Синтез и анализ алгоритмов определения пространственной ориентации беспилотной аэродинамической платформы по измерениям магнитного поля Земли

• Автор: Силкин, Артём Анатольевич
• Шифр специальности: 05.13.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 115 с. : ил

1 .СТРУКТУРА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ Б АП

1.1. Управление движением БАП. Обобщнная схема.

1.2. Система у рлвления ориентацией БАП Конкретные схемы

1.3. Гировертикаль как основной элемент системы управления ОРИЕНТАЦИЕЙ БАП

1.4. Пример системы управления ориентацией БА на основе ДАТЧИКА УГЛОВОЙ СКОРОСТИ.

1.5. Выводы И ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ ИССЛЕДОВАНИЯ

2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ ДЛЯ НАВИГАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ ЛЕТАТЕЛЬНЫМИ Л1НАРАТАМИ.

2.1. Общепринятая модель магнитного поля Земли

2.2. Физические датчики магнитного поля.

2.2.1. Магнитная стрелка

2.2.2. Ферромагнитный зонд

2.3. Трудности использования магнитного поля в трхмерном пространстве.
2.2.1. Изменения магнитного поля
2.3.2. Влияние магнитных полей платформы
2.2.3. Основная трудность ориентаиии по магнитному полю
2.4. Доказательство невозможности определения ориентации БАП ТОЛЬКО ПО ИЗМЕРЕНИЯМ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ.
3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ИЗМЕРЕНИЙ ВЕКТОРА МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА БАП.
3.1. Общий подход.
3.2. Невозможность использования маятника в качестве дополнительного датчика
3.3. Определение ориентации БАП при одном извне гном вертикальном у где.
3.3.1. Существование решения при известном крепе
3.3.2. Существование решения при известном тангаже
3.3.3. Оптимальный набор уравнений для определения ориентации БАП
3.4. Использование производных по времени.
3.4.1. Увеличение размерности уравнения измерения.
3.4.2. С труктура матрицы Якоби расширенного векторного уравнения измерений
3.4.3. Вектор производных и его матрица Якоби.
3.5. Выводы по математической модели измерения вектора МАГНИТНОГО ПОЛЯ
4. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ИЗМЕРЕНИЙ УГЛОВЫХ
СКОРОСТЕЙ Н А НА И.
4.1. Скорость изменения измеренного вектора магнитного поля и угловая скорость Б АП.
4.2. Дополнение системы уравнений показаниями датчика угловой скорости
4.2.1. Дополнение за счт i.
4.2.2. Пополнение за счт .
4.2.3. Дополнение за счт .
4.3. Наилучшее расположение единственного датчика угловой скорости
4.4. Анализ погрешности измерения оставляющих угловой скорости
4.4.1. Источники погрешности.
4.4.2. Анализ влияния первичных погрешностей и геометрический смысл этого влияния.
4.4.3. Погрешность числетого дифференцирования
4.4.4. Дисперсия общей погрешности определения составляют их угловой скорости
4.5. Выводы по математической модели измерения угловой скорости
5. СИНТЕЗ СИСТЕМЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЕКТОРА УГЛОВОЙ СКОРОСТИ БАП МЕТОДОМ НЕЛИНЕЙНОЙ ФИЛЫ РАЦИИ
5.1. Природа и характер погрешностей измерения магнитного поля
5.2. Краткие сведения о математическом аппарате нелинейной фильтрации
5.2.1. Общие сведения
5.2.2. Общая постановка одномерной задачи нелинейной фильтрации а гауссовом приближении
5.2.3. Решение задачи нелинейной фильтрации в гауссовом приближении.
5.2.4. Нелинейная фильтрация ненаблюдаемой производной марковского процесса
5.2.5. Стационарная фильтрация.
5.2.6. Распространение алгоритма нелинейной фильтрации на многомерное наблюдение
5.2.7. Априорная трудность в теории нелинейной фильтрации и стационарная фильтрация.
5.3. Задача фильтрации и адаптация математической модели .
5.3.1. Краткий обзор имеющихся математических моделей и выбор решаемой забачи нелинейной фильтрации.
5.3.2. 1 1остановка задачи фильтрации составляющих угловой скорости. Адаптация математической модели.
5.4. Алгоритм нелинейной фильтрации составляющих вектора УГЛОВОЙ СКОРОСТИ БАП.
6. ПРОГРАММНАЯ МОДЕЛЬ ЛЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ АЛГОРИТМОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОРИЕНТАЦИИ БАП.
6.1. Общие сведения о программ юй модели
6.1.1. Назначение программной модели.
6.1.2. Состав и структура программной модели.
6.2. Программа исследований
6.3. Исследование сходимости алгоритмов
6.4. Динамические свойства алгоритмов
6.5. Влияние шумовых погрешностей на алгоритмы.
6.6. Выводы по программной модели и результатам модельных экспериментов
ВЫВОДЫ И РЕКОМЕДАЦИИ ГО РЕЗУЛЬТАТАМ РАКОТЫ ЛИТЕРАТУРА
ВВЕДЕНИЕ


Ещ большие возможности по созданию дешвой малогабаритной аппаратуры для магнитных измерений дают недавно появившиеся магниторезистивные микросхемы. Магнитные датчики давно и широко используются в навигационной аппаратуре и автопилотах в качестве дополнительных датчиков навигационной и пилотажной навигации. Аппаратная простота и дешевизна реализации миниатюрных измерителей земного магнитного поля делает идею использовать это поле для определения ориентации БАП весьма привлекательной. Трудности использования данных измерения магнитного поля известны это флюктуации магнитного поля и влияние магнитных полей самого носителя БАП. Эти трудности тем или иным способом преодолеваются. Принципиальной трудностью использования датчиков магнитного поля в качестве основного источника информации об ориентации БАП является невозможность однозначно определить ориентацию БАП в пространстве по измерениям вектора магнитного поля. Поиск и обоснование путей преодоления указанной принципиальной трудности составляют основное содержание предлагаемой работы. Разрешение принципиальной трудности достигается введением в состав измерителей датчика угловой скорости БАП. Целью работы является разработка и исследование практических методик синтеза алгоритмов обработки данных измерения земного магнитного поля для определения ориентации и вектора угловой скорости беспилотных аэродинамических платформ при минимальном использовании других датчиков и анализ наджности и точности синтезированных алгоритмов. БАП поданным измерения земного магнитного поля. БАП. БАП. Внедрение результатов работы осуществлено на беспилотном телевизионном разведчике ДисКонт. В настоящее время Дисконт с алгоритмом управления ориентацией на основе измерений земного магнитного поля проходит лтные испытания. БАП по данным измерения магнитного поля. Структура и объм работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы и двух приложений. Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, формулируется цель, научная новизна и практическая значимость полученных результатов. В первой главе рассмотрена типовая структура системы управления БАП. На основе математической модели движения БАП показана структура системы управления БАП, как совокупности систем управления траекторным движением центра масс и системы управления ориентацией. БАП. Рассмотрены конкретные функциональные схемы систем управления ориентацией известных БАП ДПЛА Пчела, АЗПП Мошкара, ДПЛА ГрАНТ, а также показана роль измерителей магнитного поля Земли в этих системах управления. На основе рассмотрения существующих систем управления ориентацией БАП поставлены конкретные задачи исследований. Во второй главе диссертации проведн обзор использования магнитного поля Земли для навигации и управления летательными аппаратами. Рассмотрена общепринятая для этих целей модель магнитного поля Земли и существующие физические датчики магнитного поля. Рассмотрены трудности использования магнитного поля Земли в системах управления ориентацией летательных аппаратов и сделан обзор известных методов преодоления этих трудностей, таких как снятие девиации и т. Выделена принципиальная трудность, заключающаяся в невозможности однозначного определения ориентации летательного аппарата только по измерениям магнитного поля. Проведено математическое доказательство этого факта на основе рассмотрения уравнения идеального измерителя магнитного поля. Аналитически доказывается, что матрица Якоби вектора измерений магнитного поля в земной системе координат имеет определитель, равный нулю, что означает, что, располагая знанием вектора измерения магнитного поля Нь невозможно однозначно определить вектор углов ориентации измерителя ф, о, ут. Полученный результат имеет большую методическую ценность. БАП. В главе рассмотрена разрешимость математической модели при известном крене, известном тангаже и при обоих известных вертикальных углах. Показано, что при существовании однозначного решения в любом из рассмотренных случаев, существуют области, в которых система уравнений, составляющих математическую модель неразрешима.