УДК 681.5

РАЗРАБОТКА ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО БЛОКА СИСТЕМЫ ОРИЕНТАЦИИ БПЛА С НЕОРТОГОНАЛЬНЫМ РАСПОЛОЖЕНИЕМ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Паршин Анатолий Павлович1, Немшилов Юрий Александрович2
1Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского "ХАИ", кандидат технических наук, доцент кафедры систем управления летательных аппаратов
2Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского "ХАИ", кандидат технических наук, доцент кафедры систем управления летательных аппаратов

Аннотация
Данная статья посвящена решению проблемы повышения отказоустойчивости блоков систем ориентации БПЛА за счет создания функциональной избыточности на основе использования неортогонального расположения чувствительных элементов. На основании проведенного исследования Авторы предлагают комплексированный измерительный блок системы ориентации на МЭМС инерциальных датчиках.

Ключевые слова: акселерометр, беспилотный летательный аппарат, бесплатформенная инерциальная навигационная система, блок системы ориентации, гироскоп, комплексирование, неортогональное расположение


DEVELOPMENT OF MEASUREMENT UAV ATTITUDE CONTROL UNIT WITH NON-ORTHOGONAL ARRANGEMENT OF SENSING ELEMENTS

Parshin Anatoly Pavlovich1, Nemshilov Yuri Alexandrovich2
1National Aerospace University of M. Ye. Zhukovsky "HAI", PhD, assistant professor of aircraft control systems
2National Aerospace University of M. Ye. Zhukovsky "HAI", PhD, assistant professor of aircraft control systems

Abstract
This article is devoted to solving problems RESILIENCE UAV attitude control systems by creating blocks of functional redundancy through the use of non-orthogonal arrangement of sensing elements. On the basis of the study authors suggest complexed measuring unit orientation system of MEMS inertial sensors.

Keywords: accelerometer, aggregation, an unmanned aerial vehicle, gyroscope, non-orthogonal arrangement, power system orientation, strapdown inertial navigation system


Библиографическая ссылка на статью:
Паршин А.П., Немшилов Ю.А. Разработка измерительного блока системы ориентации БПЛА с неортогональным расположением чувствительных элементов // Современная техника и технологии. 2016. № 3 [Электронный ресурс]. URL: http://technology.snauka.ru/2016/03/9697 (дата обращения: 27.05.2017).

Актуальность разработки отказоустойчивых блоков системы ориентации (БСО) обусловлена растущими требованиями к надежности и точности систем управления беспилотными летательными аппаратами (БПЛА). Естественным развитием БСО как составной части бесплатформенной инерциальной навигационной системы (БИНС) с целью повышения отказоустойчивости при минимальных аппаратных затратах стало использование функциональной избыточности на основе использования неортогонального расположения измерительных датчиков (инерциальных чувствительных элементов).

Поскольку для определения вектора в трехмерном пространстве достаточно трех измерителей проекций векторных величин, оси, чувствительности которых образуют измерительный базис, то при использовании избыточного количества ЧЭ БСО приобретает функциональную избыточность, т.е. возможность измерять вектор входных воздействий различными комбинациями выходных величин инерциальных чувствительных элементов. [1, с.219]. Дополнительным преимуществом функциональной избыточности БСО является возможность автономной идентификации отказавшего измерительного элемента [2, с.7]. При этом на алгоритмическое обеспечение БСО возлагается ряд дополнительных функций:

  1. Оценки измеряемого вектора входных воздействий в проекциях на связанную систему координат по избыточным измерениям измерительных элементов блока.
  2. Обнаружение отказа БСО.
  3. Идентификация отказавшего измерительного элемента (датчика).
  4. Изменение алгоритма обработки избыточной информации БСО путем исключения из операций обработки результатов измерений отказавшего измерительного элемента.

Эти возможности БСО дополняют достоинства БИНС при использовании ее в качестве ядра системы управления БПЛА, поскольку с определенной надежностью обеспечивается целостность поступающей от БИНС информации.

До недавнего времени использование МЭМС датчиков в инерциальных измерительных системах сдерживалось их относительно невысокими точностными характеристиками. Тем не менее, достижения в МЭМС технологии дали для военной, аэрокосмической техники и техники специального назначения датчики инерции уже с достаточно приемлемыми характеристиками. В последние годы точность инерциальных МЭМС датчиков неуклонно повышается. Для ряда таких датчиков нестабильность смещения гироскопа составляет уже не более 0,3 0/ч, а акселерометра – 50 мкg.

При выборе конфигурации блока системы ориентации БПЛА, построенных на основе МЭМС датчиков в качестве критериев чаще всего рассматривают:

  • обеспечение необходимой надежности измерения в условиях отказов отдельных датчиков;
  • достижение максимальной точности оценки параметров ориентации;
  • удобство калибровки и начальной выставки БСО с учетом технической реализации датчиков;
  • простота пересчета сигналов датчиков в навигационные параметры.

В ряде работ [3-6] показано, что реализация этих требований может быть достигнута за счет избыточной комплектации БСО (более 3-х акселерометров и более 3-х гироскопов) и соответствующим выбором ориентации осей чувствительности датчиков. Кроме того за счет выбора рациональной конфигурации функционально-избыточного БСО точность может быть повышена на 30-40% [1. с.223]. Значительный эффект дает для инерциальных измерений применение инерциальных блоков (модулей), т.е. совмещение в одном корпусе 3-осевых датчиков угловых скоростей (ДУС) с акселерометрами, магнитометрами и датчиками температуры и давления. Использование таких блоков в сочетании с алгоритмическими методами позволяют решать вопросы повышения точности инерциальных измерительных систем [7, с.279].

В ряде работ [8-15] описаны возможные варианты конфигурации избыточных блоков, построенных на основе микромеханических датчиков. Оптимальной ориентацией измерительных осей является расположение их на образующих конуса. Конструктивно эта задача решается размещением чувствительных элементов на основании, выполненном в виде усеченной пирамиды с различным количеством боковых граней. Такое размещение построено на понятии правильного многогранника (тетраэдр, куб, октаэдр, додекаэдр и икосаэдр) [16, с.97]. При равномерном размещении ЧЭ ось чувствительности каждого датчика должна быть перпендикулярна грани правильного многогранника.

В работе [17, с.97] показано, что ЧЭ установленные на боковые плоскости правильного многогранника с возможностью разворота на фиксированные углы вокруг осей, перпендикулярных к плоскостям, могут «укладываться» на образующие конусов с различными углами при вершинах, включая «оптимальный».

Для проведения исследований реализована конфигурация БСО с 4-мя инерциальными модулями (3-х осевой гироскоп, 3-х осевой акселерометр, 3-х осевой магнитометр, датчик давления и датчик температуры). Инерциальные блоки установлены на основании, выполненном в виде усеченного тетраэдра с тремя боковыми гранями. Оси чувствительности акселерометров при этом взаимно перпендикулярны и направлены перпендикулярно боковым граням основания, а оси чувствительности гироскопов перпендикулярны осям чувствительности акселерометров с одноименными индексами. Конструкция БСО и кинематическая схема осей чувствительности акселерометров и ДУС (гироскопов) в приборной системе координат OXпYпZп представлены на рис. 1, 2.

Рис. 1. Конструкция БСО: 1 – основание в виде усеченного тетраэдра; 2 – инерциальный модуль (3-х осевой акселерометр, 3-х осевой гироскоп (ДУС), 3-х осевой магнитометр и барометрический датчик давления).

Рис. 2. Кинематическая схема осей чувствительности акселерометров и ДУС (гироскопов) в приборной системе координат OXпYпZп.

Использование 4-го измерительного модуля с ортогональным расположением осей чувствительных элементов дает возможность оценки точности получаемых результатов работы БСО. Такая конфигурация и набор датчиков создает избыточность и позволяет реализовать 9 полноценных БСО для решения задачи повышения отказоустойчивости, а также применить принципы комплексирования БИНС БПЛА.

Как известно, основной задачей системы ориентации является определение углового положения подвижного объекта в географических координатах – курса (ψ), тангажа (υ) и крена (γ). Конфигурирование системы ориентации осуществляется на основе бесплатформенного принципа, при котором роль стабилизированной платформы выполняет виртуальный сопровождающий трехгранник географической системы координат.

Причем алгоритм определения параметров ориентации БИНС представляется в виде четырех субалгоритмов [18, с.88]:

  1. Алгоритм определения начальной матрицы ориентации.
  2. Алгоритм вычисления матрицы взаимной ориентации базиса, связанного с БПЛА и географического. Этот алгоритм может быть построен на решении матричного модифицированного уравнения вращения Пуассона или на использовании промежуточных параметров ориентации (параметры Родрига-Гамильтона).
  3. Алгоритм вычисления угловых параметров ориентации БПЛА относительно географической системы координат (вычисление истинного курса ψ, крена γ, тангажа ϑ).
  4. Алгоритм пересчета сигналов, полученных с акселерометров, в географическую систему координат для использования в навигационном алгоритме.

Источником информации алгоритма в инерциальной системе ориентации являются проекции угловой скорости, получаемые на основе сигналов трех датчиков угловых скоростей (ДУС) и вычисляемых проекций абсолютной угловой скорости географического трехгранника. Выходом алгоритма ориентации являются оценки углов тангажа, крена и курса: ϑ, γ, ψ. При этом начальные значения углов  определяются на основе проекций ускорения свободного падения на оси связанной системы координат (информация с акселерометров).

Рис. 3. Блок схема вычисления начальных углов ориентации

Известна также магнитометрическая система ориентации, в которой угловое положение БПЛА определяется углами магнитного курса ψм, тангажа ϑ и крена γ. Информацию о магнитном курсе ψ, а также об угле магнитного склонения можно получить с помощью GPS приемника. С другой стороны, можно рассчитать магнитный курс ψ, если имеется информация об углах ϑ и γ от блока гироскопов.

Блок-схема вычисления углов тангажа и крена по показаниям трехосевого магнитометра представлена на рис. 4.

Рис. 4. Блок-схема вычисления углов тангажа и крена по показаниям трехосевого магнитометра.

Путевой угол ψ, вырабатываемый модулем GPS можно принять в качестве угла курса относительно географического севера. Пересчет из географического курса в магнитный осуществляется на основании информации об угле магнитного склонения D. Выработка значений угла наклонения I осуществляется по информации о долготе φ и широте λ, получаемой от модуля GPS.

Для повышения точности определения угловой ориентации БПЛА возможно комплексирование инерциального блока системы ориентации (БСО), модуля трехосевого магнитометра и модуля GPS приемника. Блок схема комплексирования БСО и магнитометрической системы ориентации представлена на рис. 5. В таком варианте комплексирования блоки акселерометров и магнитометров служат для выработки начальных значений ψ0, ϑ0, γ0 и текущих значений углов ψ, ϑ, γ ориентации БПЛА. Модуль GPS-приемника принимает сигналы спутниковой навигационной системы и передает в блок расчета углов ориентации значения географических координат φ, λ, путевого угла ψ и углов магнитного склонения D и наклонения I.

Для запуска алгоритма работы БСО необходимо провести его начальную выставку, под которой понимается определение начальных углов ψ0, ϑ0, γ0.  Угол ψ0 может быть определен с помощью магнитометрической системы. Углы ϑ0, γ0.  определяются по показаниям акселерометров оси чувствительности которых параллельны одноименным осям связанной системы координат.

Рассматриваемые алгоритмы достаточно полно разработаны в работах [1, 18-20]. Однако переход с физического на математическое моделирование навигационного базиса оборачивается более сложными алгоритмами и более жесткими требованиями к их реализации особенно для комплексированной системы. Кроме того разработка таких систем требует решения оптимизационных задач практически на каждом этапе.

По результатам проведенных исследований можно сформулировать задачи, подлежащие дальнейшей разработке:

1. Создать программный комплекс и экспериментальную установку для численного и полунатурного моделирования работы БСО с компьютерной обработкой информации.

2. Провести исследования комплексированного блока БСО с целью разработки алгоритма коррекции БСО.


Библиографический список
  1. Ориентация и навигация подвижных объектов: современные информационные технологии. [Текст] /Под ред. Б.С. Алешина, К.К. Веремеенко, А.И. Черноморского. – М.: ФИЗМАТЛИЗ, 2006.- 424с.
  2. Фирсов С.Н., Куок Туан До, Златкин О.Ю. Построение отказоустойчивого измерительного блока акселерометров БИНС БПЛА. [Текст] /Авиационно-космическая техника и технологии, 2008 № 1(48), С. 5-10.
  3. Гордин А.Г. Математические модели и измерительные средства бескарданных инерциальных навигационных систем. [Текст] /Учебн. пособие – Х.: Харьк. авиац. ин-тут, 1977 – 113с.
  4. Тювин А.В., Дмитриченко Л.А., Гора В.П. Бесплатформенный блок ориентации повышенной надежности на электростатических гироскопах /Системы ориентации и навигации и их элементы. [Текст] – М. Тр. МАИ, 1979, № 480. С. 43-52.
  5. Себринг Д.Г., Янг Дж. Т. Метод управления избыточностью разнесенных инерциальных датчиков с не ортогональными осями чувствительности. [Текст] – М.: ВИНИТИ, Э.И. Авиастроение, 1983, № 13.
  6. Дмитриченко Л.А., Гора В.П., Савинов Г.Ф. Бесплатформенные инерциальные навигационные системы [Текст] /Уч. пособие. – М.: изд-во МАИ, 1984. 62с.
  7. Волков В.Л., Жидкова Н.В. Обработка информации в системе ориентации на основе МЭМС. [Текст] /Труды Нижегородского гос. техн. ун-та им. Р.Е. Алексеева, 2015 №3 (110) с. 279-286.
  8. Кулик А.С., Фирсов С.Н., До Куок Туан, Златкин О.Ю. Диагностирование бесплатформенной инерциальной системы беспилотного летательного аппарата с глубиной до места отказа. [Текст] /Радіоелектронні і комп’ютерні системи, 2008 № 1(28), С.75-81.
  9. Кулик А.С., Фирсов С.Н., До Куок Туан, Златкин О.Ю. Повышение точности инерциальной навигационной системы летательного апарата. [Текст] /Радіоелектронні і комп’ютерні системи, 2008 № 2(29), С. 50-54.
  10. Фирсов С.Н. Обеспечение функциональной устойчивости системы стабилизации и ориентации малогабаритного автономного летающего изделия [Текст] //Мехатроника, Автоматизация, Управление. – 2014. – № 5.- С. 54-60.
  11. Гордін О.Г., Зекіна В.О. Функціонально надлишковий інерціальний вимірювальний блок [Текст] /Радіоелектронні і комп’ютерні системи, 2012 № 2(54) С. 35-43.
  12. Кулик А.С., Фирсов С.Н., Таран А.Н. Использование минимально избыточного блока двигателей-маховиков для угловой ориентации космического аппарата. [Текст] /Авиационно-космическая техника и технология, 2009 № 6(63), С. 42-47.
  13. До Куок Туан Комплексное решение задачи синтеза САУ малого беспилотного летательного аппарата типа вертикального взлета и посадки. [Текст] /Збірник наук. праць Харківського унів. Повітряних Сил,2009, вип. 4(22), с. 12-19.
  14. Водичева Л.В. Повышение надежности и точности бесплатформенного инерциального измерительного блока при избыточном количестве измерений [Текст] /Гироскопия и навигация. 1997. № 1. — С. 55-67).
  15. Алешкин М.В. Совершенствование схем и алгоритмов предварительной обработки информации избыточных блоков инерциальных датчиков. [Текст] /Автореф. диссерт. на соиск. учен. степени канд. техн. наук. Саратов, 2009. 17с.
  16. Кобылкин Ю.И., Сосновский М.Ю. Об ориентации осей чувствительности датчиков избыточных бесплатформенных инерциальных систем. [Текст] /Научный Вестник МГТУ ГА № 198 2013, С. 97-102.
  17. В.В. Алешкин, М.В. Алешкин, А.С. Сокольский, А.С. Матвеев Исследование алгоритмов обработки информации избыточного блока микромеханических акселерометров. [Текст] /Вестник СГТУ. 2007. № 1 (21). Выпуск 1, с. 95-106.
  18. Управление и наведение беспилотных маневренных летательных аппаратов на основе современных информационных технологий /Под ред. М.Н. Красилыцикова и Г.Г. Себрякова. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. – 280с.
  19. Основы построения бесплатформенных инерциальных навигационных систем [Текст] /В.В. Матвеев, В.Я. Распопов /Под. общ. ред. д.т.н. В.Я. Распопова.- СПб.: ГНЦ РФ ОАО «Концерн ЦНИИ «Электроприбор», 2009.- 280с.
  20. Распопов В.Я. Микросистемная авионика: учебное пособие. [Текст] Тула: «Гриф и К», 2010. – 248с.

 



Все статьи автора «oberstya»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: