CC BY
2
DEVELOPMENT OF A NAVIGATION SYSTEM FOR A HIGHLY MANEUVERABLE AIRCRAFT USING INTELLIGENT TECHNOLOGIES
M.S. Selezneva
The structure of a navigation complex with an intelligent component for a highly maneuverable aircraft is proposed. The complex includes a large number of navigation information systems and sensors. The developed algorithmic software performs complex processing of information received from various sensors and, based on the criteria of the degree of observability, controllability and parametric identifiability, selects the most accurate information, on the basis of which the state of the complex is subsequently predicted at the next step and the flight mode of the aircraft is determined. To carry out the forecast, a mathematical model is built. To obtain the most accurate mathematical model, it is proposed to use an algorithm for controlling the selection criteria of a self-organization algorithm....
Key words: navigation complex, integration algorithm, degree of observability, degree of controllability, degree of parametric identifiability, selection criteria, self-organization algorithm.
Selezneva Maria Sergeevna, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Moscow, Moscow Bauman State Technical University
УДК 681.2.084
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-10-71-72
ДВУХКАНАЛЬНАЯ СХЕМА ИЗМЕРЕНИЯ СИГНАЛА
АКСЕЛЕРОМЕТРА
В.Д. Соломенцев, А.С. Алексеев
Рассмотрены функциональное устройство и пример реализации двухканально-го цифрового измерителя сигнала акселерометра на базе дельта-сигма-модуляторов с дополнительным температурным каналом, необходимым для температурной калибровки. Проведен сравнительный анализ измерений одноканального преобразователя и преобразователя, построенного на описанной архитектуре.
Ключевые слова: акселерометр, измерение сигнала, калибровка АЦП, температурная калибровка.
При использовании прецизионных акселерометров в навигационных или гравиметрических комплексах погрешность аналого-цифрового преобразователя (АЦП) значительно снижает общую точность системы из-за температурного и временного дрейфов преобразователя [1, 2].
Для снижения уровней нестабильности и нелинейности характеристик необходимо применять калибровку АЦП перед началом измерения, однако из-за различных причин калиброванные параметры АЦП могут измениться в процессе работы. В данной статье приведено описание устройства платы преобразователя (ПП) аналогового сигнала в цифровую форму с двумя полуканалами, циклически проходящими процедуру калибровки, а также результаты измерений макета преобразователя, реализующего данный принцип измерения.
мА ■ с2
Рассматриваемый преобразователь предназначен для преобразования аналогового сигнала акселерометра в цифровую форму. Ток в обмотках датчика момента компенсационного акселерометра создает падение напряжения на эталонном резисторе, расположенном на входе ПП. Падение напряжения на эталонном резисторе является мерой измеряемого акселерометром ускорения. Диапазон ускорений, которые способен зарегистрировать ПП,
__Urange
arange = r ^ к , (1)
эталон Акс
- м тт
где arange - диапазон измеряемых ускорений, —; U range - входной диапа-
с
зон напряжений ПП, В; ^Эгалон - сопротивление эталонного резистора, Ом;
КАкс - крутизна акселерометра,
м
Численные значения констант не являются принципиальными для описываемого метода измерения и зависят от конкретной реализации.
Эталонный резистор должен обладать высокой температурной и временной стабильностью для обеспечения постоянства масштабного коэффициента акселерометра.
ПП интегрирует ускорение, пропорциональное входному току, за время измерения и выдает информацию в виде количества импульсов, пропорциональных приращению скорости:
N ~ А V = £a ■ dt = a ■ t, (2)
где N - количество зарегистрированных импульсов дельта-сигма-модулятора (DSM), шт; AV- приращение скорости, измеряемой акселеро-
м м
метром, —; a - ускорение, измеряемое акселерометром, —; t - время инте-с с
грирования, с.
За время измерения, равное одной секунде, количество импульсов, соответствующее максимальному значению ускорения, равно N, таким образом,
a ■ t U ■ t
ДV = range =_range__(3)
N ^Эталон ■ КАкс ■ N '
где А V - приращение скорости, измеряемой акселерометром, —; arange -
м
диапазон измеряемых ускорений, —; t - время интегрирования, с; N - ко-
с2
личество зарегистрированных импульсов дельта-сигма-модулятора (DSM), шт.; Urange- входной диапазон напряжений ПП, В; t - время интегрирова-
ния, с; ^Эгал0н — сопротивление эталонного резистора, Ом; КАкс - крутизна мА ■ с2
акселерометра,-.
м
ПП представляет собой комбинацию каналов преобразователя сигнала акселерометра и температурного канала. Канал преобразователя состоит из 2 идентичных измерительных полуканалов «В» и «С», каждый из полуканалов попеременно работает в рабочем режиме или в режиме калибровки. Функциональная схема канала приведена на рис. 1.
-REF
Рис. 1. Функциональная схема канала преобразователя: AG - нулевой потенциал; Яэт - эталонный резистор; +REF - потенциал источника опорного напряжения
Каждый полуканал включает в себя мультиплексор, входной узел и дельта-сигма-модулятор [3]. Оба полуканала управляются одним микроконтроллером, задачами которого также являются синхронизация работы всей платы; расчет поправок на основе температурных моделей платы и акселерометра; выдача информации пользователю. Мультиплексор [4] является устройством с несколькими входами и одним выходом и позволяет переключаться между источниками сигнала.
Каждый полуканал преобразователя построен на базе дельта-сигма-модулятора (DSM) с тактовой частотой 1 МГц и реализует принцип интегрирования путём подсчёта на таймерах контроллера количества импульсов сигнала, полученного из выходного сигнала DSM, за определённый промежуток времени. Время интегрирования определяется периодом частоты преобразования. Количество подсчитанных импульсов за время измерения является полезной информацией, которую микроконтроллер записывает в свою область памяти.
На входе DSM стоит входной узел, который согласовывает напряжение, выделяемое на эталонном резисторе с допустимым входным напряжением DSM. Входной узел DSM представляет собой набор последовательно стоящих повторителей сигнала и прецизионных делителей напряжения.
В рабочем режиме на вход DSM одного из полуканала через мультиплексор подаётся напряжение, снимаемое с эталонного прецизионного резистора Rэт, одновременно с этим второй из полуканалов находится в калибровочном режиме.
В режиме калибровки проходят две операции:
- сначала калибруется нулевой сигнал при подключении ко входу полуканала потенциала, снимаемого с вывода эталонного резистора, соединённого с аналоговой «землёй» (AG);
- затем на вход полуканала подаётся потенциал источника опорного напряжения +REF и калибруется масштабный коэффициент полуканала.
После окончания калибровки полуканал переключается на рабочий цикл, а другой полуканал переключается на цикл калибровки, длительность режимов одинакова и составляет 10 секунд.
Для поддержания высокой стабильности при изменении температурного режима реализована температурная компенсация измеренных значений напряжения [5, 6], реализованная в температурном канале ПП. Температурную калибровку можно разделить на две составляющие: калибровку акселерометра и калибровку ПП. Температурная модель акселерометра [7] представляет собой тему отдельного обсуждения и в рамках данной работы не рассматривается. Температурная модель ПП представляет собой табличную функцию поправочных коэффициентов [8].
Температурный канал (рис. 2) построен на базе встроенного АЦП микроконтроллера, что обусловлено пониженными требованиями к точности по сравнению с измерительным каналом ПП. Микроконтроллер последовательно коммутирует вход АЦП с температурными датчиками акселерометра и ПП, после чего записывает полученные с АЦП данные в свою область памяти.
Такс
Мультиплексор -и АЦП Микроконтроллер
+15В AD590
AG
Рис. 2. Функциональная схема канала преобразователя: Такс - сигнал температурного датчика акселерометра; ЛБ590 - температурный датчик платы преобразователя;
ЛС - нулевой потенциал
Расчет температуры проводится по формуле
T
T = АЦП
T
^ Л
S
где Т - измеряемая температура, °С; ТАЦП - число, обозначающее значение АЦП температурного канала; Т0 - двухбайтное число, обозначающее значение нулевого значения температурного канала; £ - крутизна 1
термодатчика, —.
С
По сигналу внутреннего таймера микроконтроллер записывает информацию, формирует пакет данных об ускорении, температуре акселерометра, температуре платы и выдает информацию по интерфейсу пользователю.
Таким образом, ПП выдает необходимую информацию для вычисления входного напряжения, пропорционального среднему значению ускорения за время измерения, а также информацию термодатчиков акселерометра и самого преобразователя сигнала для температурной калибровки. Расчет входного напряжения АЦП для каждого канала выполняется по формуле
о ■ ч ^К
' Вх.Средн
^.Средн = (N - • • , (5)
tK NRef N0 ^Изм
где иВхСредн- входное напряжение АЦП, осредненное за время измерения,
В; N - данные АЦП, накопленные за время измерения; No - калибровочный коэффициент нулевого сигнала; ?Изм - время измерения данных, c; tK -
время измерения калибровочных коэффициентов; URef - значение
источника опорного напряжения, В; NRef - калибровочный коэффициент
источника опорного напряжения.
На основе описанной архитектуры был изготовлен макетный образец платы преобразователя сигнала акселерометра. Для проведения сравнительного анализа двухканального преобразователя и одиночного DSM на вход преобразователей было подано постоянное напряжение прецизионного источника опорного напряжения. Калибровка одноканального исполнения проводилась один раз непосредственно перед началом измерений. Для обеспечения непрерывности измерения невозможно проводить процедуру калибровки одноканальной схемы во время измерений, так как она занимает до десяти секунд. Результаты измерений шумовых характеристик [9 - 11] представлены на графиках рис. 3 - 6.
На графике (рис. 3) приведен измерительный шум сигнала двухканальной схемы. Измерительный шум вычислялся как разность текущего измерения и среднего значения измеряемого постоянного напряжения. Амплитуда шума (peak-peak) измерялась количеством импульсов за время измерения.
На графике (рис. 4) измерительного шума одноканальной схемы присутствует постоянный дрейф, который отсутствует на измерениях ПП. Дрейф связан с временной нестабильностью, данный эффект компенсируется в двухканальной схеме ПП за счёт циклической калибровки полуканалов.
м,
шт 40
20
0
-20
-40
0 1000 2000 3000 г, с
Рис. 3. График измерительного шума двухканального преобразователя: N - количество импульсов за время измерения, шт.; * - время измерения, с
N. ни
75 50 25 0 -25 -50
0 1000 2000 3000 и с
Рис. 4. График измерительного шума одноканального преобразователя: N - количество импульсов за время измерения, шт.; I - время измерения, с
Плотности распределения вероятности шума (рис. 5) близки к нормальному закону распределения случайной величины, однако характеристика одноканального преобразователя отклонена. При близости характеристики к форме нормального закона распределения используется среднее значение напряжения в качестве приближенного значения интеграла от приращения скорости (в соответствии с формулой (2)).
76
р
0,030 0,025 0,020 0,015 0,010 0,005 0
-60 -40 -20 0 20 40 N, шт
Рис. 5. График функций плотности распределения вероятности шумов преобразователей: P - плотность распределения вероятности; N - количество импульсов случайного шума; 1 - характеристика одноканального преобразователя; 2 - график функции закона нормального распределения случайной величины; 3 - характеристика двухканального преобразователя
При проведении измерений на диапазоне температур окружающей среды от 40 до 60 °С была получена зависимость масштабного коэффициента от температурного режима (рис. 6).
д,
%
14 12 10 8 6 4 2 0 -2 -4
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 Т, °С
Рис. 6. График отклонения масштабного коэффициента: А - отклонение масштабного коэффициента;
1 - график для двухканальной схемы;
2 - график для одноканальной схемы
Характеристика одноканального преобразователя, приведенная на рис. 6, вследствие отсутствия температурной коррекции и периодической калибровки имеет V-образную форму. График зависимости ошибки масштабного коэффициента двухканального ПП имеет S-образную форму и меньший разброс числовых значений.
77
/А А""
/Л V, \ Л
\\
7 / \\
\ Vv
> V
По результатам исследования макета платы преобразователя, реализующего двухканальную схему измерения сигнала акселерометра, можно сделать заключение, что описанная схема обладает следующими преимуществами по сравнению с одноканальной реализацией:
- компенсация временного дрейфа преобразователя при соблюдении условия непрерывности преобразования;
- повышение температурной стабильности масштабного коэффициента при изменении температуры рабочей среды.
Таким образом, преимущества двухканальной схемы позволяют её применить для проведения прецизионных измерений, к которым относится регистрация сигнала акселерометра.
Список литературы
1. Быковский А.В., Полынков А.В., Арсеньев В. Д. Гравиметрические системы. Опыт разработки. // Авиакосмическое приборостроение. 2013. №12. С. 11 - 20.
2. Опыт разработки малошумящего акселерометра / С.Ф. Коновалов [и др.] // Гироскопия и навигация. 2000. №. 3. С. 68 - 77.
3. Телялькова М.В., Горин В.С., Соколов В.Г. Обзор методов преобразования аналогового сигнала в код // Информационные технологии, межвузовский сборник научных трудов. 2017. С. 158 - 162.
4. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Мир, 1995. 378 с.
5. Майоров А.В. Метод снижения температурной погрешности аналого-цифровых преобразователей информационно-измерительных систем на основе «систем на кристалле» // Труды Международного симпозиума «Надежность и качество». 2014. Т. 2. С. 96 - 99.
6. Павлов Д.В., Петров М.Н., Лукин К.Г. Метод температурной калибровки блока микромеханичеких акселерометров бесплатформенной инерциальной навигационной системы // Метрология. 2015. №. 2. С. 25 - 35.
7. Моделирование влияния термодеформации кварцевого чувствительного элемента на нулевой сигнал акселерометра типа Q-Flex / Е.С. Барбин [и др.] // Гироскопия и навигация. 2022. Т. 30. №. 1. С. 116.
8. Акилин В.И., Измайлов А.Е., Денисов С.Ю. Повышение точности акселерометров путем алгоритмической компенсации температурных погрешностей // Приборы. 2013. №. 4. С. 55 - 57.
9. Браннон Б., Барлоу А. Апертурная неопределенность и рабочие характеристики АЦП // Электроника: наука, технология, бизнес. 2006. №. 4. С. 26 - 29.
10. Винников И.А., Кирюхин И.С., Черемухина Ю.Ю. Методы определения размаха напряжения низкочастотного шума прецизионного источника опорного напряжения // Наука и бизнес: пути развития. 2021. №. 1. С. 8 - 13.
11. Серов А.Н., Шатохин А.А. Способ оценки погрешности измерения спектра от конечной разрядности АЦП // Проблемы получения, обработки и передачи измерительной информации. 2017. С. 77 - 80.
Соломенцев Владислав Дмитриевич, студент, [email protected], Россия, Москва, Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана,
Алексеев Сергей Юрьевич, вед. специалист, alekseev_su@,mail. ru, Россия, Москва, ФГУП «МОКБ «Марс»
TWO-CHANNEL ACCELEROMETER SIGNAL MEASURMENT CIRCUIT V.D. Solomencev, A.S. Alekseev
A functional device and an example of the implementation of a two-channel digital accelerometer signal mesurer based on delta-sigma modulators with an additional temperature channel necessary for temperature calibration are considered. A comparative analysis of measurements of a single-channel converter and a converter built on the described architecture is carried out.
Key words: accelerometer, signal measurement, ADC calibration, temperature calibration.
Solomencev Vladislav Dmitrievich, student, vlad_soloma@,mail.ru, Russia, Moscow, Moscow Bauman State Technical University,
Alekseev Sergei Yurievich, leading specialist, [email protected]. ru, Russia, Moscow, FSUC «MOCB «Mars»
