RU140188U1

RU140188U1 - SPACE VEHICLE CONTROL DEVICE

Info

Publication number: RU140188U1
Application number: RU2013158285/28U
Authority: RU
Inventors: Владимир Петрович Кулагин; Виктор Яковлевич Цветков
Priority date: 2013-12-27
Filing date: 2013-12-27
Publication date: 2014-04-27

Abstract

1. Устройство контроля подвижного объекта, содержащее корпус с наполнителем, датчики давления, аналого-цифровые преобразователи, блоки усреднения, блок времени и блок обработки, выход которого соединен посредством канала связи с блоком контроля и управления подвижным объектом, при этом выходы датчиков давления подключены через последовательно соединенные соответствующие аналого-цифровой преобразователь и блок усреднения к соответствующим информационным входам блока обработки, другой информационный вход которого соединен с выходом блока времени, отличающееся тем, что корпус выполнен сферическим и наполнен мелкодисперсной смесью, датчики давления установлены равномерно на внешней поверхности сферического корпуса,2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что сферический корпус заполнен мелкодисперсной смесью от 90% до 95% его объема.3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве датчиков давления используют тензометрические датчики давления.1. A monitoring device for a moving object, comprising a housing with a filler, pressure sensors, analog-to-digital converters, averaging units, a time unit, and a processing unit, the output of which is connected via a communication channel to the monitoring and control unit of the moving object, while the outputs of the pressure sensors are connected through the corresponding analog-to-digital converter and the averaging unit are connected in series to the corresponding information inputs of the processing unit, the other information input of which is connected to the output Lok time, characterized in that the spherical body is formed and filled with a mixture of finely divided, pressure sensors are mounted uniformly on the outer surface of the spherical body 2. The device according to claim 1, characterized in that the spherical body is filled with a finely divided mixture from 90% to 95% of its volume. The device according to claim 1, characterized in that tensometric pressure sensors are used as pressure sensors.

Description

Полезная модель относится к области измерений векторов скорости и ускорения подвижного объекта и может быть использована в системах для контроля движения космических аппаратов и других подвижных объектов, которые перемещаются по траекториям произвольной формы.The utility model relates to the field of measuring the velocity and acceleration vectors of a moving object and can be used in systems for controlling the motion of spacecraft and other moving objects that move along trajectories of arbitrary shape.

Известна инерциальная система управления, в которой контроль движения подвижного объекта осуществляют путем измерения векторов скорости и ускорения с использованием инерциального устройства, выполненного в виде трех пружинных акселерометров, расположенных на осях Декартовой системы координат. Один акселерометр располагают вдоль направления движения (ось X) для регистрации движения. Два других акселерометра располагают перпендикулярно (оси Y, Z) для регистрации отклонения от направления движения. (Жаков А.М., Пигулевский Ф.А. Управление баллистическими ракетами. - М.: Военное издательство Министерства обороны СССР, 1965. стр. 241-243)An inertial control system is known in which the movement of a moving object is controlled by measuring the velocity and acceleration vectors using an inertial device made in the form of three spring accelerometers located on the axes of the Cartesian coordinate system. One accelerometer is positioned along the direction of movement (X axis) to detect movement. Two other accelerometers are arranged perpendicularly (axis Y, Z) to register deviations from the direction of movement. (Zhakov A.M., Pigulevsky F.A. Ballistic missile control. - M.: Military Publishing House of the Ministry of Defense of the USSR, 1965. p. 241-243)

Каждый акселерометр включает в себя измеритель в виде груза массой m, прикрепленного к корпусу устройства с помощью пружин. Груз связан с контактом потенциометра, питаемого от источника постоянного тока.Each accelerometer includes a meter in the form of a load of mass m, attached to the body of the device using springs. The load is connected to the contact of the potentiometer, powered by a direct current source.

Пружины выполняют функцию демпфера, а также - автоматического регулятора положения измерителя - возвращения груза в исходное положение при исчезновении ускорения.The springs perform the function of a damper, as well as an automatic regulator of the meter's position - returning the load to its original position when acceleration disappears.

Однако наличие трех акселерометров влечет необходимость предварительной взаимной или внешней синхронизации и калибровки для того, чтобы они в равной степени одинаково и синхронно реагировали на изменение движения, а также необходимость их точной ориентации по взаимно перпендикулярным осям перед началом движения объекта и сохранении этого положения в процессе движения.However, the presence of three accelerometers entails the need for preliminary mutual or external synchronization and calibration so that they equally and synchronously respond to a change in movement, as well as the need for their accurate orientation along mutually perpendicular axes before starting the movement of the object and maintaining this position during movement .

Эти операции требуют достаточно трудоемких высокоточных работ. Кроме того, при движении, сопряженном с перегрузками, взаимно перпендикулярное положение акселерометров трудно сохранить. Известно, что изменение положения акселерометров приводит к искажению вектора скорости и ускорения.These operations require quite laborious high-precision work. In addition, when driving coupled with overloads, the mutually perpendicular position of the accelerometers is difficult to maintain. It is known that a change in the position of accelerometers leads to a distortion of the velocity and acceleration vectors.

Недостатком известного устройства является также возможность появления резонансного эффекта для каждой из пружин. Каждая пружина является колебательным устройством и имеет собственную частоту колебания. При вибрациях может возникнуть резонанс, который приведет к искажению реакции пружин на внешнее воздействие и, следовательно, к искажению регистрации параметров движения объекта.A disadvantage of the known device is the possibility of the appearance of a resonant effect for each of the springs. Each spring is an oscillating device and has its own oscillation frequency. During vibrations, resonance can occur, which will lead to a distortion of the reaction of the springs to external influences and, consequently, to a distortion in the registration of the object's motion parameters.

Известно устройство контроля подвижного объекта, содержащее заполненный жидкостью корпус, выполненный в виде прямого параллелепипеда и закрепленный одной гранью на подвижном объекте в горизонтальной плоскости, датчики давления, установленные равномерно на внешней поверхности каждой грани корпуса, шесть аналого-цифровых преобразователей, шесть блоков усреднения, блок времени и блок обработки, выходом соединенный посредством канала связи с блоком контроля и управления подвижным объектом, при этом выходы датчиков давления, размещенных на каждой грани корпуса, подключены через последовательно соединенные соответствующие аналого-цифровой преобразователь и блок усреднения к соответствующим информационным входам блока обработки, другой информационный вход которого соединен с выходом блока времени, причем жидкость заполняет корпус не более 85% его объема. В качестве датчиков давления используют тензометрические датчик. (Патент РФ №95851, МПК G01P 15/02, опубл. 10.07.2010 - прототип).A device for controlling a moving object is known, comprising a housing filled with liquid, made in the form of a direct parallelepiped and fixed with one face on a moving object in a horizontal plane, pressure sensors installed uniformly on the outer surface of each face of the housing, six analog-to-digital converters, six averaging units, block time and the processing unit, the output is connected via a communication channel to the control unit for controlling a moving object, while the outputs of the pressure sensors are placed on each side of the casing are connected through respective series-connected analog-to-digital converter and the averaging unit to respective data inputs of the processing unit, the other information input coupled to an output unit of time, the liquid fills the casing not more than 85% of its volume. As pressure sensors use a strain gauge sensor. (RF patent No. 95851, IPC G01P 15/02, publ. 07/10/2010 - prototype).

Недостатком известного устройства является ограниченность траекторий движения, обусловленная формой прямого параллелепипеда. Это обусловлено тем, что датчики расположены в трех взаимно перпендикулярных плоскостях, причем горизонтальная плоскость соответствует горизонтальной плоскости поверхности Земли. При резком изменении траектории движения и направление давления на грань между плоскостями точность определения резко снижается. Такая ситуация не имеет место на железнодорожном транспорте, который перемещается по рельсам и слабо изменяет движение в горизонтальной плоскости. При движении космического аппарата, вертолета или реактивного самолета траектория может быть произвольной и фактор потери точности играет существенную роль.A disadvantage of the known device is the limited trajectories of motion due to the shape of a straight parallelepiped. This is because the sensors are located in three mutually perpendicular planes, and the horizontal plane corresponds to the horizontal plane of the Earth’s surface. With a sharp change in the trajectory of movement and the direction of pressure on the face between the planes, the accuracy of determination decreases sharply. This situation does not occur in railway transport, which moves along rails and weakly changes the movement in the horizontal plane. When a spacecraft, helicopter or jet aircraft moves, the trajectory can be arbitrary and the factor of accuracy loss plays a significant role.

Недостатком известного устройства является также возможность появления резонансного эффекта для граней параллелепипеда. Между параллельными гранями возможно появление резонанса, связанного с расстоянием между гранями (полуволна). Резонанс искажает картину, которую создают датчики. Совокупность трех разных резонансных частот в сложной системе может создавать дополнительные побочные резонансные эффекты, что еще более ухудшит точность определения координат. При этом возможны резонансные эффекты на гармониках частот кратных резонансным частотам.A disadvantage of the known device is the possibility of the appearance of a resonant effect for the faces of the box. Between parallel faces, resonance may occur due to the distance between the faces (half-wave). Resonance distorts the picture that the sensors create. The combination of three different resonant frequencies in a complex system can create additional side resonance effects, which will further worsen the accuracy of coordinates. In this case, resonance effects at harmonics of frequencies that are multiples of resonance frequencies are possible.

Недостатком известного устройства является также привязка движения к системе координат объекта. На практике центр масс двигается независимо от ориентации объекта, например условная ось координат Z объекта может быть направлена вверх от поверхности Земли или вниз. Движение центра масс не изменится, а в прототипе любой переворот объекта влияет на определение координат.A disadvantage of the known device is also the binding of movement to the coordinate system of the object. In practice, the center of mass moves regardless of the orientation of the object, for example, the conditional coordinate axis Z of the object can be directed upward from the Earth's surface or downward. The motion of the center of mass will not change, and in the prototype any revolution of the object affects the determination of coordinates.

Техническая задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, заключается в создании устройства для контроля движения подвижного объекта простого и надежного в эксплуатации.The technical problem to which the claimed utility model is directed is to create a device for controlling the movement of a moving object simple and reliable in operation.

Поставленная техническая задача, решается тем, что согласно заявляемой полезной модели, устройство контроля подвижного объекта содержит заполненный мелкодисперсной смесью сферический корпус, закрепленный на подвижном объекте и ориентированный в системе координат подвижного объекта, датчики давления, установленные равномерно на внешней поверхности сферического корпуса, блок времени и блок обработки, выход которого соединен посредством канала связи с блоком контроля и управления подвижным объектом, при этом выходы датчиков давления, размещенных на сферическом корпусе, подключены через последовательно соединенные соответствующие аналого-цифровой преобразователь и блок усреднения к соответствующим информационным входам блока обработки, другой информационный вход которого соединен с выходом блока времени, сферический корпус заполнен мелкодисперсной смесью от 90% до 95% его объемаThe stated technical problem is solved by the fact that according to the claimed utility model, the control unit of a moving object contains a spherical body filled with a finely dispersed mixture, mounted on the moving object and oriented in the coordinate system of the moving object, pressure sensors installed uniformly on the outer surface of the spherical body, a time unit and a processing unit, the output of which is connected via a communication channel to a control unit for controlling a moving object, while the outputs of the pressure sensors, placed on a spherical body, connected through a series-connected corresponding analog-to-digital converter and averaging unit to the corresponding information inputs of the processing unit, the other information input of which is connected to the output of the time unit, the spherical body is filled with a finely divided mixture from 90% to 95% of its volume

Кроме того, в качестве датчиков давления используют тензометрические датчики.In addition, strain gauges are used as pressure sensors.

В качестве мелкодисперсной смеси может быть использован, например, песок.As a finely divided mixture, for example, sand can be used.

Техническим результатом является:The technical result is:

- расширение диапазона траекторий движения и повышение точности измерения за счет использования мелкодисперсной заполняющей смеси, изготовления корпуса устройства в виде сферы и предложенного расположения датчиков по поверхности сферы.- expanding the range of motion paths and improving the measurement accuracy through the use of a finely divided filling mixture, manufacturing the device body in the form of a sphere and the proposed arrangement of sensors on the surface of the sphere.

- обеспечение возможности определения координат и траектории движения центра масс космического аппарата даже если его ориентация изменится относительно самого себя (например, он перевернется или двигается «боком»).- providing the ability to determine the coordinates and the trajectory of the center of mass of the spacecraft even if its orientation changes relative to itself (for example, it will roll over or move “sideways”).

- исключение побочных резонансных эффектов за счет использования механической конструкции с одной резонансной частотой и подавление гармоник за счет использования мелкодисперсной смеси.- the elimination of side resonance effects due to the use of a mechanical structure with one resonant frequency and the suppression of harmonics through the use of a finely dispersed mixture.

Сущность полезной модели поясняется рисунком, где на фиг. 1 представлен разрез поперечного сечения, используемого в устройстве инерциального датчика.The essence of the utility model is illustrated in the figure, where in FIG. 1 is a sectional view of a cross section used in an inertial sensor device.

В качестве блока обработки используют процессор, снабженный программным обеспечением, сконфигурированным с возможностью выполнения следующих функций:As a processing unit, a processor equipped with software configured to perform the following functions is used:

- соотносит каждый датчик с сектором сферы и вектором в пространстве, нормальным поверхности сферы в данном секторе;- correlates each sensor with a sector of the sphere and a vector in space normal to the surface of the sphere in this sector;

- фиксирует значения показаний датчиков давления в состоянии равномерного движения космического аппарата (получают условные «нулевые значения» давления);- captures the values of the pressure sensors in the state of uniform motion of the spacecraft (receive conditional "zero values" of pressure);

- в режиме реального времени фиксирует показания текущих значений датчиков давления в процессе движения космического аппарата;- in real time, records the readings of the current values of the pressure sensors during the movement of the spacecraft;

- сравнивает в автоматическом режиме показания усредненных значений датчиков давления с соответствующими текущими значениями и определяет режимы движения космического аппарата;- compares in automatic mode the readings of the averaged values of pressure sensors with the corresponding current values and determines the modes of motion of the spacecraft;

- по изменениям давления вычисляет ускорение, скорость космического аппарата и определяет пространственное положение космического аппарата;- from changes in pressure calculates the acceleration, speed of the spacecraft and determines the spatial position of the spacecraft;

- направляет данные о величине ускорения, скорости космического аппарата и его пространственном положении в программно-аппаратное устройство управления движением;- sends data on the magnitude of the acceleration, the speed of the spacecraft and its spatial position in the software-hardware device for motion control;

- с учетом времени движения и скорости следования космического аппарата определяет местоположение объекта.- taking into account the time of movement and the speed of the spacecraft, it determines the location of the object.

Устройство используют следующим образом.The device is used as follows.

Первоначально осуществляют калибровку измерение условный «нулей» давления на датчики, заключающуюся в том, что при движении космического аппарата измеряют величину давления на каждый датчик.Initially, a conditional “zero” of pressure on the sensors is calibrated, which means that when the spacecraft moves, the pressure on each sensor is measured.

В качестве датчиков 1 используют тензометрические датчики. Тензометрический датчик преобразует силы, действующие на стенку корпуса, в изменение электрического сопротивления.As sensors 1 use strain gauge sensors. A strain gauge converts the forces acting on the wall of the housing into a change in electrical resistance.

Сигналы с выходов датчиков давления преобразуют с помощью соответствующего аналого-цифрового преобразователя в цифровую форму.The signals from the outputs of the pressure sensors are converted using a suitable analog-to-digital converter into digital form.

Полученные значения передают в блок обработки, в котором фиксируют их как нулевые уровни начальных значений давлений.The obtained values are transmitted to the processing unit, in which they are fixed as zero levels of the initial pressure values.

Таким образом, процесс калибровки учитывает начальное распределение давлений на поверхность сферы независимо от ориентации подвижного объекта.Thus, the calibration process takes into account the initial pressure distribution on the surface of the sphere, regardless of the orientation of the moving object.

По результатам калибровки получают значения начальных давлений: P0_i i=1, …, n, где n - общее число датчиков на сфере. Эти значения запоминают в памяти блока обработки.According to the calibration results, the initial pressure values are obtained: P0 _i i = 1, ..., n, where n is the total number of sensors on the sphere. These values are stored in the memory of the processing unit.

Изменение движения подвижного объекта (космического аппарата) характеризуется изменением начальных значений давлений и появлением новых текущих значений давлений на поверхности сферы 1. Изменения давлений фиксируются блоком обработки в режиме реального времени. На основе сравнения текущих и начальных значений получают приращения.A change in the movement of a moving object (spacecraft) is characterized by a change in the initial pressure values and the appearance of new current pressure values on the surface of the sphere 1. The pressure changes are recorded by the processing unit in real time. Based on a comparison of current and initial values, increments are obtained.

Каждое приращение, отличное от нуля, определяет вектор действия ускорения в данном секторе сферы и величину этого ускорения.Each increment other than zero determines the action vector of the acceleration in a given sector of the sphere and the magnitude of this acceleration.

При равномерном движении космического аппарата дисперсная смесь 2 внутри корпуса 1 находится в состоянии равновесия и все приращения значений давления равны 0.With a uniform motion of the spacecraft, the dispersed mixture 2 inside the housing 1 is in equilibrium and all increments of the pressure values are 0.

При ускорении космического аппарата на дисперсную смесь 2 действует внешняя сила противоположная направлению движения, которая прижимает смесь к поверхности сферы со стороны противоположной движений и ослабляет давление смеси к поверхности сферы со стороны движения.When the spacecraft accelerates, the dispersed mixture 2 is acted upon by an external force opposite to the direction of motion, which presses the mixture to the surface of the sphere from the side of opposite movements and weakens the pressure of the mixture to the surface of the sphere from the direction of movement.

При этом интегральное значение силы, действующей на сферу, в режиме реального времени позволяет определить направление движения (вектор) космического аппарата и его ускорение (модуль или скаляр).In this case, the integral value of the force acting on the sphere in real time allows you to determine the direction of motion (vector) of the spacecraft and its acceleration (module or scalar).

При торможении космического аппарата процесс будет обратный.When braking a spacecraft, the process will be reversed.

При повороте подвижного объекта вектор и ускорение будут меняться.When a moving object rotates, the vector and acceleration will change.

Блок обработки по изменениям давлений в режиме реального времени определяет ускорение, скорость и положение космического аппарата. При развертывании этих значений во времени можно определить траекторию и положение центра масс космического аппарата в пространстве, независимо от ориентации самого космического аппарата, то есть от его уловного положения и от его локальной системы координат.The processing unit for real-time pressure changes determines the acceleration, speed and position of the spacecraft. When these values are deployed in time, it is possible to determine the trajectory and position of the center of mass of the spacecraft in space, regardless of the orientation of the spacecraft itself, that is, from its catch position and from its local coordinate system.

Claims

1. A monitoring device for a moving object, comprising a housing with a filler, pressure sensors, analog-to-digital converters, averaging units, a time unit, and a processing unit, the output of which is connected via a communication channel to the monitoring and control unit of the moving object, while the outputs of the pressure sensors are connected through the corresponding analog-to-digital converter and the averaging unit are connected in series to the corresponding information inputs of the processing unit, the other information input of which is connected to the output Lok time, characterized in that the spherical body is formed and filled with a mixture of finely divided, pressure sensors are mounted uniformly on the outer surface of the spherical body,

2. The device according to claim 1, characterized in that the spherical body is filled with a finely divided mixture from 90% to 95% of its volume.

3. The device according to claim 1, characterized in that tensometric pressure sensors are used as pressure sensors.