CC BY
565
УДК 681.3 Бойко А.А.
МГТУ ГА, Московский Государственный Технический Университет Гражданской Авиации, Москва, Россия БЕСПЛАТФОРМЕННЫЕ ИНЕРЦИАЛЬНЫЕ НАВИГАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ НА ОСНОВЕ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ ГИРОСКОПОВ
В данной статье описывается принцип компоновки и работы бесплатформенной инерциальной навигационной системы (БИНС). Проводится анализ исследований и разработок в области бесплатформенных инерциальных навигационных систем. В качестве исследуемой системы выступает блок БИНС на основе микромеханических гироскопов. Приводится подробное описание измерительных устройств. Рассматривают подробный алгоритм выставки инерциальной системы в самолете. Описаны проблема надежности бортовых измерительно-вычислительных комплексов (ИВК) воздушных судов. Выделена цель повышения точностных характеристик бесплатформенных инерциальных навигационных систем на микромеханических гироскопах на основе совершенствования режима начальной выставки
Ключевые слова:
БЕСПЛАТФОРМЕННАЯ, ИНЕРЦИАЛЬНАЯ, НАВИГАЦИОННАЯ, СИСТЕМА
Введение
Бортовое оборудование летательных аппаратов развивается за счет внедрения в него бесплатформенных инерциальных навигационных систем (БИНС). Одной из главных внедрений является технология микроэлектромеханических гироскопов. Актуальной остается задача повышения точностных характеристик бесплатформенных инерциальных навигационных систем - микроэлектромеханических систем (МЭМС) [1]. Следует отметить, что низкие точностные характеристики современных МЭМС-измери-телей не позволяют выполнить начальную выставку БИНС методом гирокомпасирования. Поэтому начальная выставка БИНС-МЭМС реализуется с использованием датчиков внешней информации, например, магнитометров. Однако из-за электромагнитных помех применение магнитометров не всегда представляется возможным.
Существует проблема надежности бортовых измерительно-вычислительных комплексов (ИВК) воздушных судов. Для решения этих проблем применяются аппаратурные (связанные с использованием высокостабильных элементов) и алгоритмические (находятся на программно-аппаратном уровне) подходы.
Современный уровень развития бортовой электроники позволяет выполнять контроль, а также оценивать и компенсировать погрешности МЭМС в режиме реального времени в процессе предполетной подготовки [2]. Для этого используются программно-математические средства, опирающиеся на модели ошибок навигационных систем и датчиков первичной информации.
Основная часть
Анализ исследований и разработок в области бесплатформенных инерциальных навигационных систем (БИНС) показывает, что их развитие идет в следующих направлениях: [3]
Совершенствование аппаратного обеспечения, которое предусматривает улучшение точностных, массогабаритных, надежностных и стоимостных характеристик чувствительных элементов (ЧЭ): гироскопов и акселерометров, а также средств преобразования и первичной обработки сигналов.
Разработка новых методов и алгоритмов счисления параметров ориентации и навигации, учитывающих конструктивные особенности ЧЭ, возможности вычислительных средств, а также условия подготовки и применения БИНС.
Разработка новых методов, алгоритмов и программно-математических средств комплексирования БИНС с устройствами, работа которых основана на других физических принципах. Создание на этой базе интегрированных навигационных систем, например, инерциально-спутниковых.
Разработка программно-математического обеспечения (ПМО) с учетом современного состояния бортовых вычислительных средств, а именно:
- возможностей аппаратной платформы и системного ПМО;
- требований режима реального времени;
- требований соответствующих стандартов и нормативных документов заказчика или головного разработчика по обмену информацией в бортовом комплексе.
Акселерометр - прибор, измеряющий проекцию кажущегося ускорения. Как правило, акселерометр представляет собой чувствительную массу, закреплённую в упругом подвесе. Отклонение массы
от её первоначального положения при наличии кажущегося ускорения несёт информацию о величине этого ускорения. Чувствительный элемент большинства серийно выпускаемых акселерометров состоит из массы, смонтированной в корпусе на элементах подвеса различного конструктивного исполнения [4]
По конструктивному исполнению акселерометры подразделяются на однокомпонентные, двухкомпо-нентные, трёхкомпонентные. Соответственно, они позволяют измерять ускорение вдоль одной, двух и трёх осей. Некоторые акселерометры также имеют встроенные системы сбора и обработки данных. Это позволяет создавать завершённые системы для измерения ускорения и вибрации со всеми необходимыми элементами.
Гироскоп — устройство, способное реагировать на изменение углов ориентации тела, на котором оно установлено, относительно инерциальной системы отсчета. Среди механических гироскопов выделяется роторный гироскоп — быстро вращающееся твёрдое тело (ротор), ось вращения которого может свободно изменять ориентацию в пространстве. При этом скорость вращения гироскопа значительно превышает скорость поворота оси его вращения. Основное свойство такого гироскопа — способность сохранять в пространстве неизменное направление оси вращения при отсутствии воздействия на него моментов внешних сил и эффективно сопротивляться действию внешних моментов сил. Это свойство в значительной степени определяется величиной угловой скорости собственного вращения гироскопа. Системы стабилизации бывают трех основных типов: система силовой стабилизации (на двухстепенных гироскопах). Для стабилизации вокруг каждой оси нужен один гироскоп. Стабилизация осуществляется гироскопом и двигателем разгрузки, в начале действует гироскопический момент, а потом подключается двигатель разгрузки; система индикаторно-силовой стабилизации (на двухстепенных гироскопах).
Для стабилизации вокруг каждой оси нужен один гироскоп. Стабилизация осуществляется только двигателями разгрузки, но в начале появляется небольшой гироскопический момент, которым можно пренебречь; система индикаторной стабилизации (на трехстепенных гироскопах). Для стабилизации вокруг двух осей нужен один гироскоп. Стабилизация осуществляется только двигателями разгрузки.
Устройства в бесплатформенных инерциальных навигационных системах
В корпусе прибора, установленного на подвижном объекте, расположена инертная масса 1, движение которой" ограничено пружиной" 2. При действии ускорения движения объекта W, инертная масса вследствие инерции перемещается вдоль оси чувствительности х до тех пор, пока сила инерции не уравновесится силой" упругости пружины. Но кроме силы инерции от действия ускорения W, на инертную массу действует также сила тяготения с гравитационным ускорением д'. Для уменьшения времени переходного процесса используют демпфер 3. Выходной" сигнал акселерометра (обычно электрический") соответствует перемещению инертной" массы относительно корпуса акселерометра по оси х.
Основное уравнение подчеркивает важнейшую особенность акселерометра - инертная масса всегда находится под действием как силы инерции, так и силы тяготения. Поскольку эту особенность обязательно необходимо учитывать при проектировании алгоритма работы ИНС, уравнение называют также основным уравнением инерциальной" навигации.
Для определения величины ускорения движения объекта необходимо в выходном сигнале акселерометра учитывать проекцию гравитационного ускорения. Существует множество вариантов конструкций акселерометров. В настоящее время в ИНС применяют, в основном, маятниковые акселерометры компенсационного типа.
В БИНС вместо гиростабилизированной" платформы используют блок гироскопов и акселерометров с вычислителем. Гироскопы с акселерометрами (блок инерциальных чувствительных элементов) при этом устанавливают жестко на борту объекта. В БИНС используют различные гироскопические датчики. Они могут выдавать информацию о различных угловых параметрах.
При подготовке БИНС к полету необходимо ввести начальные координаты местоположения ЛА, его скорости и параметров ориентации. Определение углового положения ЛА по отношению к географической системе координат в период подготовки БИНС к запуску и составляет суть начальной выставки (ориентирования). Начальная выставка может быть автономной и с привлечением информации от других навигационных систем (магнитометров, систем спутниковой навигации и др.).
Рассматривается автономный способ начальной выставки БИНС на неподвижном относительно Земли ЛА. В данном случае входной измерительной информацией являются ускорение силы тяжести для акселерометров и угловая скорость вращения Земли для ДУС. Допустим, в начальный момент времени ЛА занимает произвольное положение относительно географического трехгранника OXgYgZg, определяемое углами ф0,90, у0. Тогда углы ф0,90, у0. являются искомыми для решения задачи начальной выставки.
Рисунок 1 - Системы координат
Рассмотрим алгоритма начальной выставки. Известными при начальной выставке являются:
Б, Ь - соответственно геодезические широта и долгота ЛА;
где
Br = B4P3B2 ,
cos L cos B sin L cos B sin B
— sin L cosL 0
- cos L sin B - sin L sin B cos B "0 1 0"
P
B =
001 100
cos A sin A 0 —sin A cos A 0 0 0 1
(2)
(3)
бу-
С учетом выражения, элементы матрицы Б дут иметь вид
b11 = — sin L cos A — sin B cos L sin A; b2 = cos L cos A — sin B sin L sin A; b3 = cos B sin A;
b23 = cos B cos A; b31 = cos L cos B; bj2 = sin L cos B; b33 = sin B
Ориентация связанной с БИНС системы координат oxyz относительно инерциальной OX„Y„Z„ может быть определена с помощью метода направляющих косинусов (МНК) Во, которая связана с МНК следующим соотношением
Во = В3ВгВ1. (5)
Начальные значения элементов МНК В3 приближенно можно определить по сигналам чувствительных элементов БИНС: гироскопов и акселерометров
B23 = Vx-;
23 V
g
Bi3 = - ^;
13 V
B33 = ^; 33 -
B=
g (0 у
3) .
XQ y ' _ (0 y — B13 )
Bl2 =— Z°y ;
(0z — B33 )
B32 = XQ y ;
B21 = —B12B33 + B13B32;
B„ = B„J
(6)
B„ = B,,
B31 = B12B23
B32B23; B13B22;
МНК, характеризующая взаимную ориентацию
Vg = j g (T)dT;
h—1
Vxyz = j axyz(h)dh
h—1
h
Zn** = j nxyz(h)dh;
(7)
осей инерциальной ОXиYиZи и гринвичской геоцентрической системы координат ОXYZ;
В4 - МНК, характеризующая взаимную ориентацию осей ОЕ1Н геодезической системы координат и опорного трехгранника
А - азимутальный угол опорного навигационного трехгранника относительно геодезического
сопровождающего трехгранника ОЕ1Н;
Для реализации режима навигации необходимо сначала найти начальные значения матриц Вг и В0.
Ориентация трехгранника о^пС относительно OXYZ характеризуется матрицей направляющих косинусов «Вг». Матрица Вг представлена в виде
По элементам МНК В3 находятся начальные углы ориентации инерциального измерительного блока.
В„
у = arctg
B33
у = arctg (— B21)
B
(8)
3 = arctg (—
Точность начальной выставки (НВ) зависит от характеристик чувствительных элементов (ЧЭ) БИНС: гироскопов и акселерометров. Чувствитель-
B2 =
Г
b21 = sin L sin A — cosL sin B cos A
b22 = — cos L sin A — sin L sin B cos A; (4)
—1
B
ные элемент системы БИНС-500 имеют среднюю точность на уровне Ю-^ и 0.1°/час соответственно. Поэтому точность грубой выставки невысокая, на уровне 3 0 угловых минут.
Заключение
Проведенный анализ исследований и разработок в области бесплатформенных инерциальных навигационных системах, используемых в авиации, выявил недостаток точностных характеристик БИНС на основе микромеханических гироскопов, что негативно
сказывается на определении самолета в пространстве. Недостаток может быть устранен путем улучшения деталей и узлов датчиков, а также выборе новой структуры датчиков или применении новых алгоритмов обработки информации.
Предложенные методы позволят повысить точность современных бесплатформенных инерциальных навигационных систем.
ЛИТЕРАТУРА
1. Полтавский А.В. Концепция принятия решений при создании сложных технических систем /А.В. Полтавский, А.С.Жумабаева, Н.К. Юрков //Труды международного симпозиума Надежность и качество. -2016,- Т.1- С.8-13.
2. Григорьев А.В.. Структура методики анализа следа вибрационного размытия изображения круглой метки /А.В. Григорьев, Н.К. Юрков, В.А. Трусов, В.Я. Баннов //Труды международного симпозиума Надежность и качество. -2016.- Т.2- С.28-31.
3. Мелешко В.В., Нестеренко О.И. Бесплатформенные инерциальные навигационные системы» 6. И. 2011 С. 30 - 35;
4. Матвеев В.В., Распопов В.Я. Основы построения бесплатформенных инерциальных навигационных систем-: ОАО Концерн ЦНИИ Электроприбор, 2009, С. 5-10.
Амельченко2 А.Г., Бардин2 В.А., Васильев1 В.А., Царев1 П.С.
1ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия
2ФГУП ФНПЦ ПО «Старт им. М.В. Проценко», Пензенская обл., г. Заречный, Россия УСИЛИВАЮЩИЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ АКТЮАТОР ДЛЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ВЫСОКОТОЧНОГО ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ
В итоге анализа разработок ведущих производителей пьезоэлектрических актюаторов для систем управления высокоточного позиционирования сделан вывод о том, что в настоящее время активно ведутся работы по исследованию и практическому применению пакетных пьезоэлектрических актюаторов прямого действия и усиливающих (изгибно-натяжных). Предложена новая конструкция усиливающего пьезоэлектрического актюатора, обладающего повышенной точностью позиционирования в условиях воздействия дестабилизирующих факторов. Усиливающий пьезоэлектрический актюатор отличается от известных разработок повышенной линейностью, нагрузочным усилием, надежностью и технологичностью изготовления, уменьшенными габаритными размеров. В результате моделирования упругого элемента актюатора определены оптимальные параметры для компенсации нерабочей деформации конструкции, получения максимального рабочего хода.
Ключевые слова :
ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ АКТЮАТОР, УСИЛИВАЮЩИЙ, ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ, УПРУГИЙ ЭЛЕМЕНТ, ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ, ПЬЕЗОЭЛЕМЕНТ, ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЙ МЕХАНИЗМ, СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ, ВЫСОКОТОЧНОЕ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЕ
Введение
Одним из важнейших направлений развития современной техники является совершенствование технических средств в точном приборостроении, что позволяет миниатюризировать функциональные устройства. Востребованы оборудование с микро- и нанометровым разрешением, в связи с этим управляющие системы для высокоточного позиционирования рабочего органа с применением двигателей, актюаторов, измерителей перемещения [1-5]. Для точного позиционирования, перемещения объектов с нано- и микрометровой точностью всё чаще в системах управления используют пьезоэлектрические актюаторы. Они обладают существенными преимуществами, по сравнению с другими видами исполнительных механизмов, построенных на иных физических принципах [6-10].
Анализ разработок ведущих производителей, таких как Cedrat Technologies (Франция), Physic Instrumente (PI, Германия), New Scale Technologies (NST, США), Piezo Systems Inc. (США), CeramTec (Германия), Piezoceramics A/S (Дания), NEC TOKIN Corporation (Япония), Piezomechanik GmbH (Гер-
мания), Omega Piezo Technologies Inc. (США), Kinetic Ceramics, Inc. (США), Morgan Technical Ceramics (MTC ElectroCeramics, United Kindom), No-liac Group (Дания), Ferroperm APC International, Ltd (США), TRS Technologies, Inc. (США), AEI
(США), Piezosystem jena (Германия), Johnson Matthey Catalysts (Германия), Piezo Kinetics, Inc.
(США), НКТБ «Пьезоприбор» ЮФУ (Россия, г. Ростов на Дону), ОАО «НИИ «Элпа» (Россия, г. Зеленоград), ФГУП ФНПЦ ПО «Старт» им. М.В. Проценко (Россия, г. Заречный) и др. показал, что перспективной задачей является оптимизация конструкции этих устройств для достижения более высоких эксплуатационных характеристик - точности позиционирования, линейности, скорости, диапазона перемещения, нагрузочного усилия.
Существует большое количество пьезоактюато-ров, различающихся по частоте и напряжению управляющих сигналов, по характеру создаваемых перемещений, по принципу действия и др. В ходе работы исследованы принципы построения и перспективы усовершенствования пьезоактюаторов для нано- и микроперемещений. Классификация пьезо-актюаторов приведена на рис. 1.
Рисунок 1 - Классификация пьезоактюаторов нано- и микроперемещений
