Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса по теме диссертации и постановка задач 11
1.1 Предмет исследования диссертации. Место в структуре БИНС 11
1.2 Современное состояние отечественных и зарубежных образцов БИНС 12
1.3 Современные БИНС, на примере отечественной, производства ООО «НПК «Оптолинк». 1.3.1 Принцип работы 21
1.3.2 Бесплатформенная инерциальная навигационная система БИНС-500 24
1.3.3 Бесплатформенная инерциальная навигационная система БИНС-501 26
1.3.4 Основные характеристики БИНС НПК «Оптолинк» 1.4 Анализ современных отечественных вычислителей, применимых для получения и предварительной обработки данных в составе БЧЭ 32
1.5 Применение методов и алгоритмов математической статистики для первичной обработки данных БЧЭ 36
1.6 Помехоустойчивый метод обработки данных на основе байесовской статистики 39
1.7 Сравнительный анализ метода статистической обработки результатов измерений 47
1.8 Выводы 50
Глава 2. Разработка структуры и методики обработки сигналов первичных датчиков, калибровки и настройки БЧЭ 52
2.1 Анализ сигналов с датчиков БЧЭ. Постановка задач 52
2.2 Разработка структуры БЧЭ 54
2.3 Разработка методики предварительной обработки данных датчиков БЧЭ, на основе помехоустойчивого метода статистической обработки данных, в условиях однозадачности и ограниченных вычислительных ресурсов 55
2.4 Определение времени выполнения алгоритма предварительной обработки данных 59
2.5 Разработка структуры построения программных модулей для вычислителей, входящих в состав БЧЭ 60
2.6 Разработка методики калибровки БЧЭ 63
2.7 Выводы по главе 66
Глава 3. Программная и аппаратная реализация БЧЭ и его составных частей 68
3.1 Разработка структуры построения блока чувствительных элементов на основе выбранных чувствительных элементов 68
3.1.1 Гироскоп ОИУСЮОО ПНСК40-018-05 69
3.1.2 Акселерометр АК-15 74
3.1.3 Микроконтроллер серии 1986ВЕ9х 77
3.1.4 Структурная схема БЧЭ 3.2 Разработка структуры программных модулей БЧЭ на основе созданной структурной схемы 79
3.3 Блок сбора первичной информации. Аппаратная реализация 81
3.4 Блок сбора первичной информации. Программная реализация 84
3.5 Вычислитель. Аппаратная реализация 94
3.6 Вычислитель. Программная реализация 95
3.7 Выводы по главе 99
Глава 4. Экспериментальные исследования 102
4.1 Поставленные эксперименты 102
4.2 Выводы 107
Заключение 108
Список литературы
- Современные БИНС, на примере отечественной, производства ООО «НПК «Оптолинк».
- Разработка структуры БЧЭ
- Гироскоп ОИУСЮОО ПНСК40-018-05
- Блок сбора первичной информации. Аппаратная реализация
Современные БИНС, на примере отечественной, производства ООО «НПК «Оптолинк».
Рассмотрим подробную структуру и принцип работы современной БИНС на примере изделий НПК «Оптолинк». Необходимая информация представлена в статье [5].
Структурные схемы одноосных (ОИУС) и трехосных (ТИУС) ВОГ с ЦОС представлены на рис. 1.4 и 1.5 соответственно. В состав приборов входит один источник света с центральной длиной волны излучения 1550нм, один или три фотодетектора; один или два разветвителя (1:1 и 1:2) для деления света, один или три интерферометра, чувствительных к ортогональным угловым скоростям, и блок электроники. Кольцевой интерферометр состоит из многофункционального интегрально-оптического элемента (МИОЭ) и из сохраняющего состояние поляризации света волоконного контура (ВК) длиной 200, 500, 1000 или 2000 м собственного производства. МИОЭ представляет собой интегрально-оптическую схему, сформированную на пластине кристалла ниобата лития [6]. В ТИУС-500 (и БЧЭ-500) используется один излучатель на три канала. Использование трех УФП позволяет вести обработку сигналов одновременно с трех каналов независимыми блоками цифровой обработки (БЦО). Каждый из БЦО формирует напряжения для получения пилообразной (ступенчатой) компенсирующей модуляции света для компенсации разности фаз Саньяка и внесения постоянного фазового сдвига между встречными световыми волнами на тт/2 рад с помощью вспомогательной модуляции (ВМ). Тем самым, обеспечивается непрерывная работа каждого из каналов в режиме замкнутого контура [6-11, 15-17].
Структурная схема ОИУС с ЦОС: СЛД суперлюминесцентный диод, БУИ - блок управления излучателем, ВР волоконный разветвитель, ВК- волоконный контур, МИОЭ многофункциональный интегральный оптический элемент, УФП устройство фотоприемное, ДП - деполяризатор, RS-485 последовательный интерфейс
Структурная схема ТИУС-500 В настоящее время НПК «Оптолинк» разработаны и серийно выпускаются семейство одноосных ВОГ ОИУС-2000, ОИУС-1000, ОИУС-501 и ОИУС-200, отличающихся длиной и диаметром волоконного контура, а также трехосные ВОГ ТИУС-500 и блоки чувствительных элементов (БЧЭ) БЧЭ-500 и БЧЭ-501 [6-11, 15-17]. Точностные и эксплуатационные параметры приборов представлены в табл. 1.6.
Точностные и эксплуатационные параметры ВОГ, разработанных и серийно выпускаемых НПК «Оптолинк
Характеристики ОИУС-2000одноосный ОИУС-1000одноосный ОИУС-501 одноосный ТИУС-500трехос ный ОИУС-200 одноосный ВОБИСтрехосный(космический) Диапазон измеряемых угловых скоростей, 7с ±40 ±90 ±250 ±300 ±800 ±30 Смещение нуля при фиксированной температуре, 7с 0.005 0.01 0.03 0.1 0.2 0.03 Погрешность масштабного коэффициента, ррт 100 200 500 700 1000 500 Полоса пропускания, Гц 50 100 300 300 400 100 Спектральная плотность мощности шума, град/ ч 0.0003 0.0005 0.003 0.01 0.02 0.001 Масса прибора, кг 1.1 0.8 0.35 1.2 0.22 2.6 Габаритные размеры, мм 0250x80 0150x80 0100x30 110х110х 90 070x28 172х176х 110 Выходной сигнал RS485/RS422
Бесплатформенные инерциальные навигационные системы БИНС-500 (БИНС-500К, БИНС-500М) и БИНС-501 предназначены для формирования и выдачи потребителям пилотажно-навигационной информации, как в автономном (инерциальном) режиме, так и в режиме интеграции со спутниковым приемником.
Системы БИНС-500К и БИНС-500М построены на базе блока чувствительных элементов (БЧЭ) БЧЭ-500, включающего трехосный волоконно-оптический измеритель угловой скорости ТИУС500 производства компании «Оптолинк» и три установленных ортогонально акселерометра сторонних изготовителей (АТ-1104, INN-203 или других по выбору заказчика). Выходная информация выдается в цифровом виде по каналу RS-422 (возможно по RS-485, MIL-STD-1553B и других по выбору заказчика). Управление работой ВОГ (БЧЭ) (управление режимами работы СЛД, обработкой сигналов с фотодетекторов, управление фазовыми модуляторами) осуществляется блоком сервисной электроники ВОГ (БЧЭ). Аналоговые сигналы, пропорциональные ускорениям по ортогональным осям, с трех акселерометров поступают на три канала 24 разрядного АЦП. На 4 вход АЦП поступает информация с температурного датчика. Вычислитель интерфейсного устройства обрабатывает информацию от всех датчиков угловой скорости, ускорения, температуры и выдает ее в последовательный канал обмена с вычислителем. Вычислитель системы решает задачи автономной выставки, ориентации и навигации. Вычислитель обменивается с внешним устройством по последовательному каналу - выдает потребителю информацию об угловом положении, координатах, скоростях объекта и принимает от потребителя начальные данные. Спутниковый приемник (1К-161) выдает по последовательному каналу в вычислитель корректирующую информацию о координатах и скоростях при наличии видимых спутников ГЛОНАСС или/и НАВСТАР. Вычислитель системы корректирует инерциальную систему при наличии достоверной информации от СНС. При отсутствии информации СНС система выдает потребителю автономную инерциальную информацию [12-14].
На этапе грубой начальной выставки системы БИНС-500К (реализована выставка в статических условиях) выполняется приближенное определение угловой ориентации блока инерциальных чувствительных элементов (ЧЭ) по выходным сигналам ЧЭ.
На этапе точной начальной выставки системы БИНС оцениваются ошибки угловой ориентации блока инерциальных ЧЭ (БЧЭ), а также остаточные дрейфы ЧЭ и параметры их динамических моделей. Данная задача решается методом аналитического гирокомпасирования с применением математического аппарата калмановской фильтрации.
Оценивание и компенсация ошибок системы БИНС в навигационном режиме выполняется по позиционным и скоростным инерциально-спутниковым наблюдениям.
В настоящее время в НПК «Оптолинк» организовано серийное производство БИНС-500К для различных применений: в наземной, авиационной (самолеты, вертолеты, БПЛА), подземной (газо- и нефтепроводной), подводной навигации, в радио - и космической связи. 1.3.3 Бесплатформенная инерциальная навигационная система БИНС-501
В 2011 г. в компании НПК «Оптолинк» закончена разработка и начато серийное производство бесплатформенной инерциальной навигационной системы БИНС-501 (рис. 1.7), построенной на базе БЧЭ-501, включающего три одноосных волоконно-оптических измерителя угловой скорости ОИУС-501 производства компании «Оптолинк» и три установленных ортогонально акселерометра сторонних изготовителей. БИНС-501 предназначены для наземного и воздушного применений (реализована выставка в статических условиях) и показали улучшенные, по сравнению с БИНС-500К, точностные характеристики - точность определения курса (гирокомпасирования) 0,1 (рис. 1.8), погрешность определения координат в инерциальном режиме - 8 км/ч и повышенную температурную стабильность
Разработка структуры БЧЭ
Эксперимент производился путем симуляции в среде разработки программного обеспечения Keil jVision. Необходимо отметить, что в линейке Cortex М присутствует ядро Cortex М4 FPU, отличающееся от Cortex М4 наличием математического сопроцессора для выполнения операций с плавающей точкой. Так как в разработанной методике присутствуют подобные операции, то можно предположить, что время обработки на таком ядре будет ниже представленных. Однако из-за отсутствия режима симуляции для данного ядра не предоставляется возможным вычисление времени выполнения на нем.
На основе предложенной структурной схемы и методики была разработана структура построения программных модулей блока для вычислителей блока БЧЭ, представленная в приложении 2.
Блок получения данных с АЦП МК осуществляет программную реализацию механизма АЦП сигнала температурного канала акселерометра. Блок технологической калибровки АЦП МК используется на стадии технологической настройки БЧЭ и необходим для точной калибровки АЦП микроконтроллера и всего измерительного тракта для каждого производимого образца БЧЭ. Результатом работы данного блока являются настроечные коэффициенты для каждого канала АЦП, занесенные в энергонезависимую память МК. Блок начальной инициализации АЦП МК используется при каждом включении БЧЭ, который необходим для конфигурирования АЦП под выбранный режим работы и для загрузки в него из энергонезависимой памяти настроечных коэффициентов. Стоит отметить, что блок работы с АЦП МК работает с тремя каналами
Блок работы с внешним АЦП необходим для работы с тремя микросхемами АЦП и высокоточного получения данных линейного ускорения трех акселерометров.
По своему принципу блоки аналогичны блокам работы с АЦП МК, описанным выше. Отличие состоит только в разном способе обмена данными с АЦП: в первом случае он встроен в МК, во втором-обмен происходит посредством внешней шины данных.
Блок работы с гироскопом, как и предыдущие блоки, состоит из субблоков и включает в себя: блок получения и разбора пакета данных с гироскопа; блок технологического конфигурирования гироскопа. Блок получения и разбора пакета данных с гироскопа осуществляет непосредственно получение и разбор пакета данных угловой скорости и температуры трех гироскопов. Блок технологического конфигурирования гироскопа отвечает за работу с тремя гироскопами в технологическом режиме и за ввод (по технологическому каналу) в энергонезависимую память индивидуальных настроечных коэффициентов прибора, содержащихся в технической документации к каждому гироскопу.
Блок работы с коэффициентами EEPROM необходим для операций чтения/записи/стирания настроечных коэффициентов в энергонезависимой памяти микроконтроллера. Блок работы в технологическом режиме необходим для работы с сервисными функциями БЧЭ, такими как запуск калибровки, операции передачи и получения по технологическому каналу настроечных коэффициентов и др. Данный блок используется при конфигурировании БЧЭ в момент производства либо при возникновении неисправностей с ним.
Блок математической обработки состоит из субблоков и выполняет такие математические функции, как нормализация и приведение полученных данных угловой скорости, линейного ускорения и температуры приборов в необходимый формат. Также блок включает в себя субблок предварительной обработки данных, содержащий в себе методику, разработанную в части 2 настоящей главы.
Блок формирования и отправки конечного пакета данных необходим для работы с конечным потребителем - блоком обработки инерциальной информации. 2.6 Разработка методики калибровки БЧЭ
Методика калибровки БЧЭ сводится к калибровке аналоговых измерительных трактов, к которым относятся каналы измерения линейного ускорения и каналы измерения температуры акселерометров.
Методика калибровки БЧЭ основывается на следующих принципах: 1. Перед началом процедуры калибровки производится отстыковка акселерометров от измерительных каналов БЧЭ. Процедура калибровки проходит последовательно в 2 этапа - калибровка ухода нуля измерительного канала и калибровка максимальной шкалы измерительного канала с сохранением в энергонезависимую память полученных калибровочных коэффициентов; 2. Для уменьшения времени калибровки калибровка осуществляется одновременно для всех измерительных каналов; 3. Для увеличения точности производится многократная калибровка с усреднением полученных калибровочных коэффициентов. Последовательность действий согласно разрабатываемой методике
ОИУСЮОО ПНСК40-018-05
Данный блок предназначается для организации информационного обмена с датчиками. Основная задача блока состоит в считывании информации с датчиков (3-х акселерометров и 3-х датчиков угловой скорости - гироскопов) и передаче её в вычислитель. Электрическая принципиальная схема БСПИ представлена в приложении 5.
Для улучшения помехоустойчивости в схеме применяется разделение питающих цепей на аналоговую и цифровую. Линии ОВ для аналоговых и цифровых цепей разделены. Помимо этого в схеме применяются фильтрующие конденсаторы, необходимые для снижения пульсаций напряжения.
Входное напряжение цифровой части схемы составляет 5 В. Это обусловлено тем, что большинство цифровых микросхем, применяемых на данной плате, используют напряжение питания, равное 5 В, однако для питания микроконтроллера D16 1986ВЕ91Т требуется 3.3 В. Поэтому для его подключения используется линейный преобразователь напряжения D3 1303ЕНЗ.ЗП (UBMK = 3.3В).
Входное напряжение питания аналоговой части схемы двуполярное -±15 В. Такое напряжение необходимо для работы операционных усилителей, примененных в данной схеме. Однако для работы некоторых аналоговых частей схемы требуется наличие напряжений 5 В и 3.3 В. Поэтому на плате применены микросхемы линейных преобразователей напряжения D1 142ЕН5А и D2 1303ЕНЗ.ЗП. Резисторы R1 и R2 номиналом 10 Ом предназначены для снижения напряжения, поступающего на D1 и, как следствие, уменьшения теплового рассеивания D1.
Для преобразования тока выходных цепей акселерометра в напряжение применены высокоточные резисторы R3, R15, R27 номиналом 1КОм и R60, R73, R74 номиналом ЮКОм. Номиналы данных резисторов выбраны в соответствиями с рекомендациями, указанными в технической документации на акселерометры АК-15-2 [24].
Узлы схемы, собранные на операционных усилителях D5, D6, D7, D8, D9 544УД19УЗ и имеющие необходимые электроэлементы обвязки, представляют собой двуполярные ограничители напряжения. Они служат для защиты входных цепей АЦП от повышения выходного напряжения акселерометров. Напряжения ограничения задаются резисторными делителями R12, R7, R8 и R13, R9, R10 (для 2-го и 3-го измерительных каналов-по аналогии).
Узлы схемы, собранные на операционных усилителях D13, D14, D15 140УД31АТВК и имеющие необходимые электроэлементы обвязки, представляют собой преобразователи двуполярного сигнала в однополярный с коэффициентом усиления 1/3. В них предусмотрено ограничение выходного напряжения с целью защиты входных цепей АЦП.
На отечественном рынке двуполярных АЦП лидирует микросхема сигма-дельта АЦП 1273ВП9Р. Поэтому она (вместе с необходимыми электроэлементами обвязки) применена в качестве АЦП напряжения для каналов высокоточного измерения линейного ускорения акселерометров. Для аналого-цифрового преобразования каналов измерения температуры акселерометров применяется менее точный - внутренний АЦП микроконтроллера D16 1986ВЕ91Т.
Для работы микроконтроллера с датчиками угловой скорости (гироскопами) ОИУС - 1000 по последовательному интерфейсу RS-485 используется приемопередатчик D20 5559ИН10. Как было отмечено во второй главе, для работы гироскопа в необходимом режиме требуется подача на него сигналов запроса данных. В качестве формирователя этих сигналов применен микроконтроллер, а для усиления этих сигналов использованы узлы схемы, построенные на транзисторах V1, V4, V7 -2Т665А9.
В качестве вычислительного устройства данной платы выбран микроконтроллер D16 1986ВЕ91Т.
Для перевода его в режим программирования по последовательному интерфейсу UART (порт F.0, порт F.1) необходима подача сигналов на выводы MODE0, MODE1, MODE2. В соответствии со спецификацией на микроконтроллер это: MODE0=0, MODE1=1, MODE2=1. За перевод микроконтроллера в этот режим отвечает узел, состоящий из транзистора V14 2Т3130А9, резисторов R106-R111. При подаче на линию BSL напряжения 5В устанавливаются соответствующие логические уровни на выводах MODE0, MODE1 и MODE2. Интерфейс программирования по последовательному интерфейсу UART преобразуется в физическую линию RS - 422 посредством двух микросхем приемопередатчиков D18, D19 5559ИН10АУ. Для принудительной перезагрузки микроконтроллера во время отладки и программирования предусмотрен узел, построенный на базе транзистора V13 2Т3130А9. Также предусмотрены программирование и отладка микроконтроллера по интерфейсу JTAG.
Согласно описанию прибора во второй главе, ВОГ предусматривает 3 режима обмена данными - I, II и III. Выбор режима обмена производится посредством подачи синхроимпульсов или постоянного напряжения 5В на вход синхросигнала. Если синхроимпульсы и постоянное напряжение 5В отсутствуют на входе синхросигнала, работает протокол SSP 2.0 - режим I. С приходом синхроимпульса протокол SSP отключается, производится измерение и выдача фиксированного кадра - режим II. Установка постоянного напряжения 5 В на входе синхросигнала и удержание его более 500 мсек включает режим III измерения и выдачи фиксированного кадра по внутреннему таймеру. Обмен осуществляется через асинхронный последовательный интерфейс RS-485. «По умолчанию» скорость обмена 115,2 кБод, 8 бит, 2 стоп-бита без контроля четности.
Блок технологического конфигурирования производит обмен данными с прибором в режиме I. Обмен информации с прибором в данном режиме производится в соответствии с протоколом SSP 2.0. Применяемый протокол использует способ разбиения на кадры по RFC1055 (SLIP), чтобы разделить поток символов. Каждый кадр начинается и заканчивается символом FEND (ОхсО). Если FEND содержится в данных пакета, он посылается внутри кадра как FESC TFEND (Oxdb Oxdc). Если FESC содержится в данных пакета, он посылается внутри кадра как FESC TFESC (Oxdb Oxdd). Символ FESC с любым символом, за исключением TFEND или TFESC, является ошибкой. Символы TFEND и TFESC являются обычными символами, если им не предшествует FESC. Протокол SSP не поддерживает арбитраж шины между несколькими ведущими устройствами. Каждый кадр RFC1055 включает в себя пакет SSP.
Блок сбора первичной информации. Аппаратная реализация
Частота оцифровывания и обработки сигнала и количество точек в выборке выбраны таким образом, чтобы иметь максимально допустимый сдвиг выходного сигнала БЧЭ относительно реально измеренного не более чем в 50.
На рис. 5.1 изображены графики измерения канала линейного ускорения при нахождении БИНС в неподвижном положении, что соответствует режиму «стоянка». Графику «а» соответствует выходной сигнал БЧЭ без применения методики предварительной обработки сигналов, графику «б» - с применением.
На рисунках 5.2 и 5.3 представлены графики измерения канала линейного ускорения в момент возникновения «выбросов», причем графику на рисунке 5.2 соответствует медленно протекающий выброс, а на рисунке 5.3 - быстро протекающий (графику «а» соответствует выходной сигнал без применения разработанной методики а, графику «б» - с применением).
Был произведен анализ графиков на измерение коридора ошибки в пределах одной выборки. Под коридором ошибки подразумевается разница между максимальным и минимальным значением в выборке. Результаты измерений и расчётов представлены в табл. 5.2.
Анализ показал, что примененная методика предварительной обработки данных дает сглаживание выходного сигнала и существенное снижение коридора ошибки. В зависимости от режима работы БИНС, уменьшение коридора ошибки выходного сигнала БЧЭ составляет в среднем от 2 до 16 раз.
Для микроконтроллера 1986ВЕ91Т, работающего на типовой тактовой частоте 80МГц, было измерено время обработки одной выборки, которое составляет 11мс. Так как АЦП и ВОГ можно конфигурировать на частоты выдачи информации вплоть до 1 КГц, то можно говорить, что максимальная частота выдачи информации с БЧЭ ограничивается временем работы алгоритма предварительной обработки данных. При обработке данных с трех акселерометров максимальная частота выдачи информации с блока БЧЭ составляет 30Гц, что является приемлемым результатом для БИНС.
Был поставлен эксперимент по увеличению тактовой частоты микроконтроллера с типовых 80МГц до 150МГц. При этом время обработки одной выборки уменьшилось до 6,5мс. Это означает, что частота выдачи информации от БЧЭ в таком случае будет составлять порядка 50Гц.
Разработанный в 3 главе блок чувствительных элементов был изготовлен в ОАО «ВНИИ «Сигнал». Над ним был произведен ряд экспериментов. В ходе экспериментов были исследованы характеристики математического аппарата БЧЭ. В частности, исследовалась помехоустойчивость разработанной и примененной методики предварительной обработки данных сигналов линейного ускорения. Исследование показало эффективность новой методики, а именно снижение коридора ошибки в зависимости от условий и режимов работы БИНС, в среднем, от 2 до 16 раз.
Анализ графиков выходных сигналов БЧЭ показал сглаживание и уменьшение шумов в выходной информации блока. Была рассчитана частота выдачи информации от БЧЭ, которая составила от 30 до 50 Гц в зависимости от тактовой частоты микроконтроллера, входящего в состав разработанного блока. В результате исследований, проведенных в рамках данной диссертационной работы, были получены следующие основные результаты:
Проведен анализ современного состояния бесплатформенных инерциальных навигационных систем. Анализ показал, что получаемые с датчиков сигналы, как правило, подвергаются минимальной обработке перед поступлением в блок обработки инерциальной информации, что в свою очередь грозит использованием в навигационных алгоритмах искаженных входных данных.
Был рассмотрен метод предварительной обработки данных на основе байесовской статистики и его преимущества перед другими статистическими методами. Анализ показал, что он весьма ресурсоемок, что не позволяет использовать его на вычислителях, применяемых в составе БЧЭ.
Был проведен анализ современного состояния отечественных вычислительных устройств, способных производить получение и первичную обработку данных с датчиков БЧЭ. В ходе анализа было установлено, что наиболее перспективными для решения поставленных задач являются микроконтроллеры серии 1986ВЕ9х.
На основе анализа современного состояния бесплатформенных инерциальных навигационных систем и с учетом выявленных недостатков разработана структура построения блока чувствительных элементов.
В ходе проведенного анализа сигналов, полученных с датчиков БЧЭ, было установлено, что в нем присутствуют выбросы, наилучшим методом обработки которых является рассмотренный в первой главе метод статистической обработки данных. Ввиду больших требований данного метода к вычислительным ресурсам на его основе разработана собственная методика и алгоритм предварительной обработки данных.
Разработана структура построения программных модулей для вычислителей, входящих в состав БЧЭ.
Для высокоточного получения информации с аналоговых акселерометров, входящих в состав БЧЭ, требуется применение современных АЦП преобразователей, имеющих высокую разрядность. Это, в свою очередь, требует разработки новых методик калибровки АЦП. Поэтому разработана собственная методика калибровки и настройки измерительных каналов БЧЭ.
