АЛГОРИТМ РАБОТЫ СТЕНДА ИЗМЕРЕНИЯ УПРУГИХ УГЛОВЫХ СМЕЩЕНИЙ ОСЕЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ВЫСОКОТОЧНЫХ БИНС Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

The description of positioning system of ground objects created on the basis of the radio-technical system of local navigation (RTSLN) of JSC «Central Research Institute for Automatics and Hydraulics» as well as setting the problem of experimental verification of the accuracy of determining coordinates using RTSLN (in comparison with global navigation satellite system (GNSS)).

Key words: positioning system, local navigation, radio-technical system.

Scherbinin Vwtor Victorovich, doctor of technical sciences, head of research department, [email protected], Russia, Moscow, JSC «CNIIAG»,

Kvetkin Georgy Alekseevich, candidate of technical sciences, head of laboratory, [email protected], Russia, Moscow, JSC «CNIIAG»,

Efanov Evgenii Dmitrievich, engineer, [email protected], Russia, Moscow, JSC «CNIIAG»,

Ryabov Semyon Alexandrovich, engineer-programmer, [email protected], Russia, Moscow, JSC «CNIIAG»,

Shevtsova Catherine Victorovna, leading researcher, [email protected], Russia, Moscow, JSC «CNIIAG»

УДК 629.7.05:681.786

DOI: 10.24412/2071 -6168-2024-6-8-19

АЛГОРИТМ РАБОТЫ СТЕНДА ИЗМЕРЕНИЯ УПРУГИХ УГЛОВЫХ СМЕЩЕНИЙ ОСЕЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ВЫСОКОТОЧНЫХ БИНС

А.В. Фролов

Представлен экспериментальный стенд измерения упругих угловых смещений осей чувствительных элементов или угловой жёсткости несущей системы БИНС, а также принципиальная электрическая схема прибора угломера. Разработан алгоритм работы стенда по измерению углов отклонения осей чувствительности несущих систем для высокоточных БИНС. Рассмотрены примеры типов деталей, предназначенных для измерения на разработанном стенде. Показаны пути дальнейшего повышения точности работы и создания рабочего прототипа системы измерения угловых смещений осей чувствительных элементов.

Ключевые слова: бесконтактные измерения, угловая жёсткость, упругие угловые смещения.

Введение. Разработанная в работе [1] система измерения упругих угловых силовых смещений осей чувствительных элементов несущей системы высокоточных бесплатформенных инерциальных навигационных

8

систем (БИНС), или стенд измерения угловой жёсткости, в дальнейшем называемый измерительным стендом, измерительной системой, системой измерения, экспериментальной системой или комплексом измерения, не имеет аналогов в настоящее время. Поэтому алгоритм работы стенда измерения разрабатывался без использования предыдущего поколения приборов. В данной статье разработаны методический подход и алгоритм работы измерительного стенда. Оценена структурная схема системы измерения и намечены пути дальнейшего совершенствования по измерению в первую очередь угловых силовых смещений осей чувствительных элементов (ЧЭ) высокоточных несущих систем приборов БИНС.

Рис. 1. Экспериментальный образец стенда измерения упругих угловых смещений осей ЧЭ (угловой жёсткости) несущей системы БИНС

Стенд измерения угловой жёсткости (рис. 1) состоит из трех приборов угломеров 1 «X», «У», «2уу„ размещенных на опорных конструкциях 2, измеряемой детали 3, части несущей БИНС.

Каждый угломер 1 (рис. 1) представляет собой прибор, измеряющий угловое упругое смещение осей чувствительности или направляющих косинусов (условных осей ортогональных установочных плоскостей), получает лазерный луч из диода 4, закреплённого при помощи приспособления из полиамида к исследуемой плоскости детали 3. Кроме того, в систему измерения жёсткости (рис. 1) входят персональный компьютер с разработанным программным обеспечением 5 и набор кабелей 6 для соединения всех элементов в единый измерительный комплекс.

9

Внутренний состав прибора угломера (рис. 1, поз 1) размещается в металлическом корпусе 1 на каркасе 2 из полиамида, показанном на рис. 2.

Рис. 2. Состав измерительной системы угломера стенда измерения угловой жёсткости с размещением элементов [1]

Кроме того, на каркасе 2 (рис. 2) размещены два четырехсегмент-ных разрезных фотодиода 3 и светоделительный куб 4, платы управления фотодиодами 5. Фотодиоды 3 связаны с платой 5 кабелями 6.

В качестве источника лазерного излучения использовался лазерный диод (см. рис. 1, поз 4) с длиной волны 635 нм, мощностью излучателя 5 мВт, диаметр пятна на расстоянии 100 - 200 мм находился в диапазоне 3,5 - 4 мм, в схеме предусмотрен токоограничивающий резистор номиналом 88 Ом для снижения интенсивности светового излучения в связи с ограничениями, наложенными производителем ЧРФ [1]. Электрическая схема платы управления фоторезисторами показана на рис. 3.

Рис. 3. Принципиальная схема прибора угломера стенда измерения

Плата управления фоторезисторами разработана для реализации задачи сбора измерительной информации о движении лазерного луча в двух проекциях, для этого были выбраны следующие стандартные компоненты, включенные в электрическую схему:

микроконтроллер AVR xMega128A1-AU (со встроенным АЦП); микросхема Flash памяти AT45DB641E (64 Mbit); микросхема преобразования интерфейса (USB-UART) FT323RL; фотодиоды SPOT-9DMI; светоделительный куб GCC-401112; стабилизатор напряжения 3,3 В - AP2138N-3.3TRG1. По результатам предварительного моделирования был собран макет измерительного устройства на базе отладочной платы MIKRO-xMEGA, реализующий принципиальную схему, изображенную на рис. 3.

Алгоритм работы электрической схемы реализует метод конечных автоматов так, что у устройства есть несколько состояний, в которые оно переходит, получая внешние команды по интерфейсу USB, при этом реализованы следующие четыре обязательных режима работы:

1) наблюдение в реальном времени за показаниями датчиков;

2) стирание микросхемы памяти;

3) скоростная (порядка 14 000 выборок/с) запись показаний датчиков во внутреннюю память;

4) передача записанных показаний из внутренней памяти в компьютер.

Для реализации указанных режимов работы разработано программное обеспечение (прошивка) для контроллера, реализующая приведенные режимы работы [2]. В измерительной системе прибора угломера использованы четырехсегментные разрезные фотодиоды [1] (см. рис 2, поз. 3) с диаметром чувствительной зоны, равной 9 мм, временем отклика менее 10 нс, ЧРФ включены в фотогальванической схеме. Для оцифровки сигналов [3] фотодиодов использован внутренний 12-разрядный АЦП 8-разрядного микроконтроллера с внутренним восьмиканальным мультиплексором [4] и с обвязкой сигнальных линий конденсаторами номиналом 0,1 мкФ (см. рис. 3). Для реализации высокоскоростного опроса датчиков со скоростью до 14 000 выборок в секунду используется схема внешней высокоскоростной Flash-памяти с номинальным объемом 64 Мбит.

Угломер подключается к персональному компьютеру с использованием интерфейса USB 2.0 или выше посредством аппаратного USB-UART моста (см. рис. 3).

Для сбора и обработки измерительной информации на языке C++ разработано специальное запатентованное программное обеспечение [2], при этом программная составляющая системы содержит две части: микропрограмму микроконтроллера [5]; программу для персонального компьютера.

Алгоритм работы микроконтроллера выстроен в логике теории конечных автоматов, управление производится посылкой управляющих команд с компьютера, что создает для системы измерения несколько рабочих режимов:

высокоскоростной сбор данных (цикличная оцифровка показаний угломеров и их запись во внешнюю память до ее заполнения);

передача данных по интерфейсу USB в компьютер (полная передача всех записанных данных из внешней памяти -720 896 записей);

калибровка системы (передача текущих показаний угломеров непосредственно в компьютер на низкой скорости для проведения калибровки и вычисления калибровочных поправочных коэффициентов [1], в текущей работе не рассматривается); простой.

Интерфейс компьютерной программы «Угломер» (рис. 4) реализован в формате однооконного приложения, реализует графические изображения перекрестий ЧРФ с отрисовкой в них проекций лазерного луча 1.

• (Г угломер v 2.0

Подключить Отключить I Остановить I стереть Статус зиъкь

4

3

2,31 I

Центр ФД1 (нижний) Центр ФД2 (прямой)

ХС1 18 YC1 -8 ХС2 1 YC2 -3

2

2 ?

Центр ФД1 (нижний) Центр ФД2 (прямой)

ХС1 17 TCI -IS ХС2 8 YCZ 8

Центр ФД1 (нижний)

6,4 °

Центр ФД2 (прямой)

YC1 -16 ХС2 6

Рис. 4. Внешний вид программного обеспечения работы стенда измерения упругих угловых смещений осей ЧЭ несущей системы БИНС

Помимо графического отображения показаний ЧРФ (рис. 4), в программном обеспечении отображаются текущие координаты центров фотодиодов в системе координат фотодиодов 2 по формулам из работы [1]:

(хс', ус', хс,уе) =

= ^0 • V(^11 • ХС" - ^12 • хс' + ЪгУ + (&21 • ус" - ^22 • ус' + М2,

12

где - суммарный угол отклонения лазерного луча начального положения; хс', ус', хс", ус" - координаты центров проекций лазерного луча в плоскостях проекций двух разрезных фотодиодов; ко - масштабный коэффициент, обусловленный диаметром лазерного луча; кп, кп, к21, к22 - масштабные коэффициенты, отвечающие за линейные искажения при регистрации координат проекций лазерного луча, такие как отклонение нормалей фотодиодов от номинального взаимно ортогонального расположения; Ь1, Ь2 - коэффициенты линейного смещения вдоль осей ЧРФ, отвечающие за отклонение центров координат фотодиодов от номинального расположения в нормальной плоскости.

Также на рис. 4 отображаются углы падения лазерных лучей 3 для каждого из приборов угломеров 4, исходя из направлений «X», «У», «2».

После установки измеряемой детали на стенде (см. рис. 1, поз 3), расстановки составных частей стенда и подключения их в общий комплекс измерения начинается процедура измерения угловых смещений фотодиодов, установленных на местах посадки ЧЭ. Алгоритм работы стенда можно условно разделить на несколько последовательных этапов: оценка высоты установки детали;

определение расстояния от прибора угломера до измеряемой поверхности детали;

настройка входного интерфейса программы «Угломер»; настройка нулевого положения для каждого прибора угломера из состава измерительного стенда;

коррекция работы угломеров после измерения температуры, влажности и запыления;

проведение цикла измерения.

Оценка высоты установки детали (см. рис. 1, поз 3) связана с установкой источников лазерного излучения (диодов) (см. рис. 1, поз 4). Зона работы системы измерения ограничена высотой от 800 до 1300 мм.

Определение диапазона расстояний от входной апертуры приборов угломеров системы измерения до места установки источника излучения (диодов) в измеряемой детали необходимо для обеспечения наилучшей работы прибора и ограничено диапазоном от 90 до 140 мм.

Для запуска программного обеспечения «Угломер» необходимо предварительно подключить приборы-угломеры и, подключая каждый из приборов, убедиться, что номера их виртуальных COM-портов в диспетчере устройств (рис 5, а) соответствуют конфигурации в файле config.ini (рис. 5, б).

Строка delay# (рис. 5, б) регулирует период опроса датчиков в режиме скоростной записи данных. При этом значение должно быть в пределах от 1 до 15, соответствующее время на сбор 720 896 отсчетов будет составлять от 50 до 140 с.

Чтобы настроить нулевое положение для каждого прибора угломера необходимо вращением регулировочных винтов, расположенных между корпусами приборов угломеров и опорными конструкциями угломеров (см. рис.1, поз 2), добиться совмещения перекрестья с центром круга (см. рис. 4, поз 1) для каждого из изображенных перекрестий. Допускаются незначительные отклонения в ± 1 пиксель.

.. Диспетчер устройств

Файл Действие Вид Справка

m В m Ы! Е

- Л msi

) 0 Bluetooth Li MTD-устройсгвэ 1«! Аудиовходы и аудиовыходы ) фр Батареи

•ff Биометрические устройства 9 Видеоадаптеры jjj Встроенное ПО ИЗ Датчики

> Дисковые устройства

Ц Звуковые, игровые и видеоустройства з ® Камеры —. Клавиатуры

Компоненты программного обеспечения

> 5 Компьютер

f Контроллеры USB

Контроллеры запоминающих устройств

> ЕЛ Мониторы

у Мыши и иные указывающие устройства

> Ц Объекты обработки звука (АРО) •о. Очереди печати

V р Порты (СОМ и LPT)

Щ USB Serial Port (СОМ6)

ф Стандартный последовательный порт по соединению Bluetooth (COM3) Щ Стандартный последовательный порт по соединению Bluetooth (COM4)

> | Программные устройства ) О Процессоры

^ Сетевые адаптеры

Системные устройства Щ Устройства НЮ (Human Interface Devices)

> f Устройства USB

If Устройства безопасности

а б

Рис. 5. Настройка входного интерфейса программы «Угломер»: а - диспетчер устройств и отображение виртуальных COM-портов;

б - формат файла config.ini

При отклонении температуры рабочей зоны от нормальных условий измерения в устройстве возникает дополнительная погрешность измерения, обусловленная рефракцией светового потока лазерного луча на оптическом пути. Такую погрешность необходимо компенсировать программными методами путём введения соответствующих поправок (разрабатывается).

Рабочий цикл на стенде измерения жёсткости с помощью программного обеспечения «Угломер» можно описать алгоритмом (рис. 6).

14

Jj corrfig - Блокнот — □ Файл Правка Формат Вид Справка X

К COM5 A

kl 0j 0141055614060167

kll -0j 388537874096696

kl 2 -0j657955381228796

k2l 0j088190554480128

k22 -0j257436218069417

bl -2j1569155611162

b2 0,528566935569578

Y COM6

kl 0j 0141055014060167

kll -9j388537874096696

kl? -0j657955381228796

k2l 0j088190554480128

k22 -0j257436218069417

bl -2,1569155611162

b2 0j 528566935569578

Z COM7

kl 0j0166803931629869

kll -0j0111514384816644

kl2 -0j294795736228138

k2l 0j201426629808196

k22 -0j116114157553658

bl 1,3400459760808

b2 -2,29097019953363

delay 1

user

V

< >

100% Windows (CRLF) UTF-8

Рис. 6. Алгоритм цикла измерения на стенде измерения

угловых смещений

Последовательность действий для реализации алгоритма проведения экспериментальных измерений создана последовательно в виде набора кнопок-команд (см. рис. 4, поз 5). Процесс исполнения команд согласно алгоритму отражается на шкале-индикаторе (см. рис. 4, поз 6):

- «Подключить»: включение периферийных устройств. После запуска программного обеспечения при условии подключения всех приборов угломеров к компьютеру необходимо нажать на кнопку «Подключить»;

- «Запустить»: для вывода визуальной информации. После нажатия кнопки «Подключить» для перехода в режим измерения координат в реальном времени необходимо нажать кнопку «Запустить»;

- «Остановить»: после проверки совпадения перекрестий с маркерами. Для прекращения измерения и отображения данных в реальном времени необходимо нажать на кнопку «Остановить»;

- «Стереть»: обязательное стирание памяти перед измерением. Для запуска процесса стирания содержимого внутренней памяти приборов угломеров необходимо нажать кнопку «Стереть», что занимает порядка 90 с. Очень важно сохранить последовательность записи в угломер после проведения стирания, что определяется особенностями работы памяти;

- «Записать»: запуск цикла измерений. Для запуска процесса записи во внутреннюю память в процессе проведения эксперимента в высокоскоростном режиме необходимо нажать кнопку «Запись». Процесс записи длится от 50 до 140 с в зависимости от параметра delay (см. рис. 5, б) в файле config.ini;

- «Чтение»: запись данных из памяти угломеров в компьютер. После записи измеренные данные находятся во внутренней памяти каждого прибора угломера, для передачи данных в файл на компьютере необходимо, дождавшись окончания процедуры записи (полоса состояния должна дойти до 100 % и обнулиться) (см. рис. 4, поз 6), нажать на кнопку «Чтение». Процесс чтения данных из памяти приборов в компьютер занимает не менее 120 с.

Программа «Угломер» по окончании цикла чтения данных генерирует в рабочей папке программы файл в формате «Выходные данные DD.MM.YYYY HH.mm.SS.txt», где DD.MM.YYYY является текущей датой, а HH.mm.SS - текущим временем системы.

Результаты измерений приборов угломеров измерительной системы формируются программным обеспечением в виде текстового файла, который содержит три столбца со значениями угловых отклонений по осям «X», и «2». Каждый столбец содержит 720 896 отсчетов, распределенных пропорционально за общее время измерения, таким образом формируется период измерения. Угловые отклонения записываются в десятичных градусах.

Измерительный стенд в первую очередь разработан для оценки угловых жёсткостей типов деталей, показанных на рис. 7.

Рис. 7. Конструкции деталей несущих систем для высокоточных

БИНС [6-8]

Детали показанного конструктивного облика и типоразмера чаще всего применяются в приборах БИНС высокого класса точности.

16

Выводы

1. Точность измерения в разработанном стенде определения угловой жесткости измеряется балансом следующих основных источников погрешности: механической составляющей, электрической составляющей, программной составляющей.

2. Уменьшение погрешности в механической части зависит от увеличения жёсткости несущей системы комплекса измерения угловой жёсткости или за счет создания новых поддерживающих элементов с независимыми системами координат или создания единой, жесткой несущей системы для всех элементов и угломеров в единой системе координат наряду с увеличением жесткости конструкций опор приборов как угломеров (переход на металл для каркаса из полиамида), так и приспособлений для удержания лазерных диодов, выполненных из полиамида.

3. Уменьшение погрешности измерения в электрической части зависит от повышения точности и снижения «белого шума» микроэлементной базы путем замены микроконтроллера со встроенным АЦП на архитектуру ARM и замены встроенного АЦП на внешний с мультиплексором, что потребует пересборку приборов угломеров и перепрошивку контроллеров. Уменьшить погрешность возможно путем замены имеющихся лазерных диодов на более стабильно сохраняющие форму и плотность излучения, например, на источники излучения с волноводами/отражателями.

4. Уменьшение погрешности за счет программной составляющей основано прежде всего на применении фильтров и алгоритмов снижения погрешности поступающих первичных сигналов из фоторезисторов.

5. Кроме того, становится очевидным, что, помимо увеличения точности разработанного прибора, необходимо вести работы по увеличению качества работы на самом стенде, т.е. удобство и увеличение его производительности.

6. Стратегия повышения точности разработанного стенда измерения угловой жёсткости основана на трех направлениях. Целесообразно вести работы по повышению точности одновременно по всем направлениям, однако, в первую очередь, это следует делать для тех позиций, которые отвечают за наибольшую погрешность и одновременно требуют минимальных затрат на свое усовершенствование, поскольку совокупный результат по увеличению точности системы измерения, в первую очередь, зависит от самого неточного элемента разработанной системы измерения углов отклонения осей установочных поверхностей деталей, что важно для создания рабочего прототипа из экспериментального образца.

Список литературы

1. Segmented Four-Element Photodiodes in a Three-Dimensional Laser Beam Angle Measurement. Photonics / S. Konov, A. Frolov [et al.]. 2023, 10, 704. https://doi.org/10.3390/photonics10070704.

17

2. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2023683214 Российская Федерация. Дискретизация, хранение и передача показаний разрезных фотодиодов измерительной системы: № 2023667728 : заявл. 24.08.2023 : опубл. 03.11.2023 / С.Г. Конов, А. В. Фролов, П. А. Шаповалов [и др.] ; заявитель АО «ЦНИИ Автоматики и гидравлики». - EDN XVNMXM.

3. Using Microcontrollers for High Accuracy Analogue Measurements / M. Jaanus, A. Udal, V. Kukk, K. Umbleja // Elektronika Ir Elektrotechnika 2013. Vol. 19(6), P. 51-54.

4. Sharma M., Agarwal N., Reddy S.R.N. Design and development of daughter board for USB-UART communication between Raspberry Pi and PC // International Conference on Computing, Com-munication & Automation 2015. P. 944-948.

5. S.F. Barrett, D.J. Pack, Microchip AVR Operating Parameters and Interfacing. Microchip AVR Mi-crocontroller Primer: Programming and Interfacing. Synthesis Lectures on Digital Circuits & Sys-tems. Springer. 2019.

6. Фролов А.В., Шаповалов П.А., Смирнов С.В. Исследование влияния тепловых нагрузок на деформацию несущей системы инерциального измерительного блока БИНС высокоманёвренного БПЛА // Сборник тезисов XIII Научно-технической конференции молодых специалистов Росато-ма

(г. Нижний Новгород. 20-22 сентября) 2018 г. / филиал РФЯЦ-ВНИИЭФ «НИИИС им. Ю.Е. Седакова». Нижний Новгород: Изд-во «Кириллица»,

2018, 72 с.

7. Применение аддитивных технологий для увеличения жёсткости несущей системы инерциального измерительного блока высокоманевренного ЛА / А.В. Фролов, П.А. Шаповалов, С.В. Смирнов, Д.О. Савватеев // Сварка и родственные технологии для изготовления оборудования специального и ответственного назначения: сборник докладов по итогам конференции по сварке 29-31 мая 2019 / ГНЦ РФ АО «НПО «ЦНИИТМАШ». М.,

2019. С. 66-76.

8. Frolov A.V., Smirnov S.V., Popov E.A. Study of Warm Influence on Stability of SINS Accelerometer Set Carier System Axes // 27th Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems, ICINS 2020: Proceedings. Saint Petersburg, 25-27 May 2020. Saint Petersburg, 2020. P. 913-927. DOI 10.23919/ICINS43215.2020.9133729. - EDN SHQBIO.

Фролов Александр Владимирович, канд. техн. наук нач. отдела, [email protected], Россия, Москва, АО «ЦНИИАГ»

ALGORITHM FOR THE OPERATION OF A STAND FOR MEASURING ANGULAR DISPLACEMENT OF SINS SENSITIVITY AXES

A.V. Frolov 18

The article discusses the design and operation of devices used in an experimental setup developed by JSC «CNIIAG» for measuring elastic angular displacements of sensitive elements in a strapdown inertial navigation system (SDINS). The schematic diagram and components of the goniometer, as well as the software used, are presented. An algorithm has been developed for operating the setup to accurately measure the deflection angles of carrier system sensitive axes in high-precision SDINS. Examples of component types that can be measured using the developed equipment are also provided. Methods have been developed to enhance the accuracy of measurements and create a prototype system for detecting angular movements of carrier axis sensitive elements.

Key words: non-contact measurements, angular stiffness, elastic angular displacements.

Frolov Aleksandr Vladimirovich, candidate of technical sciences, head of division, frolov@,frolov.moscow, Russia, Moscow, JSC «CNIIAG»

УДК 004.932.2

DOI: 10.24412/2071-6168-2024-6-19-28

КОМБИНИРОВАННЫЙ АЛГОРИТМ АВТОСОПРОВОЖДЕНИЯ ДЛЯ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ

П.А. Гессен, А.И. Лизин, В.А. Павлова, В.Д. Саенко, А.А. Судаков, В.А. Тупиков

Представлен новый комбинированный алгоритм сопровождения для встраиваемых систем, в основу которого положено сочетание нескольких типов алгоритмов сопровождения, а также предложены две возможные реализации, зависящие от мощности вычислителя. Реализован вариант алгоритма для малых доступных вычислительных мощностей, проведены его полунатурные испытания, дана оценка результатов работы предложенного алгоритма. Алгоритм показал высокую эффективность в выполнении поставленных задач, улучшив точностные показатели сопровождения, а также значительно повысил способность к повторному обнаружению объекта после его потери. Представлены предложения по дальнейшему развитию и внедрению.

Ключевые слова: автоматическое обнаружение, автоматическое сопровождение, встраиваемые системы, консенсусное решение.

Введение. В современных системах оптико-электронного наблюдения возникает актуальная задача обнаружения и сопровождения объектов, не имеющих заранее определенных характеристик. Этот вопрос привлекает внимание исследователей уже длительное время, порождая множество подходов к его решению. Последние тенденции в этой области связаны с использованием нейронных сетей и искусственного интеллекта. Хотя такие методы демонстрируют высокую точность, они требуют заранее известной информации о типе объекта (обучающей выборки) [1-2]

19