Введение к работе
Актуальность работы.
Одним из перспективных навигационных датчиков является волновой твердотельный гироскоп (ВТГ). Принцип действия ВТГ основан на свойстве из-гибных колебаний тонкостенного полусферического резонатора, изготовленного из кварцевого стекла, сохранять ориентацию в пространстве. При вращении ВТГ положение изгибных колебаний полусферического резонатора (угла волны) изменяется пропорционально углу поворота резонатора, причем коэффициент пропорциональности (масштабный коэффициент) отличен от единицы. Измерение угла волны позволяет найти угол поворота резонатора относительно инерциального пространства.
Основным достоинством ВТГ является простота конструкции и отсутствие вращающихся механических частей. Для обеспечения высокой точности ВТГ необходимо выполнение следующих условий:
наличие материалов со стабильными характеристиками;
высокое качество изготовления деталей и сборки гироскопа, обеспечивающие высокую добротность и изотропность полусферического резонатора, высокую стабильность характеристик ВТГ;
надежное программно-математическое обеспечение систем съема информации и поддержания заданной амплитуды и квадратуры колебаний резонатора;
высокоточная и корректная математическая модель зависимости угла поворота ВТГ от угла волны.
Использование современных технологий и материалов позволяет выполнить требования первых трех пунктов на заданном уровне. Как следствие, появляется возможность повышения точности ВТГ за счет уточнения математической модели зависимости угла поворота ВТГ от угла волны.
Существующие модели основываются на разложении в ряды Фурье масштабного коэффициента и систематической составляющей дрейфа волны ВТГ. Основным недостатком таких моделей является сложность учета влияния температуры, ускорений и других факторов на дрейф волны, требующая более глубокого изучения физических процессов и методов их описания.
В настоящее время перспективным направлением описания моделей различных физических процессов является использование искусственных нейронных сетей, позволяющих после предварительного обучения реализовывать трудно формализуемые зависимости значений выходных величин от известного набора входных. Поэтому представляется весьма актуальным использование искусственных нейронных сетей для решения задачи калибровки ВТГ.
Целью диссертационной работы является создание метода и алгоритмов калибровки ВТГ на основе нейросетевой технологии.
Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:
экспериментальное исследование характера влияния различных возмущающих факторов на дрейф волны и выявление основных закономерностей;
определение параметров используемой для решения задачи калибровки ВТГ нейронной сети;
реализация математической модели нейронной сети и алгоритмов её обучения на базе технологических и бортовых ЭВМ;
построение системы алгоритмов обработки информации ВТГ с учетом применения в их составе нейронных сетей;
математическое моделирование нейросетевых алгоритмов калибровки твердотельного волнового гироскопа;
проведение экспериментальных исследований нейросетевых алгоритмов калибровки волнового твердотельного гироскопа.
При решении поставленных задач использовались методы:
структурного и объектно-ориентированного программирования на языках высокого уровня;
математического моделирования нейросетевых алгоритмов калибровки ВТГ;
обучения и настройки нейронных сетей;
полунатурного моделирования на лабораторных стендах;
статистической и нейросетевой обработки данных натурных работ, в том числе летных испытаний.
Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:
- на примере гироскопа ТВГ-3 проведена экспериментальная проверка
теоретической модели дрейфа волны ВТГ при изменении угловых скоростей в
диапазоне до 400 %;
показано, что использование искусственной нейронной сети типа многослойный персептрон, имеющей один скрытый слой с 20-^30 нейронами, при калибровке ВТГ обеспечивает компенсацию систематического дрейфа с погрешностью не более 1%, а компенсацию погрешности масштабного коэффициента -не более 0,1%;
создан и апробирован метод настройки искусственной нейронной сети с использованием высокоточного технологического стенда Acutronic;
создан алгоритм калибровки ВТГ, основанный на применении нейронных сетей и обеспечивающий повышение точности датчика в диапазоне температур от -40 С до +60 С и при угловых скоростях до 400 %;
- показана возможность использования нейронной сети для обработки
первичной информации в алгоритмах БИНС.
Положения диссертации, выносимые на защиту:
реализованная с помощью искусственных нейронных сетей зависимость угла поворота ВТГ от угла волны и температуры, которая адаптирована к применению в составе бортового оборудования;
метод калибровки волновых твердотельных гироскопов с помощью нейронных сетей, обеспечивающий повышение их точности в диапазоне температур от -40 С до +60 С и при угловых скоростях до 400 %;
алгоритм построения обучающих выборок и обучения искусственных нейронных сетей для калибровки ВТГ в лабораторных условиях;
способ использования нейронных сетей в алгоритмах обработки измерительной информации БИНС, повышающий точность счисления основных навигационных параметров в 2-3 раза.
Практическая ценность и внедрение результатов работы:
- на примере ТВГ-3 экспериментально подтверждена теоретическая мо
дель дрейфа волны ВТГ при изменении угловых скоростей в диапазоне до
400 %;
с использованием нейронных сетей реализованы зависимости систематической составляющей дрейфа волны ВТГ и масштабного коэффициента от угла волны и температуры, адекватно описывающие поведение погрешностей ВТГ в диапазоне температур от -40 С до +60 С и при угловых скоростях до 400 %;
разработана методика использования нейросетевых алгоритмов для решения задачи калибровки ВТГ, включающая рекомендации по выбору параметров модели нейронной сети;
разработанные алгоритмы калибровки ВТГ доведены до практической реализации в виде программного кода, внедренного в состав вычислителей.
Материалы исследований использованы при выполнении этапов НИР «Артик», НИР «Зигзаг», ОКР по разработке ВТГ, проводимых ЗАО «Инерци-альные технологии «Технокомплекса». Внедрение подтверждается соответствующими актами.
Апробация диссертационной работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на различных российских и международных конференциях, в том числе на:
- международной конференции «Авиация и космонавтика» (МАИ,
г. Москва) в 2007 году;
- всероссийской конференции молодых ученых и студентов «Информаци
онные технологии в авиационной и космической технике» (МАИ, г. Москва) в
2008 году;
- международном научно-техническом семинаре «Современные технологии в задачах управления автоматики и обработки информации» (г. Алушта, Украина) в 2007 и 2008 годах.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 научных работ, из них 1 — в журнале, включенном в перечень ВАК Российской Федерации.
Личный вклад автора. Все научные положения, обладающие новизной и выносимые на защиту, разработаны лично автором или при его решающем вкладе в исследования, выполненные совместно с учеными и специалистами Московского авиационного института, ОАО «Раменское приборостроительное конструкторское бюро» и ЗАО «Инерциальные технологии «Технокомплекса».
Структура и объем диссертации. Диссертация объемом 153 страницы состоит из введения, 4 глав, выводов, заключения, списка литературы из 81 наименования, а также четырех приложений. В диссертации содержится 63 рисунка и 20 таблиц.
