Использование функциональной избыточности блока чувствительных элементов бесплатформенного инерциального блока для повышения надежнос

Министерство образования  и науки Российской Федерации

ФГАОУ ВПО "Уральский федеральный университет

имени первого президента России Б.Н. Ельцина"

 

ИРИТ – РТФ

Кафедра информационных технологий

 

 

 

ДОПУСТИТЬ К ЗАЩИТЕ

Зав. кафедрой__Л.Г. Доросинский____

___________________________________

«______»_____________________20    г.

 

 

Использование функциональной избыточности

блока чувствительных элементов бесплатформенного

инерциального блока для повышения надежности и точности

 

Пояснительная записка

______23010000000006______

 

 

Руководитель:	Главный специалист тематического  подразделения  отдела 315 ФГУП "НПО автоматики имени академика Н.А. Семихатова"		С.Ю. Перепелкина
Нормоконтролер:	Доцент, кандидат технических наук		Г.М. Черногородова
Студент гр. Р-48021			Д.А. Кутовой

 

 

Екатеринбург 2012 г.

 

 

задание

 

 

РЕФЕРАТ

Пояснительная записка содержит 40 стр., 11 рис., 8 табл., 11 источников.

БЕСПЛАТФОРМЕННЫЙ ИНЕРЦИАЛЬНЫЙ БЛОК, БЛОК ДАТЧИКОВ УГЛОВОЙ СКОРОСТИ, БЛОК ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ, ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ГИРОСКОП, ДИНАМИЧЕСКИ НАСТРАИВАЕМЫЙ ГИРОСКОП, ИЗБЫТОЧНОСТЬ, ОДНА ВОЗМОЖНАЯ НЕИСПРАВНОСТЬ, ОСЬ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ, ПРИБОРНАЯ СИСТЕМА КООРДИНАТ, СВЯЗАННАЯ СИСТЕМА КООРДИНАТ.

Объектом исследования являются два технологических образца бесплатформенных инерциальных блоков (БИБ) разработки филиала ФГУП "Центр эксплуатации наземной космической инфраструктуры" "НИИ прикладной механики им. академика В.И. Кузнецова", г. Москва, – прибор КИНД34-059 с реализацией блока чувствительных элементов (БЧЭ) на базе четырех волоконно-оптических гироскопов (ВОГ) и четырех маятниковых акселерометров (МА), и прибор КИНД34-057 с реализацией БЧЭ на базе трех двухосных динамически настраиваемых гироскопов (ДНГ) и четырех МА.

Целью выпускной квалификационной работы является исследование путей повышения надежности и точности при использовании функционально избыточной системы БЧЭ БИБ.

В результате работы были оценены  БЧЭ этих приборов на возможность алгоритмического парирования одной возможной неисправности (ОВН). Даны рекомендации по добавлению избыточных ЧЭ и изменению ориентации ЧЭ для повышения надежности приборов. Кроме того доказано повышение точности оценки модуля вектора ускорения прибором КИНД34-057, использующим функциональную избыточность ЧЭ в части измерителей вектора скорости (ускорения), над неизбыточной системой.

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 6

1  КИНЕМАТИЧЕСКАЯ  СХЕМА ПРИБОРОВ БИБ-ВОГ И БИБ-ДНГ 8

2  ОПИСАНИЕ  МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ ИЗБЫТОЧНОЙ  СИСТЕМЫ НА ПРЕДМЕТ ОБЕСПЕЧЕНИЯ  ОДНОЙ ВОЗМОЖНОЙ НЕИСПРАВНОСТИ 10

3  ИССЛЕДОВАНИЕ  ФУНКЦИОНАЛЬНО ИЗБЫТОЧНЫХ СИСТЕМ 12

3.1  Системы  приборов БИБ-ВОГ и БИБ-ДНГ,  состоящие из четырех ЧЭ 12

3.1.1  ВОГ₁, ВОГ₂, ВОГ₃, ВОГ₄ прибора БИБ-ВОГ 13

3.1.2  МА₁, МА₂, МА₃, МА₄ прибора БИБ-ВОГ 17

3.1.3  МА₁, МА₂, МА₃, МА₄ прибора БИБ-ДНГ 19

3.2  Система, построенная на базе пяти одноосных однотипных ЧЭ 20

Выводы по разделу 24

4  ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРНО ИЗБЫТОЧНОЙ СИСТЕМЫ, ОБРАЗОВАННОЙ ТРЕМЯ ДВУХОСНЫМИ ДУС ПРИБОРА БИБ-ДНГ 25

5  ОБРАБОТКА  ИЗБЫТОЧНОЙ ИНФОРМАЦИИ 30

5.1  Описание методики исследования повышения точности 30

5.2  Определение систематических погрешностей МА прибора БИБ-ДНГ 34

5.2.1  Погрешность масштабного коэффициента МА 34

5.2.2  Погрешность смещения нуля МА 

5.3 Оценка измерения модуля вектора кажущегося ускорения 37

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 43

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 45

 

 

Определения, обозначения и сокращения

 

В пояснительной записке  используются следующие определения, обозначения и сокращения:

 

БДУС	- блок датчиков угловой  скорости
БИБ	- бесплатформенный инерциальный  блок
БИНС	- бесплатформенная инерциальная  навигационная система
БЧЭ	- блок чувствительных  элементов
ВОГ	- волоконно-оптический гироскоп
ГОСТ	- государственный отраслевой  стандарт
ГСК	- географическая система  координат
ДВН	- две возможные неисправности
ДНГ	- динамически настраиваемый  гироскоп
ЛА	- летательный аппарат
ЛАИ	- лаборатория автономных  испытаний
МА	- маятниковый акселерометр
МНК	- метод наименьших квадратов
НИИ	- научно-исследовательский  институт
НПО	- научно-производственное  объединение
ОВН	- одна возможная неисправность
ОЧ	- ось чувствительности
ПСК	- приборная система координат
ССК	- связанная система координат
ФГУП	- федеральное государственное  унитарное предприятие
ЧЭ	- чувствительный элемент

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Как известно [1], вектор состояния  летательного аппарата (ЛА) является шестикомпонентным  – три его компоненты характеризуют  вектор скорости (ускорения) движения центра масс, и три компоненты –  угловое движение (угловую ориентацию) вокруг цента масс ЛА. Данное обстоятельство предполагает минимально необходимое (неизбыточное) количество измерителей векторных величин в системе инерциальной навигации n = 3 + 3 = 6, складывающееся из трех акселерометров и трех измерителей параметров ориентации (гироскопов) при условии, что каждая компонента из этих троек не лежит в одной плоскости с двумя другими компонентами (условие некомпланарности). Этой информации, наряду с априорными сведениями о гравитационном поле и начальных условиях движения, достаточно для последующего вычисления на борту движущегося объекта навигационных параметров (координат, скорости и т.д.) и параметров, характеризующих ориентацию.

Информационно-измерительные  системы, в которых количество измерителей превышает минимально необходимое, называют [2] избыточными. Применение различных видов избыточности вызвано необходимостью повышения уровня надежности системы и устранения отказов в процессе эксплуатации.

Одним из видов избыточности является функциональная избыточность, не связанная непосредственно с каким-либо измерительным базисом. При этом все n неизбыточных векторов ориентируются таким образом, что единичные векторы неколлинеарны, и отсутствуют компланарные векторы, т.е. все векторы линейно независимы, и, следовательно, из любых измерителей может быть образован неизбыточный векторный измеритель.

Другим видом избыточности является структурная избыточность (резервирование), характеризующаяся резервированием измерителей в пределах одного измерительного базиса (одинаковая ориентация измерителей) или резервированием измерительных базисов.

Под аналитическим парированием одной возможной неисправности (ОВН) (принцип ОВН) в избыточной системе будем понимать возможность однозначного выделения из совокупности показаний избыточного количества измерителей одного некорректного показания, вызванного неисправностью соответствующего измерителя.

Исправно работающие измерители при их избыточности обеспечивают также  и избыточное количество измерений  одной и той же измеряемой величины, что, в свою очередь, должно обеспечивать большую точность измерений по сравнению с неизбыточным количеством измерителей [3].

В качестве объектов исследования избыточной системы для повышения  надежности и точности измерений  в настоящей выпускной квалификационной работе рассмотрены два типа бесплатформенных инерциальных блоков (БИБ) разработки филиала ФГУП "ЦЭНКИ" "НИИ прикладной механики им. академика В.И. Кузнецова", г. Москва (далее – "НИИ ПМ"):

- технологический образец  прибора КИНД34-059, зав. №09368, с реализацией блока датчиков угловой скорости (БДУС) на базе четырех волоконно-оптических гироскопов (ВОГ) и четырех маятниковых акселерометров (МА) (далее – БИБ-ВОГ);

- технологический образец  прибора КИНД34-057, зав. №09996, с реализацией БДУС на базе трех двухосных динамически настраиваемых гироскопов (ДНГ) и четырех МА (далее – БИБ-ДНГ).

 

 

 

1 КИНЕМАТИЧЕСКАЯ СХЕМА ПРИБОРОВ БИБ-ВОГ И БИБ-ДНГ

 

На рисунке 1а приведена  кинематическая схема прибора БИБ-ВОГ  [4], согласно которой оси чувствительности (ОЧ) трех ВОГ (X_В1, X_В2, X_В3) соосны соответствующим ОЧ трех МА (X_А1, X_А2, X_А3), а ОЧ 4-го ВОГ X_В4 совпадает с осью (-ОX_П) прямоугольной приборной системы координат (ПСК) ОX_ПY_ПZ_П, маркированной на корпусе прибора, ОЧ 4-го МА X_А4 – с осью ОX_П. Проекция ОЧ X_В1 на плоскость ОY_ПZ_П совпадает с осью (-ОZ_П), проекции ОЧ X_В2, X_В3 отклонены от оси (-ОZ_П) на (-120°) и 120° соответственно. Проекции ОЧ X_В1, X_В2, X_В3 на плоскость ОX_ПZ_П отклонены относительно плоскости ОY_ПZ_П на угол 20° в сторону положительного направления оси ОX_П.

На рисунке 1б приведена  кинематическая схема прибора БИБ-ДНГ [5], согласно которой ОЧ БДУС X_i, Y_i, i = 1, 2, 3, направлены вдоль осей ПСК ОX_ПY_ПZ_П, ОЧ блока МА А₁, А₃ лежат в плоскости ОX_ПY_П, ОЧ А₂, А₄ – в плоскости ОX_ПZ_П и направлены под углом j = 45° к оси ОX_П.

1а – БИБ-ВОГ	1б – БИБ-ДНГ
Рисунок 1 – Кинематическая схема

Исходя из введенных выше определений функционально и структурно избыточных систем, применительно к рассматриваемым образцам приборов БИБ имеем

- три функционально избыточные системы, образованные четверкой одноосных однотипных измерителей (ВОГ₁, ВОГ₂, ВОГ₃, ВОГ₄ прибора БИБ-ВОГ и МА₁, МА₂, МА₃, МА₄ приборов БИБ-ВОГ и БИБ-ДНГ);

- одну структурно избыточную систему, образованную тремя двухосными однотипными измерителями ДНГ₁, ДНГ₂, ДНГ₃ прибора БИБ-ДНГ.

 

 

 

2 ОПИСАНИЕ МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ ИЗБЫТОЧНОЙ СИСТЕМЫ НА ПРЕДМЕТ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ОДНОЙ ВОЗМОЖНОЙ НЕИСПРАВНОСТИ

 

Тестирование системы ЧЭ на предмет обеспечения принципа ОВН в условиях наличия избыточного количества измерителей осуществлялось следующим образом. Предполагалось, что какой-либо один измеритель из рассматриваемой совокупности измерителей неисправен, при этом его неисправность проявляется как наличие ненулевой составляющей на его выходе при отсутствии сигнала на входе (для удобства дальнейших выкладок ненулевая составляющая приравнивалась к "1"). Далее из всей совокупности измерителей формировались все возможные "рабочие" тройки, образующиеся тремя ОЧ, не лежащими в одной плоскости, и, следовательно, показания которых однозначно характеризуют измеряемый вектор с точностью до погрешностей измерения и погрешностей углов выставки ОЧ. Затем показания всех "рабочих" троек переводились из связанной с ОЧ системы координат (ССК) в ПСК и исследовались на предмет выработки критерия по выделению неисправного измерителя с целью отбраковки его показаний. Принцип ОВН считался обеспеченным, если по совокупности показаний избыточного количества измерителей однозначно выявлялся измеритель, заданный в качестве неисправного.

Данная методика была апробирована на технологических образцах приборов БИБ-ВОГ и БИБ-ДНГ применительно к обоим заложенным видам избыточности (функциональной и структурной), а также исследована на примере теоретически построенной системы с количеством одноосных однотипных ЧЭ, увеличенным до пяти.

Все расчеты и обработка  данных проводились в программном  редакторе для работы с электронными таблицами Microsoft Office Excel 2007 [6]. Графические интерпретации геометрических фигур, представленные в данной работе, построены с использованием системы автоматического проектирования AutoCAD 2009 [7].

 

 

 

3  ИССЛЕДОВАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНО ИЗБЫТОЧНЫХ СИСТЕМ

3.1  Системы приборов  БИБ-ВОГ и БИБ-ДНГ, состоящие  из четырех ЧЭ

Для исследуемых технологических  образов приборов БИБ-ВОГ и БИБ-ДНГ  рассмотрим все возможные функционально  избыточные системы, каждая из которых  образована соответствующей четверкой  одноосных однотипных измерителей: ВОГ₁, ВОГ₂, ВОГ₃, ВОГ₄ прибора БИБ-ВОГ и МА₁, МА₂, МА₃, МА₄ приборов БИБ-ВОГ и БИБ-ДНГ.

В условиях последовательно  назначаемого неисправным 1-го, 2-го, 3-го и 4-го измерителя имеем следующий  набор показаний при измерении  нулевого вектора: (1, 0, 0, 0) – при 1-м  неисправном измерителе, (0, 1, 0, 0) –  при 2-м неисправном измерителе, (0, 0, 1, 0) – при 3-м неисправном измерителе, (0, 0, 0, 1) – при 4-м неисправном измерителе.

С учетом того, что любые  три из рассматриваемых измерителей не лежат в одной плоскости, набор "рабочих" троек совпадает со всевозможными сочетаниями из четырех элементов по три и выглядит следующим образом: "1-2-3", "2-3-4", "3-4-1" и "1-2-4".

 

 

 

3.1.1  ВОГ₁, ВОГ₂, ВОГ₃, ВОГ₄ прибора БИБ-ВОГ

Для БДУС прибора БИБ-ВОГ  матрица перехода от ПСК к ССК, связанной с ОЧ ВОГ₁, ВОГ₂, ВОГ₃, ВОГ₄ в их номинальном (расчетном) положении, при котором ОЧ ВОГ₁, ВОГ₂, ВОГ₃ размещены по образующим кругового конуса с углом при вершине осевого сечения (угол раствора конуса), равным (180° – 20° – 20° = 140°), ОЧ ВОГ₄ – вдоль оси конуса (см. рисунок 1а), выглядит следующим образом [9]:

.

(3.1)

Тогда показания с ОЧ ВОГ в проекциях на оси ПСК можно записать как:

,

(3.2)

где – вектор измерений в ПСК ОX_ПY_ПZ_П;