SE536253C2 - Metod och gnc-system för bestämning av anfallsvinkel - Google Patents

Abstract

Uppfinningen avser en metod for bestämning av anfallsvinkel fór en projektil iprojektilens bana från utskjutningsanordning till mål, vilken projektil är styrbar ochhuvudsakligen eller delvis rollstabil och innefattar styrsystem samt minst två aktuatorermed tillhörande styrdon där följande steg innefattas; bestämning av utställd kraft forstyrning i tipp genom uppskattning av momentet på proj ektilens aktuatorer, bestämningav utställd krafi fór styming i gir genom uppskattning av momentet på projektilensaktuatorer, beräkning av anfallsvinkelns tippkomponent u och anfallsvinkelnsgirkomponent ß baserat på jämförelse mellan de uppskattade momenten ochreferensdata fór moment. Uppfinningen avser därtill ett GNC-system. Fig. 1.

Description

25 30 35 535 253 Det i metoden föreslagna styrsystem baseras på ett neuralt nätverk. Ett problem med metoden enligt US2010/0176238 A1 är att ingen eller begränsad information fås om anfallsvinkeln vilket innebär att navigationssystemet ej ger en komplett eller korrekt positionsbestämning.

Exempel på en annan tidigare känd metod, se US-6,779,752 Bl , avser ett guidance- system utan något gyroskop. Det beskrivna systemet använder tre accelerometrar samt en GPS-mottagare. Ett problem med metoden enligt US-6,779,752 Bl är att ingen eller begränsad information fås om rollvinkeln vilket innebär att navigationssystemet ej ger en komplett eller korrekt positionsbestämning.

Exempel på ytterligare en annan tidigare känd metod, se US-5,775,636, avser en styrbar proj ektil innefattande en GPS-mottagare. Ett problem med metoden enligt US- 5,775,636 är att ingen eller begränsad information fås om rollvinkeln, anfallsvinkeln eller girvinkeln vilket innebär att navigationssystemet ej ger en komplett eller korrekt positionsbestämning.

Exempel på ännu en annan tidigare känd metod, se US-7,163,176 Bl, avser ett korrigeringssystem i två dimensioner för såväl rollstabila som fenstabila projektiler. Ett problem med metoden enligt US-7,163,l76 Bl är att ingen eller begränsad information fås om anfallsvinkeln vilket innebär att navigationssystemet ej ger en komplett eller korrekt positionsbestämning.

Problem med nu existerande lösningar enligt ovan nämnda dokument är således att ingen eller begränsad information fås om anfallsvinkeln vilket innebär att navigationssystemet ej ger en komplett eller korrekt positionsbestämning.

Ytterligare problem som uppfinningen avser att lösa framgår i anslutning till den efterföljande detaljerade beskrivningen av de olika utföringsformema.

UPPFINNINGENS SYFTE OCH DESS SÄRDRAG Föreliggande uppfinning beräknar och bestämmer anfallsvinkel fbr en projektil utifrån ett färre antal sensorer än konventionella system.

Föreliggande uppfinning avser en metod för bestämning av anfallsvinkel för en projektil i projektilens bana från utskjutningsanordning till mål, vilken projektil är styrbar och 10 15 20 25 30 35 535 253 huvudsakligen eller delvis rollstabil och innefattar styrsystem samt minst två aktuatorer med tillhörande styrdon där följande steg innefattas; bestämning av utställd kraft för styrning i tipp genom uppskattning av momentet på proj ektilens aktuatorer, bestämning av utställd kraft för styrning i gir genom uppskattning av momentet på projektilens aktuatorer, beräkning av anfallsvinkelns tippkomponent u och anfallsvinkelns girkomponent ß baserat på jämförelse mellan de uppskattade momenten och referensdata för moment.

Enligt ytterligare aspekter för den förbättrade metoden för anfallsvinkelbestämning enligt uppfinningen gäller; att referensdata för moment erhålls ur en uppslagstabell framtagen utifrån uppmätning av aerodynamiska egenskaper hos projektilen. att referensdata för moment erhålls ur en uppslagstabell framtagen från beräkning av aerodynamiska egenskaper hos proj ektilen. att jämförelse av det uppskattade momentet och referensdata för moment sker genom att de referensdata som ligger närmast det uppskattade momentet ger en skattning av anfallsvinkelns tippkomponent ot samt anfallsvinkelns girkomponent ß utifrån nämnda referensdatas uppslagstabell. att jämförelse av det uppskattade momentet och referensdata för moment sker genom att nänmda referensdata är ett underlag för att skapa en matematisk beskrivning av nämnda referensdata, vilken matematisk beskrivning använder nämnda uppskattade moment som variabler i den matematiska beskrivningen på sådant sätt att anfallsvinkelns tippkomponent ot samt anfallsvinkelns girkomponent ß beräknas. att det uppskattade momentet bestäms utifrån mätning av elektrisk ström till aktuatoremas drivenhet. att det uppskattade momentet bestäms av mätning av på aktuatorema verkande vridmoment med momentgivare.

Uppfmningen avser därtill ett GNC-system för styrbar projektil, vilken projektil är styrbar och huvudsakligen eller delvis rollstabil och innefattar styrsystem samt minst två 10 15 20 25 30 35 535 253 aktuatorer med tillhörande styrdon där anfallsvinkel bestäms genom följande steg; bestämning av utställd kraft för styrning i tipp genom uppskattning av momentet på projektilens aktuatorer, bestämning av utställd kraft för styrning i gir genom uppskattning av momentet på proj ektilens aktuatorer, beräkning av anfallsvinkelns tippkomponent o och anfallsvinkelns girkomponent ß baserat på jäniförelse mellan de uppskattade momenten och referensdata för moment.

Enligt ytterligare aspekter för det förbättrade GNC-systemet för styrbar proj ektil enligt uppfinningen gäller; att referensdata för moment erhålls ur en uppslagstabell framtagen utifrån uppmätning av aerodynamiska egenskaper hos projektilen. att referensdata för moment erhålls ur en uppslagstabell framtagen från beräkning av aerodynamiska egenskaper hos proj ektilen. att jämförelse av det uppskattade momentet och referensdata för moment sker genom att de referensdata som ligger närmast det uppskattade momentet ger en skattning av anfallsvinkelns tippkomponent a samt anfallsvinkelns girkomponent ß utifrån nämnda referensdatas uppslagstabell. att jämförelse av det uppskattade momentet och referensdata för moment sker genom att nämnda referensdata är ett underlag för att skapa en matematisk beskrivning av nämnda referensdata, vilken matematisk beskrivning använder nämnda uppskattade moment som variabler i den matematiska beskrivningen på sådant sätt att anfallsvinkelns tippkomponent u samt anfallsvinkelns girkomponent ß beräknas. att det uppskattade momentet bestäms utifrån mätning av elektrisk ström till aktuatorernas drivenhet. att det uppskattade momentet bestäms av mätning av på aktuatorema verkande vridmoment med momentgivare.

FÖRDELAR OCH EFFEKTER MED UPPFINN INGEN 10 15 20 25 30 35 535 253 Utifrån föreslagen metod och föreslaget GNC-system kan projektilens anfallsvinkel skattas genom jämförelse med utställt moment på roder eller fenor med från vindtunnel uppmätta moment på roder eller fenor eller utifrån simuleringar beräknat moment på roder eller fenor. Projektilens anfallsvinkel kan tillsammans med uppmätt rollvinkelhastighet, exempelvis från ett rollgyro, användas för att beräkna rollvinkeln.

Roll-, tipp- och girvinkel tillsammans med en GPS-mottagare ger sensorinformation för ett komplett GNC-system varför bestämning av anfallsvinkel medför ett enklare GNC- system. F örenklingen jämfört med ett traditionellt GNC-system blir att enbart ett gyro används istället för tre gyron och tre accelerometrar.

FIGURFÖRTECKN ING Uppfmningen kommer i det följande att beskrivas närmare under hänvisning till de bifogade figurema där: Fig. l visar blockschema för metod för bestämning av anfallsvinkel enligt uppfinningen.

Fig. 2 visar en projektil med aktuatorer tillämpande metod för anfallsvinkelbestämning enligt uppfinningen.

DETALJERAD UTF ÖRANDEBESKRIVNIN G I Fig. l visas blockschema över metod för bestämning och beräkning av anfallsvinkel 1, där en regulator 2 utifrån en önskad referenssignal 8 styr en motor 4. Referenssignalen 8 utgörs av börvärdet till motorn. Motom kan även benämnas servo eller aktuator.

Referenssignalen 8 genereras från projektilens styrsystem. Motom 4 kan vara en linjärmotor men är företrädesvis en motor med roterande axel. Den uppmätta motorströmmen ll jämförs med signalen estimerad motorström 10 som kommer från beräkningsblocket estimering av motorström 3. Resultatet av skillnaden mellan uppmätt motorström 11 och estimerad motorström 10 resulterar i en strömdifferens 12 som blir indata till en modell över motoms ström/krafi-ftinktion 6. Utsignal 13 från motoms ström/kraft-finiktion är en signal vilken motsvarar skillnaden mellan motorströmmens ärvärde och motorströmmens börvärde. I blocket Aerodata 7 sker beräkning utifrån utsignal 13, som ger information om på motorn 4 utställda krafter, med referenssignalen 8, som ger information om förväntade utställda krafter. Utsignal 13 och referenssignal 8 tillsammans med referensdata resulterar i att anfallsvinkelns komponenter a 14 samt ß 15 kan bestämmas. Anfallsvinkeln består av u 14 som symboliserar anfallsvinkelns 10 15 20 25 30 35 535 253 tippkomponent samt ß 15 som symboliserar anfallsvinkelns girkomponent.

Anfallsvinkelns girkomponent ß kan även benämnas sidanblåsníngsvinkeln.

Bestämning av anfallsvinkelns komponenter a 14 samt ß 15 sker genom beräkning utifrån referenssignal 8 och utsignal 13, som jämförs med i vindtunnel uppmätt eller från simulering beräknad data vilken data lagrats i blocket Aerodata 7. Den information som skapats/uppmätts i vindtunnel eller beräknats kan utgöra en uppslagstabell (look-up table) eller utryokas i form av ett matematiskt uttryck eller på annat sätt representerat i blocket Aerodata 7.

I F ig. 2 visas figur över styrbar projektil 16 utförd med navigationssystem innefattande anfallsvinkelbestämning enligt uppfinningen. I figuren visas ett för projektilen kroppsfast koordinatsystem X, Y och Z, en hastighetsvektor Vsamt anfallsvinklama ot samt ß, där a symboliserar anfallsvinkelns tippkomponent samt ß symboliserar anfallsvinkelns girkomponent. Tippkomponenten för anfallsvinkeln är således förändringen i det plan som spärms upp av X-axeln och Z-axeln och gírkomponenten för anfallsvinkeln är förändringen i det plan som spänns upp av X-axeln och Y-axeln och där planet vinklats längs Y-axeln av vinkeln u.

Anfallsvinkeln uppmäts med eller skattas med den i projektilen innefattande metoden för beräkning av anfallsvinkel. Genom att skatta anfallsvinklama kan girvinkel (yaw) och tippvinkel (pitch) bestämmas. Rollvinkel (roll) kan bestämmas genom skattning av anfallsvinkeln tillsammans med ett gyro för rollvinkelhastighet. De olika attitydvinklama, rollvinkel (roll), girvinkel (yaw) och tippvinkel (pitch), tillsammans med aktuella koordinater från ett radiobaserat positioneringssystem ger ett komplett navigationssystem. Den radiobaserade positioneringsmottagaren, som kan vara en GPS- mottagare, en mottagare för radarinvisning eller annan radiobaserad positioneringsutrustning, är utförd för att mottaga positioneringsinfonnation och därmed även kunna beräkna hastighetsinforrnation.

Det i projektilen monterade GNC-systemet, där GNC står för Guidance, Navigation samt Control, mäter aktuella mätvärden från sensorer, beräknar och prognostiserar banan för att nå mot mål och styr och reglerar de reglerdon eller aktuatorer som projektilen är utrustad med. Styrsystemet (Control) styr och reglerar de krafter som styr projektilen, krafterna verkställs med exempelvis aktuatorer, motorer eller servon som i sin tur förflyttar eller på armat sätt påverkar fenor/roder, canardfenor eller andra styrdon för att styra projektilen utifrån den av Guidance-systemet beräknade vägen mot målet.

Styrsystemet ombesörjer även för att hålla proj ektilen stabil under dess bana från 10 15 20 25 30 35 535 253 utskjutningsanordning till mål. Således är projektilen utrustad med ett styrsystem, aktuatorer samt styrdon för att styra projektilen i projektilens bana mellan utskj utningsanordning och mål. Företrädesvis utgörs aktuatom, som förflyttar canarden/fenan, av en elektrisk motor. Den kraft som förflyttar canarden/fenan utgörs av ett från motorn verkande vridmoment. Det av den elektriska motom skapade vridmomentet är proportionellt mot den till motom matade elektriska strömmen. Genom att en matematisk modell skapas av den elektriska motom, exempelvis genom uppmätning i en testmiljö även kallad testbänk, kan en dynamisk modell skapas för estimering av vilket vridmoment en viss elektrisk ström genererar. Den dynamiska motormodellen beskriver en aktuators beteende innefattande egenskaper för exempelvis motor och växel.

Projektilens dynamiska förändring beroende på hur projektilens styrdon förändras kan uppmätas i en så kallad vindtunnel. Projektilen monteras vid uppmätning i vindtunneln på ett sådant sätt att ett verkligt skjuttillstånd efterliknas. Genom att med vindtunnelns sensorer avläsa projektilens förändring i respons till förändring av styrdon kan ett beskrivande underlag skapas där projektilens förändring utifrån styrdonens förändring beskrivs. Detta beskrivande underlag, även benämnt referensdata, används vid estimeringen av anfallsvinkeln då det på styrdonet uppmätta eller uppskattade momentet, utifrån på aktuatom drivande elektrisk ström, jämförs med det beskrivande underlaget. F örfarandet utförs på respektive styrdon och minst två aktuatorer och styrdon krävs. Placeringen på de i proj ektilen innefattande aktuatorema och styrdonen måste vara sådan att såväl anfallsvinkelns tippkomponent som anfallsvinkelns gírkomponent kan beräknas. Företrädesvis används fyra styrdon, med tillhörande aktuatorer, placerade jämnt fördelat, med 90 graders separation, runt projektilkroppen.

Projektilens dynamiska förändring beroende på hur projektilens styrdon förändras kan förutom att mätas i en vindtunnel även beräknas. Exempelvis kan beräkningen innefatta CFD beräkningar (Computational Fluid Dynamics) eller andra strömningsmekaniska beräkningar.

En altemativ utföringsform är att momentet på axeln till canarden/fenan mäts med en momentgivare där mätresultatet från nämnda mätgivare järnfórs med det i vindtunnel uppmätta beskrivande underlaget för bestämning av anfallsvinkel. Järnfórelsen mellan mätresultatet från momentgivaren och referensdata kan behövas omberäknas och konverteras för att mätdata ska motsvara referensdata. 10 15 20 536 253 Exempel på projektil med GNC-system tillämpande metod för bestämning av anfallsvinkel är en rollstabiliserad 155 mm artillerigranat försedd med fyra stycken aktuatorer och fyra styrdon i form av styrcanarder som är individuellt reglerbara. Vidare är projektilen utförd med GPS-mottagare och ett rollgyro för bestämning av rollvinkelhastighet och därmed rollvinkel.

ALTERNATIVA UTFÖRINGSFORMER Uppfinningen är inte begränsad till de speciellt visade utföringsfonnema utan kan varieras på olika sätt inom patentkravens ram.

Det inses exempelvis att antalet, storleken, materialet och formen av de i metoden för bestämning av anfallsvinkel och GNC-systemet ingående elementen och detaljema anpassas efter det eller de vapensystem och övriga konstruktionscgenskaper som för tillfället föreligger.

Det inses att ovan beskrivna metod för bestämning av anfallsvinkel kan tillämpas för i princip alla farkoster och system innefattande fartyg, flygplan, projektíler och missiler.

Därtill är metoden för anfallsvinkel tillämpar för exempelvis vindkraftverk och Vattenkraftverk för anpassning och eller bestämning av turbinens eller turbinbladets pitch-vinkel.

Claims (1)

1. 0 15 20 25 30 35 535 253 PATENTKRAV Metod för bestämning av anfallsvinkel för en projektil i projektilens bana från utskjutningsanordning till mål, vilken projektil är styrbar och huvudsakligen eller delvis rollstabil och innefattar styrsystem samt minst två aktuatorer med tillhörande styrdon kännetecknad av att följande steg innefattas; bestämning av utställd kraft för styming i tipp genom uppskattning av momentet på projektilens aktuatorer, bestämning av utställd kraft för styming i gir genom uppskattning av momentet på projektilens aktuatorer, beräkning av anfallsvinkelns tippkomponent u och anfallsvinkelns girkomponent ß baserat på jämförelse mellan de uppskattade momenten och referensdata för moment. Metod för bestämning av anfallsvinkel enligt krav 1 kännetecknad av att referensdata för moment erhålls ur en uppslagstabell framtagen utifrån uppmätning av aerodynamiska egenskaper hos projektilen. Metod för bestämning av anfallsvinkel enligt krav I kännetecknar! av att referensdata för moment erhålls ur en uppslagstabell framtagen från beräkning av aerodynamiska egenskaper hos projektilen. Metod för bestämning av anfallsvinkel enligt något av föregående krav kännetecknad av att jämförelse av det uppskattade momentet och referensdata för moment sker genom att de referensdata som ligger närmast det uppskattade momentet ger en skattning av anfallsvinkelns tippkomponent ot samt anfallsvinkelns girkomponent ß utifrån nämnda referensdatas uppslagstabell. Metod för bestämning av anfallsvinkel enligt något av föregående krav kännetecknad av att det uppskattade momentet bestäms utifrån mätning av elektrisk ström till aktuatorernas drivenhet. Metod för bestämning av anfallsvinkel enligt något av föregående krav kännetecknad av att det uppskattade momentet bestäms av mätning av på aktuatorerna verkande vridmoment med momentgivare. 10 15 20 25 30 10. ll. 12. 535 253 10 GNC-system för styrbar projektil, vilken projektil är styrbar och huvudsakligen eller delvis rollstabil och innefattar styrsystem samt minst två aktuatorer med tillhörande styrdon kännetecknad av att GNC-systemet innefattar; medel för bestämning av utställd kraft för styrning i tipp genom uppskattning av momentet på projektilens aktuatorer, medel för bestämning av utställd kraft för styming i gir genom uppskattning av momentet på projektilens aktuatorer, medel för beräkning av anfallsvinkelns tippkomponent ot och anfallsvinkelns girkomponent ß baserat på jämförelse mellan de uppskattade momenten och referensdata för moment. GNC-system för styrbar projektil enligt krav 7 kännetecknad av att referensdata för moment erhålls ur en uppslagstabell i GNC-systemet, där uppslagstabellen är framtagen utifrån uppmätning av aerodynamiska egenskaper hos projektilen. GNC-system för styrbar projektil enligt krav 7 kännetecknar! av att referensdata för moment erhålls ur en uppslagstabell i GNC-systemet, där uppslagstabellen är framtagen från beräkning av aerodynamiska egenskaper hos projektilen. GN C-system för styrbar projektil enligt något av krav 7-9 kännetecknad av att jämförelse av det uppskattade momentet och referensdata för moment sker i GNC-systemet genom att de referensdata som ligger närmast det uppskattade momentet ger en skattning av anfallsvinkelns tippkomponent u samt anfallsvinkelns girkomponent ß utifrån nämnda referensdatas uppslagstabell. GNC-system för styrbar projektil enligt något av krav 7-10 kännetecknad av att det uppskattade momentet bestäms i GNC-systemet utifrån mätning av elektrisk ström till aktuatorernas drivenhet. GNC-system för styrbar projektil enligt något av krav 7-1 1 kännetecknad av att det uppskattade momentet bestäms i GNC-systemet av mätning av på aktuatorema verkande vridmoment med momentgivare.