CC BY
12Научная статья УДК 681.586.72:629.735.35 doi:10.24151/1561-5405-2023-28-4-489-499 EDN: BQUFVF
Применение инерциальных МЭМС в системе автоматической отцепки десантируемого груза
А. А. Галкин1'2, П. В. Еркин1'2, В. П. Захаров1'2, Н. А. Соломкина1'2, А. С. Тимошенков2, С. П. Тимошенков1
1 Национальный исследовательский университет «МИЭТ»,
г. Москва, Россия
2
ООО «Лаборатория Микроприборов», г. Москва, Россия at@mp-lab.ru
Аннотация. Десантирование грузов, как правило, происходит в условиях порывистого ветра. Во избежание опрокидывания или сноса груза от места посадки необходимо осуществлять его автоматическую отцепку. В работе рассмотрен процесс разработки конструкции устройства автоматической отцепки десантируемого груза, а также описаны принцип и алгоритм его работы. Алгоритм основан на мониторинге ориентации устройства в процессе десантирования. При достижении определенного угла наклона устройства происходит автоматическая отцепка десантируемого груза за счет размыкания кольцевого замкового устройства. Для определения углов наклона предложено применять инклинометр на базе трехосного акселерометра. Однако при существенных боковых ускорениях угол наклона, вычисляемый таким образом, значительно отличается от истинного. Для решения этой проблемы использован комплементарный фильтр, основанный на объединении данных акселерометра и датчика угловой скорости. Разработанное устройство предназначено для грузов массой до 200 кг и имеет массу около 1 кг, для обратной связи используются инерциальные МЭМС-датчики. Проведены комплексное тестирование, включающее в себя оценку точности определения угла наклона, оценку работы алгоритма устройства, а также летные испытания - десантирование изделия с грузом. Испытания подтвердили полную работоспособность устройства.
Ключевые слова: МЭМС, датчик угловой скорости, акселерометр, комплементарный фильтр, десантирование груза
Для цитирования: Применение инерциальных МЭМС в системе автоматической отцепки десантируемого груза / А. А. Галкин, П. В. Еркин, В. П. Захаров и др. // Изв. вузов. Электроника. 2023. Т. 28. № 4. С. 489-499. https://doi.org/10.24151/ 1561-5405-2023-28-4-489-499. - EDN: BQUFVF.
© А. А. Галкин, П. В. Еркин, В. П. Захаров, Н. А. Соломкина, А. С. Тимошенков, С. П. Тимошенков, 2023
Original article
Automatic payload system separation device based on inertial MEMS
A. A. Galkin12, P. V. Erkin1'2, V. P. Zaharov12, N. A. Solomkina12, A. S. Timoshenkov2, S. P. Timoshenkov1
1National Research University of Electronic Technology, Moscow, Russia
2 a >>
"Laboratory of Microdevices " LLC, Moscow, Russia at@mp-lab.ru
Abstract. Airdrop missions occur most commonly under conditions of gusty wind. To avoid payload canting over or drifting away from landing site the automatic parachute release is necessary. In this work, the development is considered and operation principle and algorithm are described of the device for automatic payload system separation at load landing. The algorithm is based on the device inclination tracking during the airdrop. When a certain device inclination angle is reached, the payload is automatically separated using the 3-ring release system. It has been proposed to use a triaxial accelerometer based inclinometer for inclination angles determination. However, at the significant lateral accelerations the inclination angle calculated that way differs markedly from true angle. The complementary filter based on the accelerometer and angular rate sensor data combination was used to solve this problem. The developed device is designed for loads weighing up to 200 kg, has a mass of about 1 kg and uses inertial MEMS-sensors based feedback system. Complex testing was carried out including the evaluation of inclination angle accuracy determination and the device algorithm operation, as well as flight testing of device airdrop with payload. Tests have confirmed the full device performance.
Keywords. MEMS, angular rate sensor, accelerometer, complementary filter, payload airdrop
For citation. Galkin А. А., Erkin P. V., Zaharov V. P., Solomkina N. A., Timoshenkov A. S., Timoshenkov S. P. Automatic payload system separation device based on inertial MEMS. Proc. Univ. Electronics, 2023, vol. 28, no. 4, pp. 489-499. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2023-28-4-489-499. - EDN. BQUFVF.
Введение. Большая часть областей применения инерциальных МЭМС-датчиков связана с определением ориентации объекта в пространстве [1-3]. Показания микромеханических акселерометров и датчиков угловой скорости используются в системах навигации, гиростабилизации и инклинометрии для определения угловых и линейных перемещений [4].
Одним из типов устройств, где могут быть использованы данные об углах наклона, являются системы автоматической отцепки десантируемого груза. Как правило, десантирование происходит в условиях порывистого ветра, и для того чтобы избежать опрокидывания или сноса груза от места приземления, необходимо осуществлять автоотцепку.
Разработка конструкции автоотцепки. Устройства автоотцепки представляют собой механические, электромеханические или пиромеханические системы, обеспечивающие размыкание разъемного соединения парашюта и груза при посадке. Механические устройства такого назначения работают на двух основных принципах. Первый основан на уменьшении нагрузки на соединение груза и парашюта в момент посадки [5]. Во втором случае применяется механический индикатор наклона парашюта [6]. В устройствах автоотцепки с электронным управлением используются датчик наклона в качестве индикатора посадки и электропривод в качестве исполнительного звена. Схема такого устройства показана на рис. 1.
Прототипом разрабатываемого устройства автоотцепки стало изделие А0-200 (ООО «ПараАвис», г. Александров) (рис. 2). Масса устройства 4 кг, габариты 300 х 80 х 45 мм. Блок крепится к парашюту и грузу с помощью двух разъемных скоб. Время срабатывания устройства при приземлении 7 с.
Задача заключается в разработке устройства со сниженными массогабаритными показателями и увеличенным быстродействием. Поскольку вся нагрузка в процессе снижения приходится на корпус изделия, его конструкция выполнена из стали. Корпус устройства закреплен на нейлоновой ленте, в качестве механизма размыкания использовано кольцевое замковое устройство (КЗУ) (рис. 3). В этом случае нагрузка при снижении приходится на соединительную ленту и КЗУ и при натяжении ленты индикаторный шток выходит из гнезда и сигнализирует о раскрытии парашюта. При посадке и распознавании угла наклона более 45° устройство управления посылает на привод команду по вытягиванию тросика КЗУ.
Разработаны два варианта конструкции устройства автоотцепки (рис. 4): с блоком, в котором тросик приводится в движение линейным приводом, и с блоком, роль привода в котором выполняет микросоленоид с пружиной. Масса блока с линейным приводом 1,2 кг, габариты 235 х 80 х 45 мм, масса блока с соленоидом 152 г, габариты 105 х 60 х 23 мм. В обоих приводах используется идентичная ячейка управления с микроконтроллером и датчиком наклона. В качестве датчика наклона применяется инерциаль-ный сенсор, включающий в себя трехосевой микромеханический акселерометр и трех-осевой датчик угловой скорости [7].
При тестировании устройств установлено, что блок с микросоленоидом не обеспечивает достаточной надежности срабатывания. Конструкция с линейным приводом работает надежно, однако с целью снижения массогабаритных показателей решено использовать в качестве двигателя полнооборотный сервопривод, что позволяет снизить массу конструкции до 0,75 кг (рис. 5).
Индикатор раскрытия ^ парашюта 1 -и Источник питания -и ии
Устройство управления ^req * Датчик наклона — а
\ \ Электропривод dx — Механизм отцепки
Рис. 1. Связи между блоками в общей схеме устройства автоотцепки с электронным управлением (U - напряжение питания; а - угол наклона; I - сигнал раскрытия парашюта; Xreq - управляющее воздействие на привод;
dx - механическое перемещение) Fig. 1. General scheme of an electronically controlled automatic uncoupler with connections between blocks (U - the supply voltage; а - the angle of inclination; I - the parachute opening signal; Xreq - the control action on the drive; dx - the mechanical movement)
4 К парашюту
я б
Рис. 2. Общий вид (а) и конструктивная схема (б) устройства автоотцепки А0-200: 1 - корпус; 2 - захват; 3 - шток сигнала раскрытия парашюта; 4 - верхняя разъемная скоба; 5 - нижняя разъемная скоба; 6 - индикационный светодиод;
7 - контровочное отверстие Fig. 2. General view (a) and structural drawing (b) of the AU-200 automatic uncoupler: 1 - body; 2 - grip; 3 - parachute opening signal rod; 4 - upper detachable bracket; 5 - bottom detachable bracket;
6 - indicator LED; 7 - locking hole
1 Купол Шпилька T парашюта
J Груз
Рис. 3. Эскиз разработанной конструкции устройства автоотцепки Fig. 3. Sketch of the developed design of the automatic uncoupler
Рис. 4. Конструкции устройств автоотцепки с линейным приводом (а) и микросоленоидом (б) Fig. 4. Automatic uncouplers designs with linear drive (a) and microsolenoid (b)
Рис. 5. Общий вид (а) и схема (б) разработанного устройства автоотцепки Fig. 5. General view (a) and scheme (b) of the final version of the automatic uncoupling
Алгоритм работы устройства автоотцепки. Общий алгоритм работы устройства автоотцепки следующий (рис. 6):
Шаг 1. При подаче питания система переходит в режим микропотребления (потребление 20 мкА).
Шаг 2. При установке штока индикатора раскрытия парашюта (перевод в режим готовности к сбросу) система проводит инициализацию и проверку всех компонентов. В это же время оператор может отрегулировать положение троса, управляющего разъемным соединением парашюта и груза.
Шаг 3. По завершении проверки и настройки устройство переходит в режим готовности (потребление 200 мкА). Сигналом к переходу в рабочий режим служит выход штока индикатора раскрытия парашюта из своего положения.
Рис. 6. Этапы (1-4) работы системы автоотцепки Fig. 6. Stages (1-4) of operation of the automatic uncoupler
Шаг 4. В рабочем режиме устройство отслеживает свою ориентацию и при наклоне парашюта более 45° в течение 2 с происходит смотка троса, управляющего разъемным соединением. По завершении отцепки система вновь переходит в режим микропотребления.
Для определения углов наклона устройства проще всего использовать инклинометр на базе трехосного акселерометра. Углы наклона в таком случае определяются по формулам
( Л
A
р = arctan
а = arctan
л/1
>+ A у
г
A
\
Д
2 + A у
где Aх, Ay, Az - показания акселерометров по каждой из осей [2].
Однако при существенных боковых ускорениях вычисляемый угол наклона будет значительно отличаться от истинного. Для решения этой проблемы используется комплементарный фильтр, в котором на каждой итерации угол наклона по каждой оси вычисляется с использованием данных как акселерометра, так и датчика угловой скорости. Формула комплементарного фильтра имеет вид
А = Каасс +(1 - к)(А- + ш- йг),
где At, At-1 - значения углов при измерении на шаге t и t - 1; K - коэффициент комплементарного фильтра [8]; а^ - значение угла на шаге t, вычисленное по формуле для трехосного акселерометра; ш - показания датчика угловой скорости на шаге ^ dt - шаг времени.
Таким образом, при оптимальном значении коэффициента K устраняются ошибки, вызванные влиянием боковых ускорений, а также дрейфом нуля датчика угловой скорости.
Тестирование образца. Для проверки точности угла наклона проведен эксперимент. На двухосном поворотном стенде (рис. 7) закрепили блок автоотцепки и инерци-альный модуль ГКВ-10 [9]. Далее осуществляли наклон закрепленных датчиков в диапазоне ±90° по осям X и Y. Показания обоих приборов при этом записывали с помощью ПК.
Рис. 7. Схема тестового стенда для проверки точности измерения угла наклона Fig. 7. Scheme of a test stand for checking the accuracy of measuring the inclination angle
Анализ полученных данных показал, что максимальное расхождение в показаниях ГКВ-10 [7] и автоотцепки при наклоне поворотного стола в диапазоне ±90° составляет 4,6° (рис. 8, а). Повторное тестирование с вращением оси поворотного стола со скоростью 360 градус/с показало максимальное расхождение до 6,9° (рис. 8, б) в точках экстремума ±90. В рамках решаемой прибором задачи такая погрешность является удовлетворительной.
Рис. 8. Графики показаний инерциального модуля ГКВ-10 и автоотцепки в процессе эксперимента с наклоном вертикальной оси поворотного стола в диапазоне ±90° (а) и при вращении поворотного стола со скоростью 360 °/с (б): 1 - угол наклона по оси X автоотцепки; 2 - угол наклона по оси Y
автоотцепки; 3 - угол наклона по оси X ГКВ-10; 4 - угол наклона по оси Y ГКВ-10 Fig. 8. Plots of readings of GKV-11 and automatic uncoupling during the experiment with the tilt of the vertical axis of the turntable in the range of ±90° (a) and when the turntable rotates at a speed of 360 °/s (b): 1 - the automatic uncoupling X-direction inclination angle; 2 - the automatic uncoupling Y-direction inclination angle; 3 - the GKV-11 X-direction inclination angle; 4 - the GKV-11 Y-direction inclination angle
В целях комплексной проверки работоспособности устройства проведены летные испытания на подмосковном аэродроме Ватулино. В процессе тестирования система отработала штатно.
Заключение. Разработанное устройства автоотцепки десантируемого груза имеет улучшенные характеристики по массе, габаритам и быстродействию. Использование КЗУ вместо рычажного механизма отцепки позволило уменьшить габариты в 1,5 раза (235 х 80 х 45 мм против 300 х 80 х 45 мм) и снизить массу изделия примерно в 5 раз (0,75 кг против 4 кг). Использование в качестве датчика наклона комбинированного инерциального МЭМС-сенсора, включающего в себя датчик угловой скорости и акселерометры, позволило повысить быстродействие при посадке в 3,5 раза (2 с против 7 с). Тестирование работы устройства в лабораторных условия подтвердило, что ошибка измерения угла наклона по сравнению с эталоном составляет менее 7°. Это является удовлетворительной погрешностью в данной задаче.
Проведенные летные испытания показали, что система успешно выполняет заданную функцию. В целях дальнейшей оптимизации конструкции и снижения массогаба-ритных параметров в настоящее время проходит доработка корпуса устройства.
Материалы статьи доложены на Российском форуме «Микроэлектроника 2022» (2-8 октября 2022 г., г. Сочи).
Литература
1. Голощапов А. Применение МЭМС-технологии в навигации // Компоненты и технологии. 2014. № 4. C. 65-69. EDN: QHOVSB.
2. Mobile satellite antenna control system based on MEMS-IMU / A. A. Galkin, V. V. Puzikov, A. V. Mikheev et al. // 2021 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (ElConRus). St. Petersburg; Moscow: IEEE, 2021. P. 2655-2659. https://doi.org/10.1109/ ElConRus51938.2021.9396118
3. Применение МЭМС-инерциальных датчиков в автомобилях // Laser Components [Электронный ресурс]. 17.03.2017. URL: https://lasercomponents.ru/industry-news/primenenie-mems-inerczialnyh-datchikov-v-avtomobilyah/ (дата обращения: 29.05.2023).
4. Тимошенков С. П., Кульчицкий А. П. Применение МЭМС-сенсоров в системах навигации и ориентации подвижных объектов // Изв. вузов. Электроника. 2012. № 6 (98). С. 51-56. EDN: PJHDEV.
5. А. с. 163905 СССР. Автоотцепка / П. И. Модин; заявл. 19.03.1963; опубл. 22.07.1964, Бюл. № 13.
6. А. с. 142156 СССР. Автоотцепка-угломер / В. В. Качалков, В. Н. Венценосцев; заявл. 17.02.1961; опубл. 20.07.1961, Бюл. № 20.
7. Точное измерение наклона объекта с помощью специализированных MEMS-датчиков ST // Компэл [Электронный ресурс]. URL: https://www.compel.ru/lib/141720 (дата обращения: 15.08.2022).
8. Зо Мьо Наин, Щагин А. В., Ле Винь Тханг, Хтин Линн У. Комплементарный фильтр для оценки угла с использованием микромеханической системы гироскопа и акселерометра // Инженерный вестник Дона. 2020. № 3 (63). URL: http://ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2020/6380 (дата обращения: 29.05.2023).
9. ГКВ-10 // Лаборатория Микроприборов [Электронный ресурс]. 2022. URL: https://mp-lab.ru/ products/ins-about/gkv-10/# (дата обращения: 30.03.2023).
Статья поступила в редакцию 07.03.2023 г.; одобрена после рецензирования 11.04.2023 г.;
принята к публикации 31.05.2023 г.
Информация об авторах
Галкин Александр Александрович - аспирант Института нано- и микросистемной техники Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), инженер ООО «Лаборатория Микроприборов» (Россия, 124527, г. Москва, г. Зеленоград, Солнечная аллея, 6), alexgalkin.j r@gmail.com
Еркин Павел Владимирович - магистрант Института нано- и микросистемной техники Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), инженер ООО «Лаборатория Микроприборов» (Россия, 124527, г. Москва, г. Зеленоград, Солнечная аллея, 6), pashaerkin@yandex.ru
Захаров Валерий Петрович - студент Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), инженер ООО «Лаборатория Микроприборов» (Россия, 124527, г. Москва, г. Зеленоград, Солнечная аллея, 6), valerazaha1@yandex.ru.
Соломкина Надежда Алексеевна - аспирант Института нано- и микросистемной техники Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), инженер-конструктор ООО «Лаборатория Микроприборов» (Россия, 124527, г. Москва, г. Зеленоград, Солнечная аллея, 6), nadezhda.its@gmail.com
Тимошенков Алексей Сергеевич - доктор технических наук, генеральный директор ООО «Лаборатория Микроприборов» (Россия, 124527, г. Москва, г. Зеленоград, Солнечная аллея, 6), at@mp-lab.ru
Тимошенков Сергей Петрович - доктор технических наук, профессор, директор Института нано- и микросистемной техники Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), spt111@mail.ru
References
1. Goloshchapov A. Application of MEMS technology in navigation. Komponenty i tekhnologii, 2014, no. 4, pp. 65-69. (In Russian). EDN: QHOVSB.
2. Galkin A. A., Puzikov V. V., Mikheev A. V., Tulush A. V., Timoshenkov A. S. Mobile satellite antenna control system based on MEMS-IMU. 2021 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (ElConRus). St. Petersburg, Moscow, IEEE, 2021, pp. 2655-2659. https://doi.org/ 10.1109/ElConRus51938.2021.9396118
3. Application of MEMS inertial sensors in motor vehicles. Laser Components. 17.03.2017. Available at: https://lasercomponents.ru/industry-news/primenenie-mems-inerczialnyh-datchikov-v-avtomobilyah/ (accessed: 29.05.2023).
4. Timoshenkov S. P., Kulchitsky A. P. Application of MEMS sensors in navigation and orientation systems for moving objects. Izv. vuzov. Elektronika = Proc. Univ. Electronics, 2012, no. 6 (98), pp. 51-56. (In Russian). EDN: PJHDEV.
5. Modin P. I. Auto uncoupling. Copyright certificate 163905 USSR, publ. 22.07.1964, Bul. no. 13. (In Russian).
6. Kachalkov V. V., Ventsenostsev V. N. Automatic uncoupling protractor. Copyright certificate 142156 USSR, publ. 20.07.1961, Bul. no. 20. (In Russian).
7. Accurate object tilt measurement with dedicated MEMS ST sensors. Compel. (In Russian). Available at: https://www.compel.ru/lib/141720 (accessed: 15.08.2022).
8. Zaw Myo Naing, Shchagin A. V., Le Vinh Thang, Htin Linn Oo. Complementary filter for estimating the angle using the microelectromechanical system of the gyroscope and accelerometer. Inzhenernyy vestnik Dona = Engineering Journal of Don, 2020, iss. 3. (In Russian). Available at: http://ivdon.ru/en/magazine/ archive/n3y2020/6380 (accessed: 29.05.2023).
9. GKV-10. Laboratoriya Mikropriborov. 2022. (In Russian). Available at: https://mp-lab.ru/products/ ins-about/gkv-10/# (accessed: 30.03.2023).
The article was submitted 07.03.2023; approved after reviewing 11.04.2023;
accepted for publication 31.05.2023.
Information about the authors
Alexander A. Galkin - PhD student of the Institute of Nano- and Microsystem Technology, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), Engineer, "Laboratory of Microdevices" LLC (Russia, 124527, Moscow, Zelenograd, Solnechnaya alley, 6), alexgalkin.jr@gmail.com
Pavel V. Erkin - Master's degree student of the Institute of Nano- and Microsystem Technology, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), Engineer, "Laboratory of Microdevices" LLC (Russia, 124527, Moscow, Zelenograd, Solnechnaya alley, 6), pashaerkin@yandex.ru
Valerii P. Zaharov - Student of the National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), Engineer, "Laboratory of Microdevices" LLC (Russia, 124527, Moscow, Zelenograd, Solnechnaya alley, 6), valerazaha1@yandex.ru
Nadezhda A. Solomkina - PhD student of the Institute of Nano- and Microsystem Technology, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), Design Engineer, "Laboratory of Microdevices" LLC (Russia, 124527, Moscow, Zelenograd, Solnechnaya alley, 6), nadezhda. its@gmail .com
Alexey S. Timoshenkov - Dr. Sci. (Eng.), General Director, "Laboratory of Microdevices" LLC (Russia, 124527, Moscow, Zelenograd, Solnechnaya alley, 6), at@mp-lab.ru
Sergey P. Timoshenkov - Dr. Sci. (Eng.), Prof., Director of the Institute of Nano- and Microsystem Technology, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), spt111@mail.ru
/-\
Вниманию читателей журнала «Известия высших учебных заведений. Электроника»
Подписку на печатную версию журнала можно оформить:
• по каталогу «Периодические издания. Газеты и журналы» ООО «Урал-Пресс Округ». Подписной индекс 47570
• по объединенному каталогу «Пресса России» ООО «Агентство «Книга-Сервис». Подписной индекс 38934
• через Агентство «ПРЕССИНФОРМ»: http://presskiosk.ru/categories
• через редакцию - с любого номера и до конца года
V___/
