CC BY
136
УДК 629.7.05
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ МИКРОГАБАРИТНЫХ ДАТЧИКОВ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ КОМПОНЕНТОВ ИСУ БЛА
В.В. Ашмарин, П.Н. Миронов
Разработка комплексов защиты объектов от средств воздушного нападения с использованием БЛА малой и СМД является одним из актуальных направлений применения современных роботизированных беспилотных средств. В связи с постоянным ужесточением требований по массогабаритным характеристикам при построении БСУ БЛА на первый план выходит задача сохранения и повышения точностных характеристик БСУ. При решении задач комплексной обработки информации от различных датчиков, решении задач взаимодействия БЛА в группе, а также интеллектуальном управлении БЛА необходимо использование в составе БСУ высокопроизводительного цифрового микропроцессора обработки сигналов.
Ключевые слова: датчик первичной информации, бортовая система управления, микропроцессор, микроэлектромеханическая система.
В настоящее время во многих странах, в том числе и в РФ, бурно развиваются техника и технологии разработки и производства систем управления малогабаритными объектами. Одним из актуальных направлений применения подобных систем являются комплексы защиты объектов от средств воздушного нападения с использованием беспилотных летательных объектов (БЛА) малой и сверхмалой дальности (СМД).
Тенденции развития БЛА показывают, что основные усилия специалистов в этой и смежных областях на протяжении последних лет направлены на снижение массогабаритных и стоимостных характеристик инерци-альных систем управления (ИСУ) при массовом производстве. Подобные тенденции наблюдаются и в других изделиях специального назначения, таких, как роботизированные устройства небольших размеров, применяемые в различных областях, ударные и разведывательные комплексы, аэрофотосъемка и картографирование, мониторинг объектов инфраструктуры, поиск и обнаружение полезных ископаемых, доставка грузов и многое другое.
Целью инерциальных измерений является обеспечение определения местоположения, а также относительных или абсолютных параметров движения беспилотного объекта. Инерциальные навигационные системы не обеспечивают точного позиционирования подвижного объекта из-за ошибок, связанных с шумами гироскопов и акселерометров, и их составляющих (систематической ошибки, ошибки нелинейности и масштабного коэффициента).
В практическом применении для решения навигационных и других задач, связанных с определением кинематических параметров движения подвижных объектов, применяются устройства различного уровня конструкторской и функциональной интеграции.
18
В настоящее время существует большое количество инерциальных датчиков, и все они сравниваются между собой по основным характеристикам. Каждый отдельный тип датчиков обладает определенными достоинствами и недостатками, но так как их характеристики сопоставимы, то сделать выбор относительно одной конкретной технологии достаточно трудно.
В связи с ужесточением требований по массогабаритным характеристикам, стабильности и помехозащищенности в широком диапазоне внешних воздействий при построении бортовой системы управления перспективных микрогабаритных БЛА на первый план выходит задача сохранения и повышения точностных характеристик инерциальной системы управления.
Принцип построения перспективных микрогабаритных бортовых систем управления БЛА сверхмалой дальности
Принцип построения и аппаратурный состав микрогабаритных ИСУ объектов сверхмалой дальности определяется следующими основными требованиями:
- малое время готовности ИСУ;
- минимальные габариты и масса ИСУ;
- наличие в составе аппаратуры микрогабаритной бортовой цифровой вычислительной машины (БЦВМ) большой мощности, обеспечивающей решение всех задач ИСУ;
- минимальная стоимость.
Поставленным требованиям в наиболее полном объеме удовлетворяет БИНС с использованием информации от трех акселерометров и трех датчиков угловых скоростей, жестко закрепленных на корпусе изделия.
В качестве перспективы применения микрогабаритных датчиков первичной информации (ДПИ) и в целях экономии финансовых ресурсов целесообразно рассмотреть вариант исполнения микрогабаритной БСУ (рисунок), в состав которой входят:
- единый блок первичной измерительной информации о параметрах движения БЛА на базе инерциального измерительного модуля/блока (ИИМ/ИИБ) на МЭМС-датчиках;
- единое бортовое цифровое вычислительное устройство (БЦВУ), управляющее всеми элементами бортовой системы управления;
- блок управления исполнительными органами и вспомогательной аппаратурой.
Как за рубежом, так и в нашей стране наблюдается развитие производства микрогабаритных ДПИ (гироскопов и акселерометров) и инерци-альных систем на их основе. В настоящее время на рынке их существует великое множество.
Анализ мирового и отечественного опыта разработки микрогабаритных гироскопов
МЭМС-гироскоп CRH02-025 (Silicon Sensing). Оборонная компания Великобритании Silicon Sensing, занимающаяся разработками в области вооружений, информационной безопасности и аэрокосмической сфере, использует датчики на основе МЭМС при разработке ИСУ, в частности, для ракетного вооружения. В числе разработок фирмы следует отметить разработку компактного высокопроизводительного одноосевого МЭМС-гироскопа с кольцевым резонатором CRH02-025, обеспечивающего превосходную стабильность и низкие шумовые составляющие. Отличие такого гироскопа от обычного МЭМС-гироскопа заключается в том, что он является твердотельным волоконным гироскопом и работает на основе инертных свойств упругих волн в твердом теле. Одним из основных достоинств данного типа гироскопов является его пониженная чувствительность к механическим воздействующим факторам. Также он предоставляет оптимальное решение в тех случаях, где нестабильность смещения нуля, случайный дрейф угла и низкие шумы имеют критическую важность. Основные характеристики CRH02-025 приведены в табл. 1 [1].
Структурно-функциональная схема БСУ объекта СМД с применением ИИМ на микрогабаритных ДПИ
МЭМС-гироскоп CRM202.1 (Silicon Sensing PinPoint). Еще одной разработкой компании Silicon Sensing PinPoint является одноосевой МЭМС-гироскоп CRM202.1, способный измерять угловую скорость в диапазоне ±1000 °/с. Гироскоп может выдавать выходной сигнал в аналоговом виде (является линейно-пропорциональным угловой скорости) и в цифровом виде (по протоколу SPI) по выбору пользователя. Основные характеристики CRM.202.1 приведены в табл. 1 [2].
20
МЭМС-гироскоп STIM210 (Sensonor AS). Фирма Sensonor AS разработала трехосевой МЭМС-гироскоп STIM210, каждая ось которого отка-либрована на этапе производства, а погрешности измерения устраняются с помощью компенсационных алгоритмов. Гироскоп находит свое применение в индустриальных, аэрокосмических и оборонных системах, используется в различных платформах стабилизации, системах целеуказания и наведения (антеннах, камерах, гироплатформах), инерциальных навигационных системах, системах ЭБ-картографирования, робототехнических системах. Основные характеристики STIM210 приведены в табл. 1 [Э].
МЭМС-гироскоп MSG1100D (MTMicrosystems Co., Ltd.). Китайская компания MTMicrosystems Co., Ltd. долгое время проводит инновационные исследования и разработки и занимает лидирующие позиции в области производства изделий на базе МЭМС-технологий. Компания разработала компактный высокоточный МЭМС-гироскоп MSG1100D. Чувствительный элемент MSG1100D изготовлен с применением передовой МЭМС-технологии и высокоустойчивого и надежного корпуса на базе подложки кристалла. МЭМС-чип, микросхемы ASIC и датчик температуры сгруппированы и установлены в едином керамическом корпусе. MSG1100D является компактным МЭМС-гироскопом. Он специально разработан для работы в жестких условиях, в том числе при ударах и вибрациях. Основные характеристики MSG1100D приведены в табл. 1. [4].
Таблица 1
Основные характеристики МЭМС-гироскопов зарубежного
производства
Название изделия CRH02-025 CRM202.1 STIM210 MSG1100D-300
Изображение изделия О
Диапазон измерения, °/с ±25 ±900 ±400 ±300
Смещение нуля, °/с ±0.1 ±12 ±10 ±0.5
Стабильность смещения нуля, °/ч 0.12 80 0.3 10
Случайный дрейф угла, 0.017 0.8 0.15 <0.2
Масштабный коэффициент (при 25 °С), мВ/°/с 80 8 - 10000±500
Нелинейность масштабного коэффициента, % ±0.02 0.16 - <0.1
Полоса пропускания, Гц 50 5 - 160 262 80
Температурный диапазон, °С -40...+85 -20...+85 -40 - +85 -40 - +85
Масса, г 45 0,3 52 1.9
Размеры, ДхШхВ, мм 47 х ЭЭ.5 х 25.4 6.Э х 2.7 х 5.5 45 х 39 х 22 20 х 22 х 10.2
Микромеханический гироскоп ММГК-150М (НИУ «МИЭТ»)
Российский «Национальный исследовательский университет «Московский институт электронной техники» (НИУ «МИЭТ», г. Зеленоград) разработал микромеханический (ММ) гироскоп ММГК-150М с кольцевым резонатором. Конструкция указанного гироскопа аналогична CRH02 производства «Silicon Sensing». Основные характеристики ММГК-150М приведены в табл. 2 [5].
Микромеханический гироскоп ДМГ-1 (ФТИАН). Разработкой технологий и изготовления кремниевых чувствительных элементов микромеханических кольцевых гироскопов и микромеханических акселерометров занимается Физико-технологический институт (ФТИАН) Российской академии наук (г. Москва).
Микромеханический гироскоп ДМГ-1 предназначен для использования в качестве датчика угловой скорости в автомобилестроении, робототехнике, спортивных тренажерах, медицинском оборудовании, системах виртуальной реальности, бытовой технике, детских игрушках. Гироскоп состоит из кремниевого датчика и блока электроники. Основные характеристики ДМГ-1 приведены в табл. 2 [6].
Таблица 2
Основные характеристики ММ-гироскопов отечественного
производства
Название изделия ММГК-150М ДМГ-1
Изображение изделия #
Вариант построения ДУС карданного типа ДУС кольцевого типа -
Диапазон измеряемых угловых скоростей, °/с ±50; ±100; ±150 ±75; ±100; ±150 ±100
Систематическая составляющая нулевого сигнала, °/с 4.05 0.055 ± 0.3
Случайная составляющая нулевого сигнала, °/ч 0.35 °/ч 0.01 °/ч 0,1 °/с
Нестабильность, от запуска к запуску,1 СКО, °/с 0.42 0.002 -
Случайный дрейф угла, °/^ч < 3 < 3 -
Тренд нулевого сигнала, (°/ч)/ч 32.01 19.16 -
Нелинейность масштабного коэффициента, % 0.01 0.01 ± 1.0
Погрешность масштабного коэффициента в диапазоне температур, % - - ± 3.0
Температурный диапазон, °С -40 - +85 -40 - +85 -40 - +85
Размеры, ДхШхВ, мм - - 35 х 35 х 30
Масса, г - - 40
Анализ мирового и отечественного опыта разработки микрогабаритных акселерометров
МЭМС-акселерометр MSA1000D (MTMicrosystems Co., Ltd).
Компания MTMicrosystems Co., Ltd. разработала компактный высокоточный МЭМС-акселерометр MSA1000D. Основные конструктивные характеристики аналогичны МЭМС-гироскопу MSG1100D. Акселерометр предназначен для применения при жестких возмущающих воздействиях, а также при ударах и вибрациях. Основные характеристики MSA1000D приведены в табл. 3 [7].
МЭМС-акселерометр CAS293 (Silicon Sensing Gemini). Торговая марка Gemini представляет собой новое семейство интегральных МЭМС-акселерометров фирмы Silicon Sensing, обеспечивающих высокоэффективное измерение линейного ускорения по двум осям в компактном корпусе. Разработанный МЭМС-акселерометр CAS293 включает в себя двухосевой чувствительный элемент, изготовленный по МЭМС-технологии, и микросхему ASIC, установленные в едином керамическом корпусе. [8] Основные характеристики CAS293 приведены в табл. 3 [9].
МЭМС-акселерометр MS9010.D (Colibrys). Швейцарская компания Colibrys разработала емкостной МЭМС-акселерометр MS9010.D, включающий в себя кремниевый чувствительный элемент, изготовленный для наилучшей стабилизации. Акселерометр требует мало мощности, полностью откалиброван, способен выдерживать сильные удары, высокостабильный, а электронная конфигурация обеспечивает полную защиту системы за счет предотвращения потери напряжения. Основные характеристики MS9010.D приведены в табл. 3 [10].
Таблица 3
Основные характеристики МЭМС-акселерометров зарубежного
производства
Название изделия MSA1000D CAS293 MS9010.D
Изображение изделия I ;•-- • [.шиш] ф
Диапазон измерения, % ±10 ± 10 ± 2
Смещение нуля, т% ±50 ± 0.75 < 10
Стабильность смещения нуля, т% < 0.5 ± 7.5 1.5
Масштабный коэффициент, мВ/% - 96 200 ± 2
Нелинейность масштабного коэффициента, % < 0.05 2 < 0.9
Температурный коэффициент изменения смещения нуля, м%/°С < 0.5 - < 0.5
Окончание табл. 3
Название изделия MSA1000D CAS293 MS9010.D
Температурный коэффициент изменения масштабного коэффициента, ррт/°С < 50 - 100
Разрешающая способность, мб 0.3 0.1 < 0.1
Полоса пропускания, Гц 125 > 170 > 100
Стойкость к ударам, % 20000 1000 < 6000
Температурный диапазон, °С -40 - +125 -40 - +125 -55 - +125
Масса, г 1.9 0.6 1.5
Размеры, ДхШхВ, мм 20 х 22 х 10.2 10.4 х 6.7 х 2.7 8.9 х 8.9 х 3.23
МЭМС-акселерометр SV30G (Совтест АТЕ). Российская компания «Совтест АТЕ» разработала МЭМС акселерометр SV30G, обладающий широким диапазоном измерения ускорений, высокой точностью, надежностью и возможностью проведения измерений по нескольким осям одновременно. Акселерометр изготавливается по технологии глубокого реактивного травления. При помощи этой технологии можно получать структуры с высоким аспектным разрешением (соотношение ширины структуры к глубине), что дает высокую точность и линейность измерений. Основные характеристики SV30G приведены в табл. 4. [11].
ММ-акселерометр А-101 (ФТИАН). Физико-технологический институт Российской академии наук разработал микромеханический акселерометр А-101, предназначенный для измерения линейного ускорения в резервных системах навигации самолетов и вертолетов, в системах управления беспилотными летательными аппаратами и роботами. Акселерометр состоит из объединенных в одном корпусе по гибридно-пленочной технологии чувствительного элемента из монокристалического кремния и электроники обработки выходного сигнала в виде специальной микросхемы. Несмотря на малые габариты, акселерометр имеет встроенный термодатчик, отличается высокой надежностью в условиях больших механических воздействий. Основные характеристики А-101 приведены в табл. 4 [12].
ММ-акселерометр АМЭМ-135 (НИУ «МИЭТ»). Российский «Национальный исследовательский университет «Московский институт электронной техники» (НИУ «МИЭТ», г. Зеленоград) разработал трехосе-вой ММ-акселерометр АМЭМ-135, предназначенный для измерения линейных ускорений, измерения отклонений от вертикали, измерения параметров движения и вибрации. Основные характеристики АМЭМ-135 приведены в табл. 4 [13].
Эффективным методом повышения инерциальных измерений, обеспечивающим повышение точности системы и одновременно не увеличивающим ее стоимость, является использование дополнительных внеш-
них данных с целью корректировки (списания ошибок) или объединения навигационной информации. Такими источниками в общем случае могут быть:
- спутниковая навигационная система (СНС), которая обеспечивает инерциальные навигационные системы данными по абсолютному положению, но имеет низкую помехозащищенность. При таком виде комплекси-рования ИНС в навигационных целях обычно имеют гибридное (интегрированное) исполнение (инерциальный измерительный блок (ИИБ) + СНС). Применяются различные стратегии и подходы интегрирования и комплек-сирования, чтобы избежать слишком большой зависимости от помех, обеспечивая безопасность данных для важных объектов применения;
- инструментальные датчики, интегрированные с ИИБ для определенных классов подвижных объектов, такие, как инфракрасная головка самонаведения в тактических ракетах, магнитометры в авиационных средствах, обеспечивающие, с целью улучшения показаний акселерометров данными об аномалиях силы тяжести.
Таблица 4
Основные характеристики ММ-акселерометров отечественного производства
Название изделия БУ300 А-101 АМЭМ-135
Изображение изделия П
Диапазон измерения, % ±30 ±12 1.2; 2; 5; 10; 40; 50; 100;200
Смещение нуля, т% - 50 (1... 9)*10-1
Стабильность смещения нуля, т% - 1 -
Спектральная плотность шума, Н^Гц 225 - (1.4)*101
Нелинейность масштабного коэффициента, % < 1 - -
Разрешающая способность, м% < 2 - -
Полоса пропускания, Гц > 100 - 0-100; 0-130; 0-170; 0-300
Стойкость к ударам, % < 3000 - -
Напряжение питания, В - - 5; 12; 27
Энергопотребление, мВт - - < 10
Температурный диапазон, °С -40 - +85 -40 - +85 -40 - +85
Масса, г 21 6 -
Размеры, ДхШхВ, мм 5 х 5 х 4 21.9 х 19.4 х 19 -
Анализ мирового и отечественного опыта разработки ИИБ МЭМС-инерциальный измерительный блок STIM300 (Sensonor AS). Компания ЗепБОпог Л8 на основе базового 3-осевого блока гироскопа 8Т1М210 создала полноценный инерциальный измерительный модуль
STIM300 c 9 чувствительными элементами для измерения параметров вращательного и линейного движения. Высокоэффективный ИИБ является альтернативой систем на основе волоконно-оптических гироскопов. Изделие наилучшим образом подходит для решения задач стабилизации, наведения подвижных объектов, навигации БЛА и дистанционно управляемых аппаратов. Основные характеристики STIM300 приведены в табл. 5 [14].
МЭМС-инерциальный измерительный блок DMU30 (Silicon Sensing). Компания Silicon Sensing в течение последних нескольких лет серийно выпускает семейство 6-компонентных инерциальных измерительных модулей DMU. Изделие DMU30 изготовлен с применением двух МЭМС-гироскопов и двух МЭМС-акселерометров по каждой из трех осей, которые совершенно независимы друг от друга, имеют различную конструкцию, принцип работы и характеристики. Изделие предназначается для комплектации систем морского базирования и БЛА для обеспечения управления и наведения. Основные характеристики DMU30 приведены в табл. 5 [14].
МЭМС-инерциальный измерительный блок HG1930 (Honeywell). Фирма Honeywell разработала микроэлектромеханический инерциальный измерительный блок HG1930 специально для применения в ракетах, управляемых снарядах малого калибра и беспилотных транспортных средствах.
Основными отличительными особенностями являются микроминиатюрные размеры, малая мощность, прочность и устойчивость функционирования в условиях внешних воздействующих факторов, характерных для стрельбы из артиллерийских орудий.
ИИБ HG1930 включает МЭМС-гироскопы, МЭМС-акселерометры и надежный микропроцессор, который обеспечивает функционирование всей системы в целом.
Отличительными конструктивными признаками ИИБ HG1930 являются:
- микроминиатюрные размеры;
- малая потребляемая мощность;
- дешевые МЭМС-гироскопы тактического инструментального диапазона характеристик;
- надежный и дешевый микропроцессор ARM7;
- низкая стоимость и высокие показатели;
- моноблочное герметичное исполнение;
- высокопрограммная интеграция под требования потребителей.
Основные характеристики HG1930 приведены в табл. 5 [15].
МЭМС-инерциальный измерительный блок IMU-I (Northrop Grumman LITEF). Фирма Northrop Grumman LITEF, обладая новой технологией МЭМС-датчиков, разрабатывает высокоточные ИИБ с целью обеспечения существующих и перспективных требований потребителей.
Компания имеет большой опыт в разработке ИИБ, основанных на применении волоконно-оптических гироскопов и создании триады МЭМС-акселерометров. Именно это является базой проекта МЭМС ИИБ 1Ми-1, предназначенного для гирокурсовертикали, систем контроля и управления полетом, стабилизации антенн, камер и других приборов на подвижных платформах.
1Ми-1 обладает следующими конструктивными особенностями для использования:
- три измерительных канала угловой скорости на базе МЭМС-гироскопов;
- три измерительных канала линейного ускорения на базе МЭМС-акселерометров;
- выход полностью компенсируемых данных (температура, смещение, несоосность);
- расширенные встроенные системы самоконтроля;
- малые размеры и масса, низкое энергопотребление;
- малозатратное обслуживание при эксплуатации.
Основные характеристики 1Ми-1 приведены в табл. 5 [16].
Таблица 5
Характеристики ИИБ зарубежного производства
Название изделия БИМЗСЮ БМиЗС Ш1930 1Ми-1
Изображение изделия
Диапазон измерения угловых скоростей, °/с ± 4СС ± 490 ± 1440 ± 1000
Смещение нуля гироскопа, °/ч 25С 20 20 10
Стабильность смещения нуля гироскопа, °/ч 0,3 0.1 1 6
Диапазон измерения линейных ускорений, % ± 1С ± 10 ± 35 ± 30
Смещение нуля акселерометра, тё 0.75 5 5 3
Стабильность смещения нуля акселерометра, % 5*1 С-5 3*10-5 3*10-4 -
Мощность, Вт 1.5 3 < 3 < 8
Диапазон рабочих температур, °С -40...+85 -40...+85 -54...+85 -45...+70
Масса, г 55 345 160 680
Размеры, мм 38.6 х 44.8 х 21.5 68.5 х 61.5 х 65.5 064,8 х 35,7 085 х 60
Основной тенденцией построения такой системы ИИБ на сегодняшний день является интегрирование ИНС и СНС, при получении следующих характеристик: малый объем блока, малая масса, низкое энергопотребление, низкая стоимость.
Малогабаритная комбинированная МЭМС-спутниковая навигационная система КомпаНав-3 (ТеКнол). Малогабаритная интегрированная инерциально-спутниковая навигационная система «КомпаНав-3» предназначена для определения текущих координат местоположения объекта, углового и линейного движения объекта, на основании которых высокоскоростной вычислитель осуществляет расчет углов ориентации (курса, крена и тангажа), коррекцию координат местоположения и выдает информацию потребителю. Система представляет собой комбинацию блока микроэлектромеханических инерциальных датчиков и приёмника спутниковой навигационной системы, размещённых в общем корпусе. Изделие предназначено для установки на подвижных объектах различного типа. Основные характеристики «КомпаНав-3» приведены в табл. 6 [17].
Малогабаритный бесплатформенный ИИМ («Электроприбор» Малогабаритный трехосевой бесплатформенный ИИМ («БИИМ») предприятия «Электроприбор» применяется для выработки информации об угловых скоростях и ускорениях подвижных объектов. Изделие «БИИМ» предназначено для применения в различных областях робототехники, автомобильного транспорта, беспилотных ЛА и малых аппаратов морского базирования. Основные характеристики БИИМ приведены в табл. 6 [18].
Микромеханическая бесплатформенная инерциальная навигационная система «БИНС-ММ» (АО «Инерциальные технологии «Тех-нокомплекса»). Микромеханическая бесплатформенная инерциальная навигационная система «БИНС-ММ» фирмы «Инерциальные технологии «Технокомплекса» предназначена для определения векторов линейного ускорения и угловой скорости, а также использования в качестве навигационной системы роботов, автомобильной техники и беспилотных аппаратов. Основные характеристики БИНС-ММ приведены в табл. 6 [19].
Инерциальный модуль «ГКВ-10» («Лаборатория микроприборов» Инерциальный модуль «ГКВ-10» фирмы «Лаборатория микроприборов» (МИЭТ) состоит из высокоточного трехосного гироскопа, акселерометра, высокопроизводительного вычислителя и необходимой периферии. Модуль «ГКВ-10» предназначен для полного измерения инерциаль-ных воздействий, вычисления ориентации объекта, определения навигационных параметров объекта, использования в промышленных и аэрокосмических изделиях. Основные характеристики ГКВ-10 приведены в табл. 6 [20].
МЭМС ИИБ АИСТ-350 (iSense Intelligent Sensors). Компания iSense Intelligent Sensors разработала прибор АИСТ-350 предназначенный для определения и выдачи потребителю информации о проекции угловых скоростей и линейных ускорений в связанной системе координат изделия. Прибор построен на базе МЭМС-гироскопов и МЭМС-акселерометров компании Maxim Integrated и необходимой сервисной электроники. Выпускается в двух модификациях - с термостатированными ЧЭ и с термо-
компенсацией ЧЭ для всего рабочего диапазона температур. В связи с тем, что температурная зависимость ЧЭ сильно нелинейна, в АИСТ-350 используется табличный алгоритм термокомпенсации нуля и масштабного коэффициента для достижения минимальной погрешности. Основные характеристики АИСТ-350 приведены в табл. 6 [21].
Таблица 6
Характеристики ИИБ отечественного производства
Название изделия КомпаНав-3 БИИМ БИНС-ММ ГКВ-10 АИСТ-350
Изображение изделия щ V §
Диапазон измерения угловых скоростей, °/с ± 250 ± 450 ± 400 ± 900 ± 2000
Смещение нуля гироскопа, °/ч 36 11 18 6 ± 300
Стабильность смещения нуля гироскопа, °/ч - - - 0.1 ± 4
Диапазон измерения линейных ускорений, % ± 5 ± 10 ± 10 ± 10 ± 15
Смещение нуля акселерометра (1а), м% - - - ± 50 ± 50
Стабильность смещения нуля акселерометра, % - < 10-3 2*10-3 3*10-5 5*10-4
Мощность, Вт 1.5 < 5 < 3 2.4 < 1
Диапазон рабочих температур, °С -40 ... +75 -55 ... +60 -40 ... +60 -50 ... +85 -40 ... +85
Масса, г 350 - 600 200 170
Размеры, мм 127 х 74 х 39 064 х 65 85 х 85 х 100 72.3 х 50 х 34.5 064 х 53,5
Характеристики инерциальных измерительных блоков отечественного производства уступают характеристикам используемых традиционных гироинерциальных блоков. Однако МЭМС-технологии стремительно развиваются, и недалек тот день, когда по своим точностным характеристикам МЭМС-датчики и инерциальные системы на их основе сравняются с ныне используемыми в БЛА малой дальности. Отечественные разработчики МЭМС-изделий, постоянно улучшают имеющиеся образцы, стремятся достичь тех технических и точностных характеристик, которыми уже обладают МЭМС-изделия зарубежных производителей.
Анализ мирового и отечественного опыта разработки вычислительных компонентов ИСУ. В настоящее время на мировом и отечественном рынке существует большое количество микропроцессоров, которые можно использовать в качестве бортовых вычислительных компонентов.
Микропроцессор TMS320C6727B (Texas Instruments). Микропроцессоры серии С67* являются высокопроизводительными 32-/64-разрядными цифровыми сигнальными процессорами следующего поколения. с возможностью обработки данных с плавающей запятой. Микропроцессор является улучшенной и расширенной версией предшествующих ему моделей и совместим с ними. Отличительными особенностями TMS320C6727B являются значительное улучшение плотности кода, скорости обработки данных с плавающей запятой за такт. На максимальной частоте работы в 350 МГц процессор способен обеспечивать максимальную производительность, выполняя до восьми команд (шесть из которых могут являться командами с плавающей запятой) параллельно в каждом цикле. Процессор имеет упрощенную конструкцию, так как отсутствует фиксированное разделение памяти команд и данных, как на других устройствах. Основные характеристики микропроцессора TMS320C6727B представлены в табл. 7 [22].
Микропроцессор MAX32650 (Maxim Integrated). Процессоры высокого напряжения предназначены для обработки наиболее сложных приложений и требуют современных устройств с батарейным питанием и беспроводными датчиками первичной информации. Микроконтроллеры серии DARWIN являются новой группой маломощных микропроцессоров на современном рынке. Микропроцессор MAX32650 является крайне маломощным высокопроизводительным процессором с масштабируемой памятью. Основные характеристики микропроцессора MAX32650 представлены в табл. 7 [23].
Микропроцессор ADSP-TS101S TigerSHARC (Analog Sevices).
Микропроцессор ADSP-TS101S TigerSHARC является высокопроизводительным, суперскалярным процессором, предназначенным для больших задач обработки сигналов и структур связи. Статическая суперскалярная архитектура процессора позволяет обрабатывать до четырех инструкций в каждом цикле, выполняя 24 команды с фиксированной запятой или шесть команд с плавающей запятой. Основные характеристики микропроцессора ADSP-TS101S представлены в табл. 7 [24].
Таблица 7
Характеристики микропроцессоров зарубежного производства
Производитель Texas Instruments Maxim Integrated Analog Devices
Наименование TMS320C6727B MAX32650 ADSP-TS101S
Ядро С67х Arm Cortex-M4 VLIW
Разрядность данных, бит (ФЗ/ПЗ) 32, 64 32, 64 8, 16, 32, 64/32, 40
Тактовая частота, МГц 350; 300; 275;250 120 300
Объем ПЗУ 384 Кбайт 3 Мбайт 3x2 Мбит
Окончание табл. 7
Производитель Texas Instruments Maxim Integrated Analog Devices
Наименование TMS320C6727B MAX32650 ADSP-TS101S
Объем ОЗУ 256 Кбайт 1 Мбайт 6 Мбит
Объем кэш ОЗУ 32 Кбайт 16 Кбайт -
Производительность (ФЗ/ПЗ) 2800 MIPS 2100 MFLOPS High 1800 MFLOPS
Среда проектирования и отладки Code Composer - Visual DSP++
Порт отладки JTAG SWD/JTAG JTAG
Таймеры 1 1 2
Интерфейс EMIF UHPI McASP USB 2.0 SPI, QuadSPI UART EPROM
Напряжение питания, В 3.3 3.6 3.45
Диапазон рабочих температур, °С 0...90 -40...+105 -65...+150
Габариты, мм 22*22 - 19*19
Отечественные компании также активно занимаются разработкой и модернизацией микропроцессоров цифровой обработки сигналов с плавающей запятой.
Микропроцессоры 1867ВЦ6Ф, 1867ВН016 (АО «НИИЭТ»). Разработанный микропроцессор 1867ВЦ6Ф компании «АО «НИИЭТ» является аналогом микропроцессора TMS320C30 компании Texas Instruments.
Микросхема выпускается в корпусе 6116.180А (PGA-181). Относится к классу процессоров с плавающей точкой. Его отличают гибкая система команд, хорошая аппаратная поддержка операций с плавающей точкой, мощная система адресации и расширенное адресное пространство. Высокая производительность процессора на ЦОС-алгоритмах обеспечивается благодаря аппаратному выполнению ряди специфических функций, которые в других процессорах реализуются программно или микропрограммно. Процессор имеет конвейерную регистро-ориентированную архитектуру и может параллельно выполнять в одном такте умножение и арифметико-логические операции с числами в формате с фиксированной или плавающей точкой.
40-разрядное АЛУ процессора работает как с целыми числами, так и с числами в формате с плавающей точкой.
Встроенный контроллер DMA позволяет совмещать во времени выполнение обмена данными с памятью и вычисления.
Наличие у процессора мультипроцессорного интерфейса, двух внешних интерфейсных портов, двух последовательных портов и расширенной системы прерываний упрощает конструирование систем на его основе. Благодаря его высокой производительности и простоте использования в вычислительных системах этот процессор можно применять как в качестве главного процессора, так и в качестве специализированного сопроцессора [25].
Современная модернизация 1867ВН016 была разработана под современную БЦВМ «Заря». Разработка перспективной микросхемы 1867ВН016 позволит:
- существенно упростить конструкцию БЦВМ (за счёт включения в микросхему ряда периферийных устройств, которые до сих пор приходилось создавать из «рассыпных» элементов или на базе ПЛИС);
- повысить производительность БЦВМ (наличие двух ядер, распараллеливание задач);
- повысить надёжность БЦВМ (стойкость к спецфакторам);
- снизить себестоимость изготовления.
Также к достоинствам микросхемы 1867ВН016 можно отнести наличие встроенных каналов обмена, ориентированных на применяемые сегодня исполнительные элементы и датчики. В табл. 8 представлены основные характеристики микропроцессоров 1867ВЦ6Ф и 1867ВН016.
К недостаткам микропроцессора 1867ВН016 стоит относить:
- сложность взаимодействия между ядрами процессора и разделяемыми средствами (снижение производительности);
- отсутствие внутренних и внешних скоростных межпроцессорных каналов обмена данными;
- отсутствие средств отладки, поддерживающих современные стандарты и требования (канал JTAG);
- необходимость использования средства разработки и отладки ПО фирмы Texas Instruments (Code Composer) (осложнение в создании собственных средств разработки ПО работающих под Linux);
- отсутствие средств разработки ПО, ориентированных на многопроцессорную архитектуру микросхемы.
При всех упомянутых достоинствах и недостатках использование микросхемы 1867ВН016 не может радикально решить проблему существенного повышения производительности БЦВМ. Для выхода из этого положения необходимо продолжать работу по проектированию собственных инструментальных программ, а также ориентироваться на «планируемую» в АО «НИИЭТ» разработку микропроцессора, аналогичного ТМ3320С66хх [26].
Микропроцессор 1967ВН028 (АО «Миландр»). Альтернативным вариантом в выборе элементной базы может стать переход на высокопроизводительные процессоры цифровой обработки сигналов АО «Миландр». На сегодняшний день этой фирмой серийно выпускаются микропроцессоры 1967ВН028, являющиеся аналогом широко применяемых в БЦВМ всего мира процессоров ADSP-TS201S зарубежной компании Analog Devices. В табл. 8 представлены основные характеристики микропроцессора 1967ВН028 [27].
Микропроцессор 1892ВМ10Я (ОАО «НПЦ «Элвис» Цифровые сигнальные процессоры ОАО «НПЦ «Элвис» имеют большое разнообразие по составу и нацелены на создание средств обработки аналоговых сиг-
налов, в том числе изображений и систем связи и передачи информации. Микропроцессор 1892ВМ10Я имеет в составе три ядра, что говорит о высоком быстродействии, и построен по типу «система на кристалле». В табл. 8 представлены основные характеристики микропроцессора 1892ВМ10Я [28].
Таблица 8
Характеристики микропроцессоров отечественного производства
Производитель АО «НИИЭТ» АО «ПКК «Миландр» АО «НПЦ «Элвис»
Наименование 1867ВЦ6Ф 1867ВН016 1967ВН028 1892ВМ10Я
Количество ядер RISK 2xRISK 2xVLIW RISCore32F64 DELCore-30M
Прототип TMS320C30 TMS320C30 ADSP-TS201 «Мультикор»
Разрядность данных, бит (ФЗ/ПЗ) 32/40 32/40 64/32 32/32
Тактовая частота, МГц 40 50 450 250
Объем ПЗУ, бит 4Кх32 4Кх32 - -
Объем ОЗУ 2Кх32 бит 2Kx32 бит 24 Мбит 4 Мбит
Производительность (ФЗ/ПЗ) 20 MIPS/ 40 MFLOPS 25 MIPS/ 50 MFLOPS 450 MFLOPS 4 GIPS/ 4 GFLOPS
Среда проектирования и отладки Code Composer Code Composer Visual DSP MCStudio 3M
Порт отладки JTAG MPSD JTAG JTAG
Таймеры 2 2 2 2
Интерфейс Мультипроцессорный ARINC-429; UART; USB-2.0 MIL-STD-1553B; LVDS Ethernet 10/100; UART; MFBSP
Напряжение питания, В 5 ± 10 % 3.3 ± 10 % 2.25 ... 2.75 1.2 ± 5 %
Потребляемая мощность, Вт 2.5 2 4 1.5
Диапазон рабочих температур, °С -60...+85 -60...+85 -60...+105 -60...+85
Габариты, мм 42*42 41*41 25*25 21*21
Современное состояние отечественной микроэлектроники позволяет сделать БЦВМ с требуемой производительностью на отечественной элементной базе для решения разного класса задач. Однако при решении задач комплексной обработки информации от различных датчиков, решении задач взаимодействия БЛА в группе, интеллектуальном управлении автоматическими устройствами, при наличии неизвестных параметров, неопределенных условий и критериев, ресурсов современных микропроцессоров будет недостаточно.
Целесообразность применения ОСРВ при разработке СПМО ИСУ. Создание специального программно-математического обеспечения (СПМО) для ИСУ БЛА является трудоёмким процессом, требующим глубоких знаний об управляемых изделиях, теории автоматического управле-
ния, вычислительных устройствах и ОСРВ. Постоянно повышающиеся требования к тактико-техническим параметрам изделий, точности расчётных задач требуют постоянного усложнения рабочих алгоритмов. В связи со спецификой каждой отдельной проблемы не существует универсальных программных инструментов, позволяющих с одинаковой эффективностью решать все задачи. Разработчики в процессе создания СПМО вынуждены переходить от одной среды разработки к другой, применять различные редакторы, компиляторы и отладчики и программы математического моделирования.
ОСРВ представляет класс операционных систем (ОС), которые позволяют одновременно решать ряд необходимых задач и обеспечивают требуемую реакцию на происходящие в системе события. Основной задачей в таких системах является своевременность выполнения обработки данных. ОСРВ обязаны обеспечивать гарантированное время реакции на внешнее событие [29].
Способность гарантировать время реакции является отличительным признаком ОСРВ. Однако важно учитывать различие между гарантирован-ностью и просто высокой производительностью и низкими накладными расходами. Далеко не все алгоритмы и технические решения, которые обеспечивают необходимое среднее время реакции, подходят для применения в ОСРВ [30].
Современные технологии и новые возможности элементной базы приводят к увеличению ресурсов ОЗУ, ПЗУ и повышению системных тактовых частот. Такое интенсивное развитие микропроцессорной техники создаёт положительные условия для применения ОСРВ в разработках СПМО для встраиваемых систем.
При реализации систем управления возникает задача одновременного управления несколькими объектами, обрабатывающими информацию и т.д. При этом различные объекты имеют разные приоритеты обслуживания и могут запрашивать его асинхронно, используя прерывания. Приложения, основанные на работе с прерываниями, отличаются сложностью разработки и накладывают высокие требования на производительность микроконтроллера. При проектировании ПО для встраиваемых систем, имеющих сложную конфигурацию и соединяющих в себе значительное число различных действий и реакций, критичных ко времени, выбор должен склоняться в пользу применения подхода на основе ОСРВ.
ОСРВ обеспечивают многозадачность системы управления при помощи сервисов, предоставляемых ядром, что заметно упрощает разработку систем управления и обеспечивает рациональное использование ресурсов микропроцессоров. Система обработки прерываний, заложенная в ядре, служит для перенаправления аппаратных прерываний процессам, осуществляющим передачу данных между компьютером и периферийными устройствами на низком уровне. Этот механизм позволяет разработчику
избежать работы с аппаратным обеспечением напрямую и тем самым избегать конфликтов между различными потоками, работающими с одним и тем же устройством.
Несомненным плюсом использования ОСРВ являются более простой и понятный код, а также сокращение времени, необходимого на разработку СПМО. Минус заключается в повышенных требованиях к ресурсам памяти, необходимости надлежащего понимания принципов работы в многозадачной среде, принципов потокобезопасного кода, синхронизации данных и др.
Также следует отметить, что эффективное применение разработчиками прикладного ПО различных элементов подхода на основе ОСРВ либо полностью самостоятельная разработка ОСРВ требует тщательного освоения таких теоретических вопросов, как взаимоблокировка, знание принципов технологии их обнаружения и восстановления, разработка средств синхронизации и т.д. Такие требования существенно усложняют процесс создания ПО. Поверхностные подходы к данному вопросу могут приводить к ошибкам и созданию неэффективного кода.
Заключение. Анализ мирового опыта показывает актуальность создания систем малой и сверхмалой дальности, оснащенных миниатюрными БЛА, разработанных с использованием микрогабаритных ДПИ. Такой класс ДПИ предлагает ключевую выгоду по сравнению с традиционными датчиками первичной информации: низкая цена при массовом производстве, миниатюрные габариты и масса, низкий уровень потребления энергии, высокая ударопрочность.
Отечественные компании обладают потенциалом в создании гироскопов, акселерометров и ИИБ с применением микрогабаритных ДПИ, постоянно преумножают свои знания по технологии их проектирования, моделирования и производства, а также имеют задел в разработке микрогабаритных БСУ. Однако имеющиеся изделия отечественного производства не устраивают многих заказчиков ввиду устаревших и не отвечающих современным требованиям массогабаритных и точностных показателей, в связи с чем необходимо улучшать их характеристики.
Современное состояние отечественной микроэлектроники позволяет сделать БЦВМ с требуемой производительностью на отечественной элементной базе для решения разного класса задач. Однако при решении задач комплексной обработки информации от различных датчиков, решении задач взаимодействия БЛА в группе, интеллектуальном управлении автоматическими устройствами, при наличии неизвестных параметров, неопределенных условий и критериев, ресурсов современных микропроцессоров будет недостаточно.
Рассмотренные микропроцессоры и микроконтроллеры имеют необходимые аппаратные ресурсы для работы под управлением ОСРВ. Применение ОСРВ в разработках СПМО возможно и, более того, это позволит
разработчикам абстрагироваться от работы с низкоуровневым аппаратным обеспечением, а также предоставит готовые механизмы для эффективной работы с потоками и снизит вероятность ошибок и сложность разработки программного обеспечения.
Список литературы
1. SILICON SENSING. CRH02 Gyroscopes. CRH02 Technical Datasheet. Analogue Angular Rate Sensor. High Perfomance MEMS Gyroscope. CRH02-00-0100-132 Rev 2. DCR No. 710009294. Printed in England 07/2015. Date 16/07/2015 [Электронный ресурс]. URL: http:// siliconsens-ing.com/products/gyroscopes/crh02/ (дата обращения: 26.07.2018).
2. PinPoint. Precision Navigation and Pointing Gyroscope. CRM202.1 Technical Datasheet. CRM202-00-0100-132 Rev 5. DCR No. 710006782. Printed in England 06/2014. Date 23/06/2014 [Электронный ресурс]. URL: http://siliconsensing.com/products/gyroscopes/crm-pinpoint/ (дата обращения: 11.04.2019).
3. Sensonor AS. STIM210 Multi-Axis Gyro Module. Datasheet. TS1545 rev. 16 [Электронный ресурс]. URL: http://sensonor.com/products/gyro-modules/stim210 (дата обращения: 11.04.2019).
4. MTMicrosystems. MEMS Inertial Devices and Systems. MSG1100D MEMS Gyros [Электронный ресурс]. URL: http://mtmems.com/ en/ product view.asp?id73 (дата обращения: 25.07.2018).
5. Тимошенков С.П. Технология монтажа микро-электромехани-ческих систем (МЭМС) [Электронный ресурс]. URL: http://miet.ru/ (дата обращения: 11.04.2019).
6. АО Инерциальные технологии «Технокомплекса». Направление МЭМС. Микромеханический гироскоп ДМГ-1 [Электронный ресурс]. URL: http://inertech.ru/ru/mems-development.html (дата обращения: 12.03.2019).
7. MTMicrosystems. MSA1000D MEMS Accelerometers [Электронный ресурс]. URL: http://mtmems.com/en/product view.asp?id76 (дата обращения: 25.07.2018).
8. SILICON SENSING. Gemini (Orthogonal) Accelerometers [Электронный ресурс]. URL: http://siliconsensing.com/products/ accelerometers / gemini-orthogonal/ (дата обращения: 25.07.2018).
9. Gemini. Dual-Axis Accelerometer. CAS290 Technical Datasheet. CAS290-00-0100-132 Rev 4.DCR No. 710009415. Printed in England 07/2015. Date 28/07/2015 [Электронный ресурс]. URL: http://siliconsensing.com/ products/accelerometers/gemini-orthoganal (дата обращения: 11.04.2019).
10. Colibrys SAFRAN. Single axis analog accelerometer. MS9001 -Datasheet [Электронный ресурс]. URL: http://colibrys.com/product/ms9000-mems-accelerometer (дата обращения: 26.07.2018).
11. SovTest. Современное тестовое оборудование и технологии. Датчик ускорения ±30g (акселерометр) [Электронный ресурс]. URL: http://sovtest-ate/equipment/dvukhosevoy-vysokotochnyy-mems- -akselerometr -_-30g (дата обращения: 26.07.2018).
12. АО Инерциальные технологии «Технокомплекса». Направление МЭМС. Микромеханический акселерометр А-101 [Электронный ресурс]. URL: http: //inertech .ru/ru/mems-development.html (дата обращения: 12.03.2019).
13. Тимошенков С.П. Технология монтажа микроэлектромеханических систем (МЭМС) [Электронный ресурс]. URL: http://miet.ru (дата обращения: 11.04.2019).
14. Бекмачев А.Е. Инерциальные МЭМС-датчики и модули европейских производителей. Обзор новинок // Электроника НТБ. 2014. № 2.
15. Honeywell. The power of connected. Aerospace. HG1930 Inertial Measurement Unit. N61-1637-000-000 I 10/16 [Электронный ресурс]. URL: http://aerospace. honeywell. com/ en/ products/ navigation-and-sensors/hg1930 (дата обращения: 31.07.2018).
16. Northrop Grumman. LITEF. IMU-I Micro Inertial Measurement Unit [Электронный ресурс]. URL: http://northropgrumman.litef.com/ en/ products - services/ aircraft/ product-overview-military-aviation/mems-imu.html (дата обращения: 31.07.2018).
17. ТеКнол. КомпаНав-3 [Электронный ресурс]. URL: http://www. teknol. ru/ products/products-new/companav-3/ (дата обращения: 10.03.2019).
18. Электроприбор. ИИМ. Бескарданный инерциальный измерительный модуль [Электронный ресурс]. URL: http://www.elektropribor. spb.ru/katalog/ mikromekhanicheskie-chuvstvitelnye-elementy-i-moduli/iim-modul (дата обращения: 10.03.2019).
19. АО Инерциальные технологии «Технокомплекса». Направление МЭМС. Микромеханическая бесплатформенная инерциальная навигационная система БИНС-ММ [Электронный ресурс]. URL: http://inertech.ru/ru/mems-development.html (дата обращения: 10.03.2019).
20. Лаборатория Микроприборов. Инерциальный модуль ГКВ-10. Техническое описание. GKV10_DS1710_Ru [Электронный ресурс]. URL: https://www.mp-lab.ru (дата обращения: 10.03.2019).
21. АЙСЕНС. MEMS Инерциальный прибор среднего класса точности. АИСТ-350 [Электронный ресурс]. URL: http://айсенс.рф/aist350 (дата обращения: 31.07.2018).
22. Texas Instruments. TMS320C6727B, TMS320C6726B, TMS320C6722B, TMS320C6720 Floating-Point Digital Signal Processors // Copyright © 2006-2008, Texas Instruments Incorporated.
23. Maxim Integrated. MAX32650-MAX32652. Ultra-Low-Power Arm Cortex-M4with FPU-Based Microcontroller (MCU) with 3MB Flash and 1MB SRAM // 19-100220; Rev 3; 12/18.
24. Analog Devices. TigerSHARC Embedded Processor ADSP-TS101S // Rev. C, May 2009.
25. Официальный ресурс ОАО «ИИЭТ» // 1867ВЦ6Ф_1867ВЦ6АФ [Электронный ресурс]. URL: http://www.niiet.ru/chips?id=162 (дата обращения: 20.12.2019).
26. АО «НИИЭТ». Интегральные Микросхемы // Каталог. Воронеж,
2014.
27. АО «ПКК «Миландр». Спецификация ТСКЯ.431281.002СП. Сигнальный процессор со статической суперскалярной структурой 1967ВН028, К1967ВН028, К1967ВН028К, 1967ВН02Н4, К1967ВН02Н4 // Версия 2.11.0 от 13.02.2019 г.
28. АО «ЭЛВИС». Микросхема интегральная 1892ВМ10Я. Руководство пользователя. РАЯЖ.431282.012Д17 от 31.01.2018.
29. Анкудинов И.Г. Микропроцессорные системы. Архитектура и проектирование: учеб. пособие. СПб.: СЗТУ, 2003. 109 с.
30. Бурукина И. П. Операционные системы реального времени: учебное пособие. Пенза: Пензенский государственный университет, 2014. 73 с.
Ашмарин Владимир Валерьевич, специалист отдела научно-технического развития, v. v. ashmarin@,mail. ru, Россия, Москва, АО ««Государственный научно-исследовательский институт приборостроения»,
Миронов Павел Никитич, доцент, pavmir@yandex. ru, Россия, Москва, Московский авиационный институт (Национальный исследовательский университет)
PROSPECTS OF DEVELOPMENT OF MICRO-SIZED SENSORS AND COMPUTING COMPONENTS OF OCS OF UA V
V.V. Ashmarin, P.N. Mironov
The development of protection complexes from air attacks using unmanned short and ultra-short range aerial vehicles (UAV) is one of the most relevant application areas of modern robotic UAV. In connection with the requirements strengthening for mass-dimensional characteristics in the construction of an on-board control system (OCS) for an UAV, the main task becomes preserving and improving the accuracy characteristics of an OCS. Solving integrated processing of information, interaction in-group, intellectual guidance problems it is necessary to use high-speed digital microprocessor for signal processing like a part of an OCS.
Key words: primary information sensor, on-board control system, microprocessor, microelectromechanical system.
Ashmarin Vladimir Valerievich, specialist of the department of scientific and technical development, v. v. ashmarin@,mail. ru, Russia, Moscow, JSC «State Research Institute of Instrument Engineering»,
Mironov Pavel Nikitich, docent, _pavmir@yandex.ru, Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute (National Research University)
