Введение к работе
Актуальность работы. Современное производство невозможно без наличия автоматизированных систем управления (АСУ), в том числе малогабаритных на основе микроэлектромеханических систем (МЭМС). В настоящее время создано большое количество разновидностей микроэлектронных и микроэлектромеханических систем: тактовые генераторы, резонаторы и различные датчики физических величин (давления, угловых скоростей (ДУС), акселерометр и т.д.), предназначенных для решения задач автоматизации и управления технологическими процессами, роботизированными комплексами, транспортными механизмами и системами, функционирующими на производстве и в народном хозяйстве. Входящие в подобные системы (устройства) микроэлектромеханические датчики угловых скоростей и акселерометры активно применяются в гиротахометрах, гирокурсовертикалях, бесплатформенных инерциальных системах навигации и ориентации, являющихся составной частью систем автоматизации и управления. Преимущество систем автоматизации и управления, построенных на МЭМС, заключается в малых габаритных размерах, низком энергопотреблении и малой стоимости.
Объектами управления являются промышленные
технологические производства, транспортные системы (воздушные,
водные, автомобильные), автоматизированные системы
геологоразведочного производства и т.д. Применение роботизированных комплексов способно существенно уменьшить количество сотрудников на трудоемких и вредных производствах. В перспективе прогнозируется существенное увеличение подвижных роботизированных систем, способных принимать решения на основе разработанных алгоритмов, используя информацию, поступающую от сенсоров и внешних источников.
Для реализации комплексной автоматизации производства и интегрированного управления необходимы различные датчики, автоматизированные системы управления (в том числе и на основе МЭМС) и алгоритмы управления параметрами движения мобильного устройства (например, беспилотный подвижный объект).
Исходя из того, что для каждого вида автономного подвижного объекта, входящего в роботизированный комплекс, требуется собственная автоматизированная система управления, учитывающая технические характеристики данного объекта, необходимо создавать методы и алгоритмы обработки данных системы управления. Не менее
важно создание имитационных моделей функционирования создаваемой системы и работоспособности изделия в целом для поведения теоретических исследований эффективности АСУ на этапе разработки. В связи с вышесказанным, разработка автоматизированной системы управления автономными подвижными объектами на основе МЭМС является актуальной, имеющей важное не только научное, но и практическое значение.
Цель диссертационной работы: разработка бесплатформенной автоматизированной системы на основе инерциальных МЭМС с использованием метода пропорциональной навигации, управляющей движением автономного подвижного объекта.
Для достижения указанной цели необходимо было решить следующие задачи:
1. Проанализировать существующие методы реализации
автоматизированных систем управления (АСУ) и систем навигации,
методы сближения подвижных объектов по траектории и расчета
навигационных параметров.
-
Разработать структуру бесплатформенной АСУ на основе МЭМС, использующую метод пропорциональной навигации и состоящую из минимального количества компонентов.
-
Разработать алгоритм расчета компонентов кватерниона перехода_из одной системы координат в другую.
-
Разработать алгоритм расчета угловой скорости поворота линии визирования (ЛВ) для реализации метода пропорциональной навигации.
-
Разработать алгоритм управления движением автономного подвижного объекта, учитывающий изменения угловой скорости колебания (вращения) по крену.
-
Разработать имитационные модели функционирования АСУ на основе МЭМС и движения мобильного подвижного объекта.
7. Исследовать с помощью разработанных имитационных
моделей эффективность функционирования АСУ, а именно зависимость
фактического промаха автономного подвижного объекта от начальных
углов между вектором скорости и линией визирования.
Объект и предмет исследования. Объектом исследования является автоматизированная система управления автономного подвижного объекта.
Предмет исследования составляют методы и алгоритмы функционирования автоматизированной системы управления на основе МЭМС с использованием метода пропорциональной навигации.
Научная новизна. Диссертационные исследования позволили получить следующие новые научные результаты:
1. Предложен метод расчета угловой скорости поворота линии
визирования с помощью фильтра Калмана, учитывающий вращение и
колебания автономного подвижного объекта, при использовании
инерциальных МЭМС и оптического блока сканирования.
Предложенный метод основан на расчете модуля угловой скорости
поворота линии визирования в плоскости, образованной двумя
последними единичными векторами линии визирования, с
использованием навигационных данных в интервале времени одного
периода импульсного сигнала пеленга.
2. Предложен метод амплитудно-фазового управления
аэродинамическими рулями, позволяющий управлять движением
автономного подвижного объекта с учетом собственных колебаний и
вращения.
3. Разработаны имитационные модели функционирования АСУ
на основе МЭМС и движения автономного подвижного объекта,
учитывающие характеристики используемых МЭМС и других сенсоров,
аэродинамические характеристики автономного объекта и внешних
факторов. Разработанные модели позволяют проводить анализ
эффективности АСУ при различных начальных углах между вектором
скорости и линией визирования.
Практическая значимость работы заключается в следующих результатах:
разработанный метод расчета угловой скорости поворота ЛВ с помощью фильтра Калмана применим для различных видов подвижных объектов, таких как: вращающиеся по крену малые летательные аппараты (МЛА), беспилотные МЛА самолетного и вертолетного типов, различные виды роботов и роботизированных комплексов технологических процессов;
разработанный алгоритм расчета угловой скорости поворота ЛВ с помощью фильтра Калмана может использоваться для автоматической посадки беспилотных МЛА, в части выхода на взлетно-посадочную полосу;
- разработанный блок навигации и ориентации может
применяться в различных типах малых подвижных объектов, где
необходимо определение пространственно-ориентированного
положения;
разработанный блок сканирования оптический (БСО) может применяться в различных типах малых подвижных объектов, где необходимо сближение подвижного объекта с целью;
разработанные имитационные модели функционирования АСУ на основе МЭМС и движения автономного подвижного объекта позволяют обеспечить необходимое попадание автономного подвижного объекта в заданную область (допустимый промах) при различных начальных углах между вектором скорости и линией визирования;
определены оптимальные навигационные параметры начального участка траектории движения МЛА, когда цель неподвижна или движется со скоростью до 15 м/с, при которых вероятность попадания в заданную область (допустимый промах) радиусом Зм составляет более 0,9.
Методы исследования. При решении задач, рассматриваемых в диссертации, были использованы методы математического моделирования, математического анализа, теории вероятностей и математической статистики.
Личный вклад автора.
В ходе выполнения диссертационной работы автором были разработаны метод и алгоритм расчета угловой скорости поворота линии визирования с помощью фильтра Калмана, алгоритм управления движением автономного подвижного объекта, алгоритмы имитационных моделей функционирования АСУ и движения автономного подвижного объекта. Все исследования эффективности функционирования АСУ, анализ результатов, полученных с помощью имитационных моделей осуществлялись непосредственно автором.
Результаты, выносимые на защиту и составляющие научную новизну диссертационной работы, получены автором лично в институте НМСТНИУМИЭТ.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Разработанные алгоритм и метод расчета угловой скорости
поворота линии визирования с помощью фильтра Калмана, позволяющие
рассчитывать значения с погрешностью менее 0,3 град./с при скорости
вращения (колебания) автономного подвижного объекта до 4000 град./с.
2. Разработанные алгоритмы имитационных моделей
функционирования АСУ на основе МЭМС и движения автономного
подвижного объекта позволяют проводить статистический анализ
вероятности выхода автономного подвижного объекта в заданную область (эффективность функционирования АСУ).
3. Результаты исследования функционирования АСУ на основе МЭМС, полученные с помощью разработанных имитационных моделей при различных начальных условиях, позволяющие повысить эффективность работы АСУ, вероятность попадания более 0,9 в заданную область (допустимый промах) радиусом 3 м при двигающейся цели со скоростью до 15 м/с, диапазон углов между линией визирования и вектором скорости составляет -2zpad.<
Реализация результатов работы.
Результаты исследований были использованы:
при выполнении проекта по соглашению №14.575.21.0069 «Разработка конструкции и технологии изготовления инерциальной измерительной системы на основе интегрированных микромеханических акселерометров и гироскопов», проводимого в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы». Уникальный идентификатор RFMEFI57514X0069 (акт об использовании прилагается);
при выполнении ГК № 16411.44.32017.11.064 от 14 ноября 2016г. ОКР «Разработка и освоение серийного производства на отечественном предприятии серии МЭМС-гироскопов и акселерометров», шифр «Микрос-И2». Идентификатор 17705596339 16 0009830 (акт об использовании прилагается).
Разработанный метод расчета пространственного положения тела с помощью фильтра Калмана был использован в приборе БСКРТ (блок строчно-кадровой развертки), входящего в состав космического метеорологического спутника «Электро-2» (акт об использовании прилагается);
Результаты работы применяются в учебном процессе НИУ «МИЭТ» института НМСТ при подготовке лекционных материалов и лабораторных работ по курсам «Физические принципы создания устройств для получения первичной информации», «Проектирование МЭМС-устройств» и «Информационные устройства и системы в робототехнике» (акт об использовании прилагается).
Апробация работы.
Основные положения диссертации докладывались на 16-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика-2009», 2009, Москва; XVII Международной научно-практической конференции «Техника и технология: новые перспективы развития», 2015, Москва; VI Международной научно-практической конференции "Современное состояние и перспективы развития научной мысли", 2015, Уфа; Международной научно-практической конференции «Актуальные задачи математического моделирования и информационных технологий», 2015, Сочи; 18-й Международной конференции «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы», 2015, Ульяновск; научно-практической конференции «Практика внедрения интерактивных технологий в учебный процесс НИУ МИЭТ», 2015, Москва; Международной научно-практической конференции «Инновационные исследования: проблемы внедрения результатов и направления развития» 2017, Челябинск.
Публикации. Основные научные результаты диссертации были опубликованы в 15 печатных работах, включая 7 научно-технических статей в журналах из списка ВАК РФ, в том числе 1 - в международной реферативной базе данных SCOPUS, а также 8 - тезисов докладов на российских и международных конференциях, входящих в систему цитирования РИНЦ.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, заключения, четырех приложений, изложенных на 160 страницах и включает в себя 6 таблиц, 88 рисунков и списка используемой литературы из 128 наименований.