Пакет программ для демонстрации работоспособности, автоматизации процедур настройки и контроля системы позиционирования Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ

ПАКЕТ ПРОГРАММ ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ, АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЦЕДУР НАСТРОЙКИ И КОНТРОЛЯ

системы позиционирования

Р.А. БИЛАЛОВ, инженер ОАО «НПО Геофизика-НВ»,

В.А. ГРИГОРЬЕВ, инженер ОАО «НПО Геофизика-НВ»,

А.Е. ПАВЛОВ, инженер ОАО «НПО Геофизика-НВ»,

А.Ю. ПОПОВ, ведущий специалист ОАО «НПО Геофизика-НВ», Ю.Н. СВИРИДЕНКО, инженер ОАО «НПО Геофизика-НВ»,

Э.С. СЕЛЕЦКАЯ, инженер ОАО «НПО Геофизика-НВ»

Унифицированная система позиционирования (УФСП) предназначена для определения положения объекта относительно горизонта или углового перемещения объекта относительно заданного положения. Для проверки работоспособности и настройки УФСП применяется ряд трудоемких процедур, требующих больших временных затрат. Разработанный пакет программ позволяет автоматизировать большинство указанных процедур.

УФСП обладает следующими возможностями:

- Определение углового положения прибора относительно горизонтальной плоскости с точностью не менее 0,1°.

- Определение действующего ускорения вдоль осей чувствительности прибора с точностью не менее 0,005^.

glmnems@geo-nv. ru

- Определение температуры окружающей среды и напряжения питания.

- Дискретность выдачи информации

40 мс.

- Передача информации по протоколу RS-232 со скоростью 115200 б/c.

Основные функции прибора реализованы с помощью двухосного микромеханического акселерометра, аналоговые сигналы которого через операционный усилитель передаются на микроконтроллер MSP430F149. Блок-схема УФСП представлена на

рис. 1.

На рис. 2 приведена фотография УФСП. Конструктивно УФСП имеет цилиндрический корпус, в котором на амортизаторах установлена плата диаметром 38 мм.

Система координат. На рис. 3 представлена система координат УФСП.

Модуль позиционирования

Рис. 1. Блок-схема УФСП: 1 - двухосный акселерометр; 2 - микроконтроллер MSP430F149; 3 - операционный усилитель; 4 - датчик температуры; 5 - стабилизатор напряжения +3,3В; 6 - стабилизатор напряжения +5В; 7 - микросхема; 8 - соединитель X1 для программирования; 9 - выходной соединитель Х2 для передачи данных

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2009

9

ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ

Рис. 2. УФСП

Рис. 3. Система координат УФСП: ОХп - продольная ось УФСП; ОУп - поперечная ось УФСП; OZn - дополняет до правой системы координат; OX A, OYA - оси чувствительности акселерометра;

В общем случае оси чувствительности акселерометра и измерительные оси УФСП не совпадают. Рассогласование осей определяется в процессе калибровки УФСП и учитывается в алгоритме обработки информации.

Функционирование УФСП. Информация с акселерометра по оси X поступает на усилитель. В усилителе производится согласование уровней выходного сигнала акселерометра с рабочим уровнем АЦП микроконтроллера. Кроме этого, в усилителе производится амплитудная и частотная коррекция сигнала с акселерометра. В АЦП микроконтроллера аналоговый сигнал преобразовывается в двенадцатиразрядный цифровой код. Эта информация программно корректируется по показаниям датчика температуры, величине напряжения питания, углам рассогласования осей чувствительности акселерометра и осей УФСП, преобразуется в требуемый вид. Аналогичным образом последовательно обрабатывается

информация по оси Y, а также информация о температуре и напряжении питания. Собранная информация передается потребителю по интерфейсу RS-232. Ориентировочно информация может выдаваться с частотой 25 герц.

Описание пакета программ. При изготовлении унифицированной системы позиционирования необходимо провести работы по проверке работоспособности и калибровке прибора. Проведение вышеперечисленных работ требует значительных временных затрат, связанных прежде всего с переводом данных, передаваемых прибором, а также с вычислением требуемых значений параметров с высокой точностью (до восьмого знака после запятой). В разработанный «Пакет программ для демонстрации работоспособности, автоматизации процедур настройки и контроля системы позиционирования» входят следующие компоненты:

- Программа визуализации для проверки работоспособности модуля позиционирования используется после изготовления платы и монтажа основных элементов для проверки работоспособности модуля позиционирования. Также программа позволяет выполнить сравнение значений выходных напряжений микросхемы акселерометра с заранее определенными диапазонами.

- Программа калибровки акселерометра автоматизирует трудоемкий процесс калибровки.

- Программа определения коэффициента температурной чувствительности акселерометра используется с целью определения масштабных и температурных коэффициентов акселерометра и датчика температуры. Полученные значения параметров используются рабочей программой передачи данных УФСП, обеспечивая компенсацию погрешностей установки МП в корпус и изменения температуры окружающей среды при вычислениях значений угла наклона прибора и линейных ускорений относительно осей.

- Программа отображения информации УФСП используется после финишной настройки прибора и служит для демонстрации его возможностей.

- Программа визуализации для проверки работоспособности модуля позициониро-

10

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2009

ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ

вания (далее - программа) позволяет провести работы по проверке работоспособности прибора, а также определить диапазоны изменений выходных сигналов акселерометра. По полученной от УФСП информации проводится анализ выходных сигналов акселерометра и делается вывод о работоспособности прибора и диапазонах изменения выходных сигналов:

- в нулевом положении;

- в положении «поворот по оси Х на плюс 90°»;

- в положении «поворот по оси Х на минус 90°»;

- в положении «поворот по оси Y на плюс 90°»;

- в положении «поворот по оси Y на минус 90°».

На основании всей полученной от УФСП информации проводится общая проверка работоспособности. Все промежуточные и окончательные результаты проверок документируются в пригодном для печати формате.

Программа калибровки акселерометра позволяет автоматизировать процесс калибровки УФСП. Калибровка проводится последовательно по осям X и Y в трех положениях: нулевом, а также в наклонных положениях с поворотом на 90° в положительном и отрицательном направлениях. После введения порядкового номера прибора определяется состояние процесса калибровки (калибровка не проводилась, данные по оси Х получены или калибровка успешно завершена). Калибровка считается успешной, если не возникло ошибок при приеме сигнала акселерометра (ненулевой сигнал). Перед началом работы с прибором необходимо ввести напряжение питания микроконтроллера для вычисления коэффициента пересчета, используемого в рабочих формулах. Во время работы программы происходит непрерывное обращение к прибору, постоянно снимаются показания с датчика температуры. Затем полученные значения отображаются в отдельном окне в виде графика. После снятия измерений по обеим осям в каждом из трех положений производится вычисление масштабных коэффициентов и нулевых сигналов акселерометра.

Масштабные коэффициенты по угловому положению вычисляются для двух наклонов - +90° и -90° по обеим осям X и Y по формуле

K = 1 / lUak - Ua0|,

где Uak - напряжение акселерометра по оси X или Y при наклоне +90° или -90°, а Ua0 - напряжение акселерометра в нулевом положении по данной оси. Масштабные коэффициенты по линейному ускорению вычисляются для двух наклонов: +90° и -90° по обеим осям X и Y по формуле

K = |Uak - Ua0| / 9,87,

где Uak - напряжение акселерометра по оси X или Y при наклоне +90° или -90°, а Ua0 - напряжение акселерометра в нулевом положении по данной оси. При этом программно отслеживается последовательность измерений по каждой оси в трех направлениях. Программа позволяет также получить полную информацию о проведенных измерениях отдельно для каждого прибора. Эти данные можно просмотреть в формируемых автоматически выходных текстовых файлах.

Программа определения коэффициента температурной чувствительности акселерометра. Программа позволяет автоматизировать процесс определения масштабного коэффициента датчика температуры и коэффициентов температурной чувствительности акселерометра относительно осей Х и Y. Измерения проводятся в трех температурных режимах для каждого прибора: +20 °С, -20 °С, +60 °С. После ввода порядкового номера прибора определяется состояние процесса определения коэффициентов температурной чувствительности акселерометра (тестирование не проводилось, данные при температуре окружающей среды +20 °С получены, данные при температурах окружающей среды +20 °С и -20 °С получены или определение коэффициента температурной чувствительности успешно завершено). Определение коэффициента температурной чувствительности акселерометра считается успешным, если не возникло ошибок при приеме сигнала акселерометра (ненулевой сигнал). Перед началом работы с прибором необходимо ввести

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2009

11

ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ

напряжение питания микроконтроллера для вычисления коэффициента пересчета, используемого в рабочих формулах. Во время работы программы происходит непрерывное обращение к прибору, в том числе в течение работы постоянно снимаются показания с датчика температуры. Затем полученные значения отображаются в отдельном окне в виде графика. После снятия измерений в трех температурных режимах окружающей среды производится вычисление коэффициентов температурной чувствительности акселерометра по осям X и Y и масштабного коэффициента датчика температуры.

Масштабный коэффициент датчика температуры вычисляется по формуле

K = 0,5 •

Utmp _ h - Utmp _ n + Utmp _ n -Utmp _ d'

V

40 40 )

где Utmp_h - напряжение на датчике температуры при температуре -20 °С;

Utmpn - при температуре +20 °С;

Utmpd - при температуре +60 °С.

Коэффициенты температурной чувствительности для осей X и Y вычисляются по формуле

г Ua h-Ua n Ua n-Ua d Л K = 0,5 • -=-----=---+-

KUtmp_h-Utmp_n Utmp_n-Utmp_d где Utmp_h - напряжение на датчике температуры при температуре -20 °С;

Utmp n - при температуре +20 °С;

Utmp d - при температуре +60 °С;

Ua_h, Ua_n, Ua_d - напряжение на акселерометре по оси X или Y при температурах: -20 °С, +20 °С, +60 °С соответственно.

Рис. 4. Стенд AC1120C V2.3

Все данные, полученные в ходе измерений, автоматически заносятся в выходной текстовый файл, сформированный для тестируемого прибора.

Калибровка и определение коэффициентов температурной чувствительности проводится в составе стенда AC1120C V2.3. Фотография стенда приведена на рис. 4.

Отображение информации УФСП. Программа позволяет отобразить информацию об угловом положении прибора и действующем линейном ускорении относительно осей Х и Y, передаваемую УФСП. Отображение измеряемых параметров проводится в двух режимах: углового положения и линейного ускорения.

Во время работы программы микроконтроллер непрерывно снимает информацию через каналы АЦП с акселерометра, датчика температуры и контроллера питания и вычисляет угловое положение прибора и линейное ускорение относительно осей Х и Y. Затем полученные данные передаются в компьютер по протоколу UART в формате целого числа без знака (unsigned).

При измерении углового положения данные отображаются в виде графиков по осям X и Y и на динамической модели, изображающей реальное угловое положение прибора. Внешний вид модели соответствует реальному прибору (рис. 5). В режиме линейного ускорения информация отображается в виде графиков. При неудачной попытке считать информацию (не подключен прибор, ошибка соединения) будет выдано сообщение об ошибке. При работе программы отображается время работы прибора в определенном режиме отображения информации.

Программа позволяет провести масштабирование полученных графических данных. Пользователь может уменьшать или увеличивать размеры динамической модели и изменять ее положение относительно осей координат.

Преимущество использования пакета программ по времени показано в таблице.

Из таблицы видно, что повышение скорости проверки с использованием программы относительно проверки вручную составляет 14 раз.

12

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2009

ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ

Рис. 5. Визуальная модель прибора в программе

Таблица

Сравнительная характеристика времени калибровки и проверки работоспособности при использовании программы и без использования средств автоматизации

Этап Время без использования программы (мин) Время с использованием программы (мин)

1. Проверка УФСП 14 3

2. Калибровка УФСП 17 0,5

3. Определение коэффициентов температурной чувствительности акселерометра (не считая работы за стендом) 25 0,5

Итого 56 4

Заключение

Пакет программ для демонстрации работоспособности, автоматизации процедур настройки и контроля системы позиционирования значительно сокращает время проведения работ (в 14 раз) по проверке работоспособности, калибровке прибора и определению коэффициента температурной чувствительности акселерометра, гарантирует точность вычислений и не требует повышенного внимания оператора при работе с ним. Возможность сохранения и точность полученных результатов практически исключает возможность повторного проведения работ с прибором. Простой интерфейс и отсутствие сложных расчетов позволяют работать с программами сотрудникам, имеющим начальный навык работы с персональным компьютером.

Библиографический список

1. Ачильдиев, В.М. Микромеханические системы позиционирования на основе микромеханических акселерометров и гироскопов для нашлемных систем целеуказания и индикации / В.М. Ачильдиев, Ю.К. Грузевич, В. А. Солдатенков и др. // Вестник МГТУ им. Баумана. - 2008. - № 3.

2. Селецкая, Э.С., Билалов РА. и другие. Программа визуализации для проверки работоспособности модуля позиционирования. ОАО «НПО Геофизи-ка-НВ», КНИБ.408114.002.02-01 13 01, 2008 г

3. Недодаев, А.А., Григорьев В.А. и другие. Программа проверки работоспособности. ОАО «НПО Гео-физика-НВ», КНИБ.408114.002.01-01 13 01, 2008 г.

4. Павлов, А.Е. и другие. Программа калибровки акселерометра. ОАО «НПО Геофизика-НВ», КНИБ.402113.002.01-01 13 01, 2008 г.

5. Свириденко, Ю.Н. и другие. Программа определения коэффициента температурной чувствительности акселерометра. ОАО «НПО Геофизика-НВ», КНИБ.402113.002.02-01 13 01, 2008 г.

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2009

13