Гибридная инерционная/магнитная система для определения положения и ориентации подвижного тела - RU2016117589A

1. Система бесконтактного определения положения и ориентации первого подвижного объекта (М) относительно опорной системы отсчета (R_p), расположенной на втором фиксированном или подвижном объекте (Р), в возмущенной электромагнитной среде, содержащая:

- по меньшей мере один электромагнитный датчик С-1 и по меньшей мере один инерциальный датчик С-3-1, соединенный с указанным подвижным объектом (М);

- по меньшей мере один передатчик Е1, содержащий по меньшей мере одну передающую антенну, по меньшей мере один инерциальный блок С3-2, содержащий инерциальные датчики, соединенные с платформой;

- вычислительное устройство для определения ориентации и положения указанного подвижного объекта в зависимости от сигналов, выдаваемых указанными датчиками и инерциальными датчиками,

отличающаяся тем, что она дополнительно содержит по меньшей мере один электромагнитный датчик С2 положения, соединенный с указанной платформой, и тем, что указанный передатчик Е1 дополнительно содержит встроенный электромагнитный датчик Е-3, причем антенна передатчика содержит ферромагнитные сердечники, имеющие эффективную относительную магнитную проницаемость выше 10, и встроенные датчики (Е-3) для измерения магнитного поля Xu, фактически излучаемого осями указанного передающего подузла (Е-1), которые обеспечивают переменные для измерения фактического поля, излучаемого передатчиком Е1.

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что она содержит:

- первый узел (Е) для передачи магнитной индукции (магнитных индукций), содержащий передающую антенну и первый подузел (Е-1) для осуществления передачи Ne передающими катушками, при этом Ne равно по меньшей мере двум, оси симметрии которых присоединяются ко второму объекту (Р) с образованием опорной системы отсчета (R_E), при том, что указанные подузлы (Е-1) не параллельны друг другу,

- первый приемный узел (С-1), присоединенный к указанному подвижному объекту и содержащий Nc≥2 непараллельных приемных катушек, чувствительных к окружающему магнитному полю, которое является векторной суммой полей, излучаемых указанным первым передающим узлом, и возмущающих магнитных полей, создаваемых электрическими токами, существующими в среде, и ферромагнитным намагничиванием, при этом указанный второй узел образует датчик (С-1), прикрепленный к первому подвижному объекту М, так что произведение Nc•Ne≥6, и образует измерительную систему отсчета (R_C1);

- вычислительный процессор (4) для вычисления положения и ориентации первого подвижного объекта (М), соединенного с первым аналогово-цифровым преобразователем (4-1) для получения аналоговых сигналов в дискретные моменты времени t_k=k.T_e, второй аналогово-цифровой преобразователь (Е-4) для генерации заданных токов, инжектируемых в первый передающий узел (Е-1),

- при этом указанная антенна указанного передающего подузла (Е-1) содержит ферромагнитные сердечники, имеющие эффективную относительную магнитную проницаемость выше 10, и встроенные датчики (Е-3) для измерения магнитного поля Xu, фактически излучаемого осями указанного передающего подузла (Е-1), которые обеспечивают переменные X_u(j,t_k-k(i_c)Te) при j = 1 - Ne и i_c = 1 - Nc;

- средство (4-4) для выделения сигнала, коррелированного с окружающими шумами X_BR(t_k-k_bT_e), от датчиков (Sb), жестко присоединенное к платформе (Р), для формирования с помощью измерения Xu магнитной индукции полной модели измеряемых полей с возможностью вычислять указанное первое положение и ориентацию (R_M) без источников возмущения, при осуществлении демультиплексирования каналов, излучаемых одновременно,

- средство для гибридизации, содержащие:

i) по меньшей мере один трехосевой гирометр, жестко присоединенный к подвижному объекту, в частности к шлему, и образующий инерциальный подузел (С-3-1) для гирометрических IMU-измерений, и

ii) средство для получения информации о положении навигационного устройства INS (С-3-2), присоединенного к платформе,

iii) систему определения положения устройства отслеживания с магнитометрическим датчиком (Е) (С-1) (С-2) (4-4), соединенную с подвижным объектом и позволяющую устранить задержку средств для определения положения и для предоставления информации об ориентации путем вычисления интегрирования дифференциальной системы, управляющей динамикой положения объекта (М), и системой ошибок датчика (С-3-1).

3. Система по п. 1, отличающаяся тем, что токи, управляемые вычислительным процессором 4, одновременно подаются на три оси непрерывно или прерывисто в соответствии с циклической временной структурой продолжительностью T_obs-T_off=N_obs⋅Те-T_off, причем вычислительный процессор 4 выполняет оценку непрерывно и в режиме реального времени с выходной частотой повторения F_out, пропорциональной значению , которое равно или выше, чем частоты обновления видеоизображений, причем параметры аналитической модели векторной суммы всех магнитных индукций присутствуют в данной среде, переменные указанной модели выводят:

- из результатов измерений, проведенных с помощью указанного третьего передающего подузла Е-3, обеспечивающего j сигналы Xu_j(t_k), пропорциональные излучаемым индукциям,

- из результатов вычисления переменных типа

X_cu(j,t_k-k(i_e)Te),

линейная комбинация которых является моделью возмущений, коррелированных с потоком индукции при передаче,

- из оценки суммы сигналов возмущений, излучаемых из среды , некоррелированных с полями, излучаемыми катушками передатчика Е-1, и либо из результатов измерений второго приемного блока С-2, либо выделенными из результатов измерений сигнала первым измерительным блоком С-1 в течение времени T_off отключения передачи.

4. Система по любому из пп. 1-3, отличающаяся тем, что:

- параметры A(i_c,j) указанной аналитической модели, определенные в отношении членов и в отношении оси i_c измерения указанного первого приемного узла (С-1) предоставляют члены дипольной или мультипольной модели индукционных магнитных полей из указанных членов, из которых вычислительное устройство 4 определяет первое значение положения и ориентации датчика, присоединенного к первому подвижному объекту (М) в каждом цикле передачи T_obs, причем ориентация определяется по трем углам Эйлера: рыскания Y, тангажа Р и крена R.

5. Система по любому из пп. 1-3, отличающаяся тем, что Ne заданных токов, инжектированных в указанных Ne катушках второго передающего узла (Е-1), создают заданные потоки F_j(t) индукции, характерные для каждой оси указанных катушек, и циклы периода T_obs, значение которого близко к периодам обновления экрана дисплея, таковы, что значения потока индукции, непрерывно или прерывисто измеряемые третьим передающим подузлом (Е-3), а затем оцифрованные, образуют временные ряды, которые не являются линейно зависимыми, т.е. образуют обращаемую матрицу корреляции.

6. Система по любому из пп. 1-3, отличающаяся тем, что переменные определяют часть модели, линейно зависящей от Ne измеренных потоков Fj(t) индукции (j = от 1 до Ne), излучаемых Ne первыми передающими подузлами и принимаемых осью i_c первого приемного узла, состоит из линейной комбинации типа

при этом

где члены A_c(i_c,j,k_i), для которых k_ic=0, стремятся к значениям, пропорциональным индукционному полю, которое может быть измерено в свободном пространстве при отсутствии каких-либо магнитных возмущений, причем другие коэффициенты представляют собой значения, пропорциональные индукциям возмущающих воздействий, линейно зависимых от излучаемых потоков индукции, таких как вихревые токи и ферромагнитные эффекты.

7. Система по любому из пп. 1-3, отличающаяся тем, что модель чередующихся сигналов среды каждого компонента i_c первого приемного узла представляет собой сумму сигналов синусоидального типа

где частоты оцениваются в течение периодов отсутствия излучения T_off по сигналам указанного первого приемного узла (С-1), для формирования переменных Xsc модели, группирующей модель , и модели B_ESC(i_c,t_k):

8. Система по любому из пп. 1-3, отличающаяся тем, что сигнал, измеренный вторым приемным узлом B_RM(i_c,t_k), фильтруется для получения сигнала контрольного уровня шума , при выполнении следующих операций:

при этом

9. Система по п. 1, отличающаяся тем, что Nc катушек первого передающего подузла наматываются вокруг кубического или сферического ферромагнитного сердечника [Е-1], представляющего собой цилиндры (или параллелепипеды), у которых отношение длины к диаметру (или протяженность) выше 10, а магнитная проницаемость, как правило, выше 2000, при этом указанные цилиндры (или параллелепипеды) блокируются по существу аналогичным образом в трех направлениях, определяемых осями симметрии обмоток, и таким способом, чтобы барицентр ферромагнитного материала каждой оси находился как можно ближе к общему центру трех катушек.

10. Система по п. 1 или 9, отличающаяся тем, что токи, инжектируемые вторым передающим подузлом, возникают в большом контуре управления усилением прямой цепи (Е-2), уставка которых является циклическим сигналом, генерируемым (Е-4) в процессоре, при этом указанный циклический сигнал имеет постоянную спектральную плотность (псевдослучайная двоичная последовательность) или зависит от частоты, а отраженный сигнал, вычитаемый из уставки, пропорционален индукции третьего передающего подузла (Е-3-2).

11. Система по любому из пп. 1-3, отличающаяся тем, что вторая ориентация вычисляется следующим способом:

в моменты времени t_k=k⋅T_obs кватернион Q(t_k), определяющий положение гирометров в инерциальной системе координат (R_±), вычисляется из членов матриц направляющих косинусов

кватернион Q(t_kg=t_k+k_g⋅T_g), полученный путем цифрового интегрирования уравнения вместе с Q(t_k) извлекается путем сброса вектора X состояния типа при получении данных ориентации , задающих измерение,

где

при этом вычисляется из значений , выдаваемых гирометрами, а коррекция ошибок гирометров оценивается оптимальным устройством оценки типа Калмана или субоптимального типа («Рекуррентным способом наименьших квадратов» типа LMS, RLS и т.д.), в соответствии с моделью передачи ошибок типа , где является случайным отклонением, а K является матрицей усиления, несовмещения и ошибок соединения между каналами,

матрица направляющих косинусов R_g/i(t_kg), определяющая положение в фиксированной систему отсчета, вычисляется по формуле

где

вторая ориентация, выдаваемая при t_kg, определяемая с помощью матрицы направляющих косинусов R_m/p(t_kg), определяющей положение подвижной системы отсчета по отношению к опорной системе отсчета, затем вычисляется с помощью выражения

вторая ориентация может определяться углами Эйлера, выделенными из матрицы R_m/p(t_kg).