещества, способного поглощать тепловое излучение. В результате поглощения энергии температура пластины конденсатора увеличивается и между обкладками появляется напряжение строго определенной полярности. Будучи приложенным к участку затвор-исток встроенного полевого транзистора, оно вызывает изменение сопротивления его канала. Выходной сигнал снимают с внешнего нагрузочного резистора, включенного в цепь стока транзистора. Вычисление углового положения в пространстве производится по процентному соотношению земли и небосвода в поле зрения датчика [77].
Точность определения углов по пирометрическим датчикам зависит от многих параметров, в том числе от погодных условий, рельефа местности и разности температур между небосводом и землей. Экспериментальная статическая характеристика точности определения пирометрическими датчиками углов тангажа и крена, снятая в условиях городской местности для ясного дня со средним значением разницы температур между небосводом и Землей порядка 25 градусов по Цельсию, приведена на рисунке 3.25.
Как видно из рисунка 3.25, при горизонтальном положении в показаниях пирометрических датчиков практически отсутствует постоянная составляющая, и ошибка определения углов определяется шумовой составляющей. Определив по пирометрическим датчикам угол крена, угол курса рассчитаем на основании показания трехосного МД по каналам Уи Z: где VJ/M(Y) - угол курса, рассчитанный по показаниям МД и углу крена; к - любое целое число (положительное, отрицательное или нуль). Также угол курса можно рассчитать на основании определенного по пирометрическим датчикам угла тангажа и показаний трехосного МД по каналу X: где \/M(9) - угол курса, рассчитанный по показаниям МД и углу тангажа. Определим, какое из полученных решений вычисления угла курса (3.30), (3.31) является предпочтительным. Для этого рассмотрим уравнения ошибок полученных выражений. Уравнение ошибки выражения (3.30) запишем в виде ряда Тейлора с членами первого порядка: Используя операцию нормирования показаний МД, ошибки определения горизонтальной проекции ВНМПЗ AL примем равными нулю. Проделав необходимые математические операции, получим: Уравнение ошибки на основании выражения (3.28) запишется в виде: Принимая величины ошибок определения горизонтальной и вертикальной проекций ВНМПЗ равными нулю, получим: Проведем оценку влияния отдельных составляющих, входящих в выражения (3.30), (3.31) на точность определения угла курса, а также определим наилучшую по точности зависимость вычисления угла курса. Рассмотрим режим горизонтального полета БПЛА с отсутствием намеренного маневрирования, когда углы тангажа и крена равны нулю. Систематические ошибки определения углов тангажа и крена по пирометрическим датчикам (AG, Ay) на основании экспериментальной статической характеристики (рисунок 3.26) также можно принять равными нулю.
