RU2629922C1 - Method of two-channel attitude control of objects with six degrees of freedom of spatial motion - Google Patents

Abstract

FIELD: tool engineering.

SUBSTANCE: two-channel guidance principle is proposed, based on the formation of measuring signals using only one spherical gyroscope in the form of three polyorthogonal sine-cosine signals that in their informative characteristics and parameters carry information about the values and signs of angular positions both in an orthonormal rectangular Cartesian coordinate system, and in a single spherical one, related to the object of a relatively fixed coordinate system representing the outer space. From these signals the equatorial and azimuth angular positions of the object are determined, its deviations and deviation signs from specified values are determined, and control signals proportional to the deviations of the equatorial and azimuth angles are formed along the two channels and fed them to the reverse steering elements of the first and second channels, force moment of the handle bars which are located in the equatorial and azimuth planes, and the direction of rotation corresponds to the signs of deviations.

EFFECT: reducing the costs of technical equipment on-board equipment, reducing the weight and size and costs of objects.

3 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области техники систем управления ориентацией полностью свободных в пространстве объектов с шестью степенями свободы для осуществления их стабилизации, регулирования угловых положений и параметров движения, следящего регулирования, автоматического пилотирования, навигации, самонаведения, и касается способа двухканального автономного, т.е. без привлечения наземных средств, управления ориентацией шестистепенных объектов в инерциальном, псевдоинерциальном и неинерциальном пространстве.The present invention relates to the field of technology of orientation control systems for objects that are completely free in space with six degrees of freedom for their stabilization, regulation of angular positions and motion parameters, tracking control, automatic piloting, navigation, homing, and relates to a two-channel autonomous method, i.e. without involving ground-based means, controlling the orientation of six-degree objects in an inertial, pseudo-inertial or non-inertial space.

Предложенное техническое решение (TP) может быть использовано в летательных аппаратах (ЛА) любого типа и назначения, в том числе космических ЛА (КЛА), в управляемых ракетах, снарядах, торпедах, боевых элементах, в том числе в их системах самонаведения, в системах подводной, воздушной и космической навигации.The proposed technical solution (TP) can be used in aircraft of any type and purpose, including spacecraft (KLA), in guided missiles, shells, torpedoes, combat elements, including in their homing systems, in systems underwater, air and space navigation.

Для осуществления любого вида автоматического управления и регулирования, в том числе обозначенными объектами управления, прежде всего необходимо собрать информацию о текущих значениях управляемых координат объекта, для чего служат первичные измерительные преобразователи (датчики), а затем выработать и осуществить с заданными целями управляющие воздействия, для этого служат формирователи сигнала управления (ФСУ) и исполнительные рулевые органы, руль-машинки (РМ) и рули.To implement any type of automatic control and regulation, including the designated control objects, first of all, it is necessary to collect information about the current values of the controlled coordinates of the object, for which primary measuring transducers (sensors) are used, and then develop and implement control actions for the given purposes, for This is served by control signal shapers (FSU) and executive steering bodies, steering-machines (RM) and rudders.

Количество управляемых и управляющих координат, как правило, задает и число каналов управления. Для объектов пространственного движения существует понятие числа степеней свободы. Как известно из теоретической механики твердых тел, числом степеней свободы называется число независимых возможных вращательных и/или поступательных перемещений объекта. Таким образом, полностью свободный в пространстве объект имеет шесть степеней свободы.The number of controlled and control coordinates, as a rule, determines the number of control channels. For objects of spatial motion, there is the concept of the number of degrees of freedom. As is known from the theoretical mechanics of solids, the number of degrees of freedom is the number of independent possible rotational and / or translational movements of an object. Thus, an object that is completely free in space has six degrees of freedom.

Прежде чем освещать уровень обозначеной области техники, сначала кратко обратимся к ее теоретическим основам, используемому математическому аппарату, и сравним с теоретическими обоснованиями предложенного ТР.Before highlighting the level of the designated field of technology, we first briefly turn to its theoretical foundations, the mathematical apparatus used, and compare with the theoretical justifications of the proposed TR.

Исторически сложилось, что для отсчета положений объекта по всем степеням свободы при создании механики твердых тел, т.е. статики, кинематики и динамики приложили руку в основном чистые математики. Для этого они использовали однородные системы координат в виде трех прямоугольных декартовых систем координат (далее - ПДСК), (см., например, (1),стр. 86, (10), стр. 214, 215). А именно неподвижной ПДСК, представляющей внешнее пространство, поступательно движущейся вместе с объектом ПДСК, оси которой параллельны осям неподвижной ПДСК, и ПДСК, жестко связанной с объектом.Historically, to count the positions of an object in all degrees of freedom when creating mechanics of solids, i.e. statics, kinematics, and speakers had a hand in mostly pure mathematicians. To do this, they used homogeneous coordinate systems in the form of three rectangular Cartesian coordinate systems (hereinafter referred to as the MPCS), (see, for example, (1), p. 86, (10), p. 214, 215). Namely, a stationary PDSK, representing external space, progressively moving together with an object PDSK, the axes of which are parallel to the axes of a fixed PDSK, and PDSK, rigidly connected with the object.

Однако известно, что ПДСК есть чистая абстракция, созданная для расчетов в придуманном идеальном инерционном пространстве, что не соответствует природе движений и топологии реального физического пространства, где все тела и поля находятся в движении, отличном от прямолинейного поступательного (2, стр. 20). Даже свет распространяется не чисто по прямой, а курсирует вокруг нее зигзагом. По мнению автора, это обусловлено тем, что природа стремится к устойчивым, равновесным состояниям и симметрии, что обеспечивается при вращательных движениях, при которых объединяются многие разнородные силы, и тогда не только твердые тела, а даже жидкие и газовые образования приобретают свойства своего рода гироскопов.However, it is known that PDSK is a pure abstraction, created for calculations in an invented ideal inertial space, which does not correspond to the nature of motions and the topology of real physical space, where all bodies and fields are in motion different from linear translational (2, p. 20). Even the light does not spread purely in a straight line, but runs around it in a zigzag pattern. According to the author, this is due to the fact that nature tends to stable, equilibrium states and symmetry, which is ensured by rotational movements, in which many heterogeneous forces are combined, and then not only solids, but even liquid and gas formations acquire the properties of a kind of gyroscopes .

И плодовитый Л. Эйлер применил однородные ПДСК для определения углов, которые характеризуют необходимо и достаточно ориентацию подвижной ПДСК относительно неподвижной, если они имеют общее начало координат. Математическое сообщество назвало эти углы его именем, хотя в ходу и другие названия, как углы собственного (чистого) вращения, прецессии и нутации. И по настоящее время кинематический анализ, расчеты движения кинематических пар, узлов и механизмов, а также движущихся объектов с различным числом степеней свободы производятся преимущественно с использованием ПДСК и Эйлеровых углов. Хотя такой подход не всегда оптимален и усложняет расчетные соотношения. Для решения многих задач механики более приемлемо использование криволинейных систем координат, например, цилиндрических, сферических тороидальных. Тем более, что алгоритм Эйлера последовательный (3, стр. 643), поэтому сложный. Дело в том, что Эйлер не учел и не использовал, что при расхождении ориентации ПДСК образуется не одна линия узлов (ЛУ) между плоскостями OXY и OX'Y', a три между всеми тремя координатными плоскостями.And the prolific L. Euler applied homogeneous PDSKs to determine the angles that characterize the necessary and sufficient orientation of the movable PDSK relative to the fixed if they have a common origin. The mathematical community called these angles by its name, although other names are also in use, as the angles of its own (pure) rotation, precession and nutation. And to date, kinematic analysis, calculations of the motion of kinematic pairs, nodes and mechanisms, as well as moving objects with a different number of degrees of freedom, are carried out mainly using PDSK and Euler angles. Although this approach is not always optimal and complicates the calculated ratios. To solve many problems of mechanics, it is more acceptable to use curvilinear coordinate systems, for example, cylindrical, spherical toroidal. Moreover, the Euler algorithm is sequential (3, p. 643), therefore, complicated. The fact is that Euler did not take into account and did not use that with a divergence of the PDSK orientation, more than one line of nodes (LN) is formed between the OXY and OX'Y 'planes, but three between all three coordinate planes.

Мной разработан другой математический аппарат на основе сочетания неоднородных систем координат, представленных единичной сферической (далее ССК), и ПДСК, ограниченной единичной сферой ССК, имеющих общее начало. Такое представление связанной с объектом и неподвижной СК обеспечивает универсальность, так как становится возможным определять углы ориентации как в ПДСК, так и в ССК, причем по более выгодным параллельным алгоритмам. В единичной ССК ориентацию подвижной системы координат относительно неподвижной можно определить всего по двум параметрам, азимутальному ϕ и зенитному θ углам (в географической СК эти углы называют широтой и долготой). Начальный отсчет можно задавать как от полуплоскости ϕ=const, проходящей через ось OX, так и проходящей через линию визирования "ракета - цель", что более приемлемо для трехмерных систем самонаведения.I have developed another mathematical apparatus based on a combination of heterogeneous coordinate systems represented by a unit spherical (hereinafter referred to as SSK), and PDSK limited by a unit sphere of SSK having a common origin. Such a representation of an object connected with an immovable SC provides universality, since it becomes possible to determine orientation angles both in the PDSK and in the SSC, moreover, according to more advantageous parallel algorithms. In a single SSC, the orientation of the moving coordinate system with respect to the fixed one can be determined by only two parameters, azimuthal ϕ and zenith θ angles (in geographic SK these angles are called latitude and longitude). The initial reference can be set both from the half-plane ϕ = const passing through the OX axis and passing through the missile-target line of sight, which is more acceptable for three-dimensional homing systems.

В ССК координатные поверхности есть плоскость ϕ=const, конусы θ=const и сферы r=const. В нашем случае r=1, поэтому координатные плоскости OXY, OXZ, OYZ и все азимутальные ограничены единичными тригонометрическими окружностями, что также упрощает вычисления, так как все тригонометрические функции sin, cos, tg, ctg, sec, cosec определены в единичной окружности, в которой против часовой стрелки вращается орт с угловой скоростью w, а синусно-косинусные функции - как проекции этого орта на оси абсцисс и ординат.In SSC, the coordinate surfaces are the plane ϕ = const, the cones θ = const, and the spheres r = const. In our case, r = 1, therefore, the coordinate planes OXY, OXZ, OYZ and all azimuthal planes are bounded by unit trigonometric circles, which also simplifies the calculations, since all the trigonometric functions sin, cos, tg, ctg, sec, cosec are defined in the unit circle, in which the unit vector rotates counterclockwise with an angular velocity w, and the sine-cosine functions are like projections of this unit vector on the abscissa and ordinates.

Для аналитического представления изложенного геометрического мной использована система трех полиортогональных (по трем переменным) синусно-косинусных функций. Переменные w_xt, w_yt, w_zt, где t - время, ω - угловая скорость вращения орта. Попарно эти функции биортогональны по двум переменным. При этом формулы перехода в ПДСК упрощаются: х=cosϕ sinθ, γ=sinθ cosϕ, z=cosθ, и обратно

,

. Практическая реализация изложенного, см. (5).For the analytical presentation of the geometric presented above, I used a system of three polyorthogonal (in three variables) sine-cosine functions. Variables w _x t, w _y t, w _z t, where t is time, ω is the angular velocity of rotation of the unit vector. In pairs, these functions are biorthogonal in two variables. In this case, the transition formulas in the PDSK are simplified: x = cosϕ sinθ, γ = sinθ cosϕ, z = cosθ, and vice versa

,

. A practical implementation of the above, see (5).

Широко известен и описан в многочисленных источниках (6, 7, 8, 9) способ управления 6-степенным объектом типа самолет, по которому самолет управляется аэродинамическими силами и моментами по трем каналам: по курсу и тангажу от горизонтальных и вертикальных рулей, а по крену от элеронов (например, патент РФ 2036273). Широко известный способ имеет то же назначение, однако он трехканальный, то есть отличается по технической сущности, поэтому может быть принят в качестве аналога лишь условно.Widely known and described in numerous sources (6, 7, 8, 9) is a way to control a 6-degree object such as an airplane, through which the airplane is controlled by aerodynamic forces and moments through three channels: along the course and pitch from horizontal and vertical rudders, and along the roll from ailerons (for example, RF patent 2036273). The widely known method has the same purpose, but it is three-channel, that is, differs in technical essence, therefore, it can only be adopted as an analogue conditionally.

Широко известны и описаны в литературе способы управления 6-степенными объектами типа невращающихся ракет (10, 11, 12, 13). Управление ориентацией ракет также производится по трем каналам, в пределах атмосферы в основном аэродинамическими рулями, а вне ее - газодинамическими или струйными. Способ управления ориентацией ракет также можно принять в качестве аналога лишь условно.The methods for controlling 6-power objects such as non-rotating rockets are widely known and described in the literature (10, 11, 12, 13). The orientation of the missiles is also controlled through three channels, within the atmosphere mainly by aerodynamic rudders, and outside it by gas-dynamic or jet. The method of controlling the orientation of the missiles can also be taken as an analogue only conditionally.

Известны 6-степенные объекты КЛА. Системы ориентации КЛА также содержат 3 датчика и не менее трех рулевых органов и трех рулей с отбросом массы, либо путем изменения кинетического момента внутренних частей КЛА (маховиковые и жидкостные регуляторы ориентации). Например, в многоканальной системе ориентации КЛА под названием "Импульсный контроллер" (14) для придания вращения объекту вокруг трех осей в трех взаимно перпендикулярных плоскостях установлено множество трубопроводных контуров циркуляции жидкой среды вокруг центра масс аппарата. В контроллер поступают значения отклонений координат от заданной ориентации, программа определяет импульсы кинетических моментов жидкой среды, необходимые для восстановления ориентации, затем внешним насосом жидкая среда нагнетается в контуры и циркулирует в них, в результате чего КЛА испытывает угловые ускорения, пока КЛА не восстановит заданную ориентацию в звездном пространстве. Таким образом, способ, реализованный в патенте США (14) многоканальный, и не может быть принят в качестве аналога.Known 6-power objects KLA. The KLA orientation systems also contain 3 sensors and at least three steering elements and three rudders with rejection of the mass, or by changing the kinetic moment of the inner parts of the KLA (flywheel and liquid orientation regulators). For example, in a multi-channel spacecraft orientation system called the “Pulse controller” (14), to give rotation to an object around three axes in three mutually perpendicular planes, many pipelines for circulating liquid medium around the center of mass of the apparatus are installed. The controller receives the values of the deviations of the coordinates from the given orientation, the program determines the momentum kinetic moments of the liquid medium necessary to restore the orientation, then the external medium is pumped into the circuits and circulated into them, as a result of which the spacecraft undergoes angular accelerations until the spacecraft regains the specified orientation in starry space. Thus, the method implemented in US patent (14) is multi-channel, and cannot be accepted as an analogue.

Известны 6-степенные объекты - подводные лодки, и другие пилотируемые и беспилотные подводные аппараты. Их системы управления также многоканальные, например, система навигации подлодок разработки НПО "Азимут" содержат 10-12 чувствительных гироскопов, каждый из которых измеряет только один параметр положения и движения. Способы управления ориентацией подлодок также не могут быть приняты в качестве аналогов.6-power objects are known - submarines, and other manned and unmanned underwater vehicles. Their control systems are also multi-channel, for example, the navigation system of submarines developed by the Azimut Scientific and Production Association contain 10-12 sensitive gyroscopes, each of which measures only one position and motion parameter. Methods for controlling the orientation of submarines also cannot be accepted as analogues.

Более близкими по технической сущности (но не по назначению) к предлагаемому TP являются принципы определения координат воздушной цели, и одноканального управления 5- степенными объектами одноканальными вращающимися зенитными ракетами (ВЗУР) комплексов ПЗРК "Стрела". "Игла", "Верба" (СССР. РФ). "Стингеры" технологий POST и RST. "Мистраль" (Франция). (15, 16, 17). (Уточняю назначение, ВЗУР объекты 5-степенные, так как по крену они стабилизируются вращением).Closer in technical essence (but not intended) to the proposed TP are the principles for determining the coordinates of an air target, and for single-channel control of 5-power objects by single-channel rotating anti-aircraft missiles (ASGMs) of the Strela MANPADS systems. "Needle", "Willow" (USSR. RF). "Stingers" of POST and RST technologies. Mistral (France). (15, 16, 17). (I’ll clarify the purpose, WGDT objects are 5-degree, since they are stabilized by roll over the roll).

Принцип управления ВЗУР двухцелевой, малый контур отслеживает линию визирования "ракета - воздушная цель", а большой контур наведения формирует одноканальный сигнал управления, и управляющую силу в режиме вращения, модуль вектора которой пропорционален угловой скорости вращения линии визирования, а фаза соответствует плоскости, в которой вращается линия визирования, сдвинутой на упреждение в точку встречи ракеты с целью (метод пропорционального наведения). Таким образом, двумя компонентами вектора управляющей силы (модулем и фазой, если использовать полярную СК, компонентами вектора по курсу и тангажу, если использовать декартову СК) автопилот ВЗУР формирует один СУ, который подается на РМ, а рули управляют двумя компонентами управляющей силы по одному каналу (подробнее см. (15). Теория одноканальных вращающихся управляемых ракет разработана в ВВИА им. Жуковского группой ученых и инженеров, которую возглавлял генерал авиации, доктор наук, профессор А.А. Красовский. The VZUR control principle is dual-purpose, the small contour tracks the missile-air target line of sight, and the large guidance contour generates a single-channel control signal, and the control force in rotation mode, the vector module of which is proportional to the angular velocity of the line of sight, and the phase corresponds to the plane in which the line of sight is rotated, shifted by lead to the point where the missile meets the target (proportional guidance method). Thus, with the two components of the control force vector (module and phase, if you use the polar SK, the components of the vector along the course and pitch, if you use the Cartesian SC), the autopilot WZUR forms one CS, which is fed to the RM, and the rudders control the two components of the control force one at a time channel (for more details see (15). The theory of single-channel rotating guided missiles was developed at the Zhukovsky VVIA by a group of scientists and engineers headed by an aviation general, doctor of sciences, professor A.A. Krasovsky.

Таким образом, способ одноканального управления вращающимися ракетами является более близким по технической сущности. Но объект другой, с 5-ю степенями свободы положений и движений в пространстве, поэтому может быть принят за прототип лишь условно.Thus, the method of single-channel control of rotating missiles is closer in technical essence. But the object is different, with 5 degrees of freedom of positions and movements in space, therefore, it can only be taken as a prototype conditionally.

Основываясь на вышеизложенном, выбираем в качестве прототипа обобщенный на базе известных способ, основанный на на формировании измерительных сигналов углов ориентации объекта, определении углов, сравнении измеренных углов и заданных исходя из траектории и режим полета, формировании сигналов управления по каналам, пропорциональных рассогласованиям измеренных и заданных углов ориентации объекта, и подач ей этих сигналов на рулевые органы каждого канала.Based on the foregoing, we choose as a prototype a generalized method based on well-known methods, based on the formation of measuring signals of the object’s orientation angles, determining angles, comparing the measured angles and set based on the trajectory and flight mode, forming control signals along the channels proportional to the mismatches of the measured and set angles of orientation of the object, and the filing of these signals to the steering organs of each channel.

Целями изобретения являются упрощения управления ориентацией 6-степенных объектов за счет сокращения числа каналов управления до двух, числа измерительных преобразований до одного (реализуется только одним сферическим гироскопом нового, неизвестного ранее типа) для того, чтобы при реализации способа уменьшить затраты технических средств, уменьшить массогабариты и стоимость объектов.The objectives of the invention are to simplify the orientation control of 6-degree objects by reducing the number of control channels to two, the number of measurement transformations to one (implemented only by one spherical gyroscope of a new, previously unknown type) in order to reduce the cost of technical equipment and reduce the weight and the value of the facilities.

Указанные цели в способе управления ориентацией объектов с шестью степенями свободы, заключающемся в формировании измерительных сигналов угловых положений объекта с помощью чувствительных механических гироскопов, сравнении измеренных значений угловых положений с углами, заданными траекторией и режимом полета, формировании при наличии отклонений (рассогласований) значений этих углов сигналов управления в каждом канале управляемых координат объекта, формировании управляющих воздействий в каждом канале подачей сигналов управления на рулевые органы, отличающемся тем, что формируют измерительные сигналы в виде системы трех полиортогональных синусно-косинусных сигналов с помощью одного сферического гироскопа путем вращения намагниченного перпендикулярно своей оси вращения сферического ротора-магнита внутри, или снаружи сферического статора с расположенными на нем взаимно перпендикулярно тремя сферическими соленоидами, выделяют из этих сигналов азимутальный и зенитный угловые положения объекта в единичной ССК, сравнивают с заданными полетным заданием, определяя рассогласования и знаки рассогласований, формируют в двух каналах сигналы управления соответствующего знака и пропорциональные рассогласованиям, и подают на пары реверсивных руль-машинок первого и второго канала, рули которых устанавливают снаружи объекта таким образом, чтобы их векторы тяги были направлены противоположно и по касательным к экваториальной координатной плоскости ССК в первом канале, а во втором по касательной к азимутальной координатной плоскости ССК, связанной с объектом.These goals in the method of controlling the orientation of objects with six degrees of freedom, which consists in the formation of measuring signals of the angular positions of the object using sensitive mechanical gyroscopes, comparing the measured values of the angular positions with the angles given by the path and flight mode, and forming, in the presence of deviations (inconsistencies), the values of these angles control signals in each channel of the controlled coordinates of the object, the formation of control actions in each channel by supplying control signals n and steering organs, characterized in that they form measuring signals in the form of a system of three polyorthogonal sine-cosine signals using a single spherical gyroscope by rotating a spherical rotor magnet magnetized perpendicular to its axis of rotation inside or outside a spherical stator with mutually perpendicular to three spherical solenoids, the azimuthal and zenith angular positions of the object in a single SSC are extracted from these signals, compared with the given flight task, determining I mismatches and mismatches, form control signals of the corresponding sign in two channels and are proportional to the mismatches, and are fed to pairs of reversing rudder cars of the first and second channel, whose rudders are installed outside the object so that their thrust vectors are directed opposite and tangent to the equatorial coordinate plane of the SSC in the first channel, and in the second along the tangent to the azimuthal coordinate plane of the SSC associated with the object.

Новизна способа состоит во введении неизвестной в науке и технике новой операции формирования измерительных полиортогональных синусно-косинусных сигналов на основе использования только одного гироскопа, определении рассогласований в единичной ССК, что позволило сократить число каналов управления до двух. Изобретательский уровень предложенного TP показывает разработанный мной новый математический аппарат, неизвестный в теоретической механике, и практике ее применения, где и в наше время пользуются многоэтажными формулами перехода на основе ПДСК и Эйлеровых углов (матрицы гиперкомплексных чисел и тому подобный аппарат, разработанный еще 300 лет назад чистыми математиками типа Эйлера, когда задачи гироскопии и навигации ограничивались лишь изучением движений небесных тел и мореплаванием).The novelty of the method consists in the introduction of a new operation unknown in science and technology for the formation of measuring polyorthogonal sine-cosine signals based on the use of only one gyroscope, the determination of mismatches in a single SSC, which reduced the number of control channels to two. The inventive step of the proposed TP is shown by a new mathematical apparatus developed by me, unknown in theoretical mechanics, and the practice of its application, where even today we use multi-story transition formulas based on PDSK and Euler angles (matrix of hypercomplex numbers and the like apparatus developed 300 years ago pure mathematicians such as Euler, when the tasks of gyroscopy and navigation were limited only to the study of the motions of celestial bodies and navigation).

На Фиг. 1 представлены слева совмещенные, имеющие общее начало ПДСК и единичная ССК при произвольном расхождении их ориентации, где обозначены Эйлеровы углы ν, μ, θ. Для сравнения в середине и справа показан алгоритм совмещения в ССК. Поворачиваем ССК в экваториальной плоскости на угол ϕ, а в азимутальной на угол θ, после чего получаем совмещение всего за два поворота.In FIG. Figure 1 shows on the left the combined ones with a common beginning of the PDSK and a unit SSK with an arbitrary divergence of their orientation, where the Euler angles ν, μ, θ are indicated. For comparison, the alignment algorithm in the CCK is shown in the middle and on the right. We rotate the SSC in the equatorial plane by the angle ϕ, and in the azimuthal plane by the angle θ, after which we get the combination in just two turns.

На Фиг. 2 для сравнения представлен алгоритм Эйлера, основанный на использовании ПДСК. Результаты трех последовательных поворотов обозначены "а", "б" и "в". Поворачиваем на угол ν в плоскости OXY в направлении кратчайшего поворота оси ОХ к оси OY, после чего получаем совмещение оси ОХ с ЛУ ("а"). Поворачиваем на угол μ от ЛУ в плоскости OXYZ в направлении кратчайшего поворота ОХ к ОУ', причем ЛУ выбираем из двух ее лучей таким образом, чтобы три луча ЛУ, OZ и OZ' образовали правую тройку ("б"). Затем совмещаем оси OZ и OZ' по кратчайшему пути на угол θ ("в").In FIG. 2, for comparison, the Euler algorithm based on the use of PDSK is presented. The results of three consecutive turns are indicated by "a", "b" and "c". We turn through the angle ν in the OXY plane in the direction of the shortest rotation of the OX axis to the OY axis, after which we obtain the combination of the OX axis with the LN ("a"). We rotate an angle μ from the LN in the OXYZ plane in the direction of the shortest rotation of OX to the OU ', and we select the LN from two of its rays in such a way that the three rays of the LN, OZ and OZ' form the right triple ("b"). Then we combine the axes OZ and OZ 'along the shortest path at an angle θ ("in").

Сравнительный анализ, показанный на Фиг. 1 и Фиг. 2 в геометрическом представлении, демонстрирует, если применять однородные ПДСК для управления ориентацией 6-степенных объектов, необходимо три канала управления при сложных последовательных алгоритмах перехода из связанной СК в неподвижную, и наоборот.The comparative analysis shown in FIG. 1 and FIG. 2 in a geometric representation, demonstrates that if homogeneous PDSKs are used to control the orientation of 6-power objects, three control channels are needed with complex sequential algorithms for switching from a fixed SC to a fixed one, and vice versa.

На Фиг. 3 представлена укрупненная функциональная схема одного из вариантов реализации способа (возможны и другие варианты для систем стабилизации, инерциальной навигации, систем пилотирования, слежения и самонаведения) На Фиг. 3 изображены объект 1 управления, на котором обозначены связанная с ним подвижная ПДСК OX'Y'Z' и совмещенная с ней единичная ССК, имеющие начало в центре масс объекта. Выше условно показана неподвижная СК, представляющая внешнее пространство OXYZ, поступательно движущаяся вместе с объектом 1, оси которой параллельны осям неподвижной системе координат внешнего пространства.In FIG. 3 is an enlarged functional diagram of one embodiment of the method (other options are possible for stabilization systems, inertial navigation, piloting, tracking, and homing systems). FIG. 3 shows the control object 1, which shows the associated mobile MPC OX'Y'Z 'and the unit CCK combined with it, having a beginning in the center of mass of the object. Above, the stationary SC is conventionally shown, representing the outer space OXYZ, progressively moving together with object 1, whose axes are parallel to the axes of the fixed coordinate system of the outer space.

На объекте 1 установлен гироскопический датчик 2 полиортогональных синусно-косинусных сигналов (подробнее устройство датчика см. (5), задатчик 3 начального отсчета координат. Пунктирными линиями показаны механические связи датчика 2 и задатчика 3 начального отсчета с объектом 1. Выходы датчика 2 соединены с входом (устройством ввода) контроллера 4. Изображен программно-временной задатчик 5 параметров ϕ, θ режима полета объекта 1, формирователи 6, 7 сигналов управления первого и второго каналов, схемы сравнения. Выходы контроллера 4 соединены с первыми входами схем сравнения, выходы задатчика 5 режима полета соединены с вторыми входами схем сравнения, выход первой схемы сравнения соединен с входом формирователя 6 сигнала управления первого канала, выход второй схемы сравнения с входом формирователя формирователя 7 сигнала управления второго канала управления. На внешней поверхности объекта 1 установлены две пары реверсивных биортогональных рулей 1-1, 1-2 и 1-3, 1-4. Рули 1-1, 1-2 расположены в экваториальной плоскости тангенциально (по касательной) к воображаемой координатной поверхности сферы ССК (но не по касательной к корпусу объекта). Рули 1-3, 1-4 расположены в азимутальной плоскости к координатной поверхности сферы ССК (следует отличать ортогональные пары рулей, расположенные в одной плоскости от биортогональных, расположенных в двух взаимно перпендикулярных областях. Первые способны создавать вращательное движение объекта только по двум степеням свободы, вторые - по всем трем).A gyroscopic sensor 2 of polyorthogonal sine-cosine signals is installed at object 1 (for the sensor device see (5), the initial coordinate reference unit 3. Dotted lines show the mechanical connections of the sensor 2 and the initial reference generator 3 with object 1. The outputs of the sensor 2 are connected to the input (input device) of the controller 4. The program-time controller 5 depicts the parameters ϕ, θ of the flight mode of object 1, shapers 6, 7 of the control signals of the first and second channels, and the comparison circuit. The outputs of controller 4 are connected to the first inputs of the comparison circuits, the outputs of the master 5 flight mode are connected to the second inputs of the comparison circuits, the output of the first comparison circuit is connected to the input of the shaper 6 of the control signal of the first channel, the output of the second comparison circuit with the input of the shaper 7 of the control signal of the second control channel. Two pairs of reversible biorthogonal rudders 1-1, 1-2 and 1-3, 1-4 are installed in Fig. 1. The rudders 1-1, 1-2 are located in the equatorial plane tangentially (tangentially) to the imaginary coordinate surface sphere of SSC (but not tangent to the body of the object). Rudders 1-3, 1-4 are located in the azimuthal plane to the coordinate surface of the SSK sphere (orthogonal pairs of rudders located in one plane from biorthogonal ones located in two mutually perpendicular regions should be distinguished. The former are capable of creating rotational motion of an object only in two degrees of freedom, the second - for all three).

Двухканальная система управления 6-степенным объектом, представленная на Фиг. 3, работает следующим образом. Гироскопический датчик 2 после установки начального отсчета координат механически жестко связан с объектом (подробнее см. 4, 5). На выходах датчика 2 формируются три полиортогональных пространственно-временных синусно-косинусных сигнала. Контроллер 4 вычисляет параметры ϕ_и и θ_и углов расхождения связанной с объектом и неподвижной систем координат. Сигналы, несущие информацию o ϕ_и и θ_и, и заданные сравниваются схемами сравнения ⊗ первого и второго каналов (они могут быть представлены как в аналоговой, так и в цифровой форме). На выходах схем сравнения формируются сигналы, пропорциональные рассогласованиям между заданными и измеренными ϕ_з-ϕ_и; θ_з-θ_и и соответствующих знаков sign(ϕ_з-ϕ_и ), (θ_з-θ_и), определяющих направления вращения объекта. Эти сигналы поступают на формирователи 6 и 7, которые формируют сигналы управления вида, соответствующего типу используемых реверсивных руль-машинок, которые приводят в действие пары, например, струйных рулей 1-1, 1-2 и 1-3, 1-4. Они создают моменты сил, пропорциональные значениям рассогласовании до тех пор, пока пока ϕ_и, θ_и значения измеренные не совпадут с заданными программой полета. Корректирующие звенья, необходимые для обеспечения запаса устойчивости системы управления и переходных процессов, на Фиг. 3 не показаны, также не показаны схемотехнические решения электронной части блоков, так как объем притязаний заявки ограничен способом.The dual-channel 6-power object control system shown in FIG. 3, works as follows. Gyroscopic sensor 2 after setting the initial coordinate reference is mechanically rigidly connected to the object (for more details, see 4, 5). At the outputs of sensor 2, three polyorthogonal space-time sine-cosine signals are generated. Controller 4 calculates the parameters ϕ _and and θ _and the divergence angles of the associated and fixed coordinate systems. The signals carrying information o ϕ _and θ and θ _and given are compared by comparison schemes ⊗ of the first and second channels (they can be represented both in analog and digital form). The outputs of the comparison circuits generate signals proportional to the mismatches between the given and measured ϕ _s -ϕ _and ; θ _s -θ _and and the corresponding signs sign (ϕ _s -ϕ _u ), (θ _s -θ _u ), which determine the direction of rotation of the object. These signals are supplied to the shapers 6 and 7, which generate control signals of a type corresponding to the type of reversible steering machines used, which drive pairs, for example, inkjet rudders 1-1, 1-2 and 1-3, 1-4. They create moments of force proportional to the values of the mismatch until ϕ _and , θ _and the measured values coincide with the set flight program. The corrective links necessary to provide a margin of stability for the control system and transients, in FIG. 3 are not shown, nor are circuit solutions of the electronic part of the units shown, since the scope of the claims of the application is limited by the method.

Разработанные еще в 60-х годах прошлого века одноканальные управляемые вращающиеся ракеты и другие вращающиеся носители позволили резко снизить массогабариты зенитных ракет, создать самые малогабаритные, малокалиберные и дешевые носимые комплексы ПЗРК, но весьма эффективные по низколетящим целям, что показала практика их боевого применения. Замысел предложенного и других заявленных мной TP (4, 5) состоит в том, чтобы приблизить к ним по этим характеристикам и невращающиеся ракеты. Сегодня, когда вероятный противник имеет концепцию массированного обезоруживающего удара без применения ядерного оружия, эта задача актуальна. Чтобы противодействовать тысячам ракет разного типа необходимо создавать установки залпового огня ракет индивидуального наведения, а для них нужны малогабаритные дешевые и серийно-пригодные ракеты. Промышленная применимость предложенного TP ограничена только необходимостью освоения новой технологии изготовления сферического измерительного гироскопа, остальные блоки и элементы известны, таким образом TP соответствует критерию промышленной применимости.Developed back in the 60s of the last century, single-channel guided rotating missiles and other rotating carriers made it possible to drastically reduce the mass dimensions of anti-aircraft missiles, to create the most small-sized, small-caliber and low-cost man-portable air defense systems, but very effective for low-flying targets, as shown by the practice of their combat use. The idea of the proposed and other TP (4, 5) declared by me is to bring non-rotating missiles closer to them by these characteristics. Today, when a potential adversary has the concept of a massive disarming strike without the use of nuclear weapons, this task is urgent. In order to counteract thousands of missiles of various types, it is necessary to create multiple-launch rocket launchers of individual guidance missiles, and for them small-sized cheap and commercially-suitable missiles are needed. The industrial applicability of the proposed TP is limited only by the need to develop a new technology for manufacturing a spherical measuring gyroscope, the remaining blocks and elements are known, so TP meets the criterion of industrial applicability.

ЛИТЕРАТУРАLITERATURE

1. М.А. Павловский, Т.В. Путята, “Теоретическая механика”, Высш. шк., 1985, стр. 86.1. M.A. Pavlovsky, T.V. Putyata, “Theoretical Mechanics”, Higher. school, 1985, p. 86.

2. В.П. Селезнев, "Навигационные устройства", М., Оборонгиз, 1961. стр 20.2. V.P. Seleznev, "Navigation Devices", M., Oborongiz, 1961. p. 20.

3. Математический энциклопедический словарь, М., Сов. энциклопедия, 1988, стр. 643.3. Mathematical Encyclopedic Dictionary, M., Owls. Encyclopedia, 1988, p. 643.

4. Заявка №2016110020/28(015809).4. Application No. 2016110020/28 (015809).

5. Заявки №2016110019, 2016129612.5. Applications No. 2016110019, 2016129612.

6. Патенты РФ №2036273, 2505786.6. Patents of the Russian Federation No. 2036273, 2505786.

7. А.А. Красовский, "Системы автоматического управления полетом и их аналитическое конструирование", М., Наука, 1973.7. A.A. Krasovsky, "Automatic flight control systems and their analytical design", M., Nauka, 1973.

8. А.С. Шаталов, "Летательные аппараты как объект управления", Маш-е, 1975.8. A.S. Shatalov, "Aircraft as an object of control", Mash-e, 1975.

9. И.Н. Красовский, "Теория управления движением", М., 1968.9. I.N. Krasovsky, "Theory of motion control", M., 1968.

10. В.И. Феодосьев, Г.Б. Синярев, “Введение в ракетную технику”, Оборонгиз, 1956.10. V.I. Feodosiev, G. B. Sinyarev, “Introduction to rocketry”, Oborongiz, 1956.

11. В.И. Феодосьев, “Основы техники ракетного полета”, М., Наука, 1981.11. V.I. Feodosiev, “Fundamentals of rocket flight technology”, M., Science, 1981.

12. В.Д. Андреев, "Теория инерциальной навигации. Автономные системы", М., Наука, 1966.12. V.D. Andreev, "Theory of inertial navigation. Autonomous systems", M., Nauka, 1966.

13. А.Ю. Ишлинский, "Ориентация, гироскопы и инерциальная навигация", М., Наука, 1976.13. A.Yu. Ishlinsky, "Orientation, gyroscopes and inertial navigation", M., Science, 1976.

14. Патент США №5026008.14. US patent No. 5026008.

15. А.А. Красовский, "Теория проектирования одноканальных управляемых вращающихся ракет", ВВИА им. Жуковского, 1963.15. A.A. Krasovsky, "Design theory of single-channel guided rotating missiles", VVIA them. Zhukovsky, 1963.

16. Технические описания изделия 9Э410 и ПЗРК 9К38М "Игла", Оборонгиз, 1980 (несекретно).16. Technical descriptions of the product 9E410 and MANPADS 9K38M Igla, Oborongiz, 1980 (unclassified).

17. Патенты США №№4009848, 4155521, 4309393, 4399097, патент Франции №1501166.17. US patents No. 4009848, 4155521, 4309393, 4399097, French patent No. 1501166.

Claims (1)

Способ двухканального управления ориентацией объектов с шестью степенями свободы пространственного движения, заключающийся в формировании измерительных сигналов углов ориентации объекта с помощью чувствительных механических гироскопов, сравнении измеренных значений угловых положений объекта с углами, заданными траекторией и режимом полета, формировании при наличии отклонений значений этих углов сигналов управления в каждом канале управляемых координат объекта, формировании управляющих воздействий в каждом канале подачей сигналов управления на рулевые исполнительные органы, отличающийся тем, что формируют измерительные сигналы в виде системы из трех полиортогональных синусно-косинусных сигналов с помощью только одного сферического гироскопа путем вращения ротора-магнита, намагниченного перпендикулярно его оси вращения, внутри или снаружи статора с расположенными на нем взаимно перпендикулярно тремя сферическими соленоидами, определяют демодуляцией этих пространственно-временных сигналов азимутальный

и зенитный θ углы положения объекта в сферической системе координат относительно установленного начального отсчета, а также их знаки как

и

, где φ_з, θ_з - заданные значения, а

- измеренные, формируют в двух каналах сигналы управления, в первом - углом

, во втором – углом θ, пропорциональные отклонения измеренных значений

и заданных

, затем подают сигнал управления первого канала на пару реверсивных рулевых органов, рули которых устанавливают снаружи объекта таким образом, чтобы векторы их тяги были направлены противоположно по касательным к экваториальной координатной плоскости сферической системы координат, связанной с объектом, а сигнал управления второго канала - на вторую пару реверсивных рулевых органов, рули которых устанавливают таким образом, чтобы векторы их тяги были противоположны и направлены по касательной к азимутальной плоскости сферической системы координат, связанной с объектом.A method of two-channel control of the orientation of objects with six degrees of freedom of spatial movement, which consists in the formation of measuring signals of the orientation angles of the object using sensitive mechanical gyroscopes, comparing the measured values of the angular positions of the object with the angles specified by the path and flight mode, and forming control signals if there are deviations in each channel of the controlled coordinates of the object, the formation of control actions in each channel by applying a signal s of steering controls, characterized in that they form measuring signals in the form of a system of three polyorthogonal sine-cosine signals with the help of only one spherical gyroscope by rotating a rotor magnet magnetized perpendicular to its axis of rotation, inside or outside the stator with located on it mutually perpendicular to three spherical solenoids, determine the demodulation of these spatio-temporal azimuthal signals

 and anti-aircraft θ the angles of the position of the object in the spherical coordinate system relative to the set initial reference, as well as their signs as

 and

where φ_s, θ_s - given values, and

 - measured, form control signals in two channels, in the first - angle

, in the second, by the angle θ, proportional deviations of the measured values

 and given

, then a control signal of the first channel is supplied to a pair of reversing steering elements, the rudders of which are mounted outside the object so that their thrust vectors are directed oppositely to the equatorial coordinate plane of the spherical coordinate system associated with the object, and the control signal of the second channel is directed to the second a pair of reverse steering organs, the rudders of which are set so that their thrust vectors are opposite and directed along the tangent to the azimuthal plane of the spherical system we coordinate associated with the object.

Images