CC BY
13Иванов Алексей Александрович
студент магистратуры направления «Приборостроение» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Ivanov A. C. student of magistracy of the Direction Instrument Engineering Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
Алешкин Валерий Викторович
доктор технических наук, профессор каф. «Приборостроение» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Aleshkin V.V.
Dr. Sc., Professor Department of Instrument Engineering Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
Шорин Виталий Сергеевич
ассистент каф. «Приборостроение» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Shorin V.C.
assistant Department of Instrument Engineering Yuri Gagarin State Technical University of Saratov АА. Ivanov, V. V. Aleshkin, V. S. Shorin
MICROMECHANICAL INERTIAL MEASUREMENT UNIT APPLICATION IN CONTROL SYSTEM OF THE MANIPULATOR
ПРИМЕНЕНИЕ МИКРОМЕХАНИЧЕСКОГО ИНЕРЦИАЛЬНОГО ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО МОДУЛЯ В СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ
МАНИПУЛЯТОРОМ
Аннотация: В данной работе описана система управления подвижным объектом - манипулятором с помощью микромеханического инерциального измерительного модуля ADIS 16405 через интерфейс SPI при помощи аппаратной вычислительной платформы Arduino [1]. В ходе выполнения работы были разработаны программная и техническая часть, создан макет и проведены испытания. В основе алгоритмов управления лежат корректируемые уравнения Эйлера [2].
Ключевые слова: манипулятор, система управления, инерциальный измерительный модуль, макет, экспериментальные испытания
Summary: This paper describes the control system of a movable object manipulator using MEMS inertial measurement module ADIS 16405 via SPI interface with the hardware computing platform Arduino [1]. During the execution of work was developed software and the technical part, the layout and tested. At the core of the control algorithms are adjusted Euler equation [2].
Key words: manipulator, control system, inertial measurement module, layout, experimental testing
Постановка проблемы
Определение ориентации по информации инерциальных измерительных модулей является важной задачей для целей навигации и управления подвижными объектами. Для определения углов ориентации на борту объекта решаются кинематические уравнения. Известная особенность кинематических уравнений - неасимптотическая устойчивость - приводит к незатухающим колебаниям решений, что усложняет и снижает точность решения задач навигации и управления.
Анализ последних исследований и публикаций
Одним из способов повышения точности является коррекция решений по информации о скорости и координатах объекта. Однако, такой подход не изменяет характера решений задачи ориентации. Поэтому в работе применена коррекция кинематических уравнений по сигналам акселерометров и магнитометров, входящих в состав инер-циальных измерительных модулей, позволяющая добиться их асимптотической устойчивости.
Выделение нерешенных частей общей проблемы
Указанный подход использовался для построения алгоритмов работы бесплатформенных инер-циальных навигационных систем. В настоящей работе он применяется для построения и реализации системы управления манипулятором на основе микромеханического инерциального измерительного модуля, аппаратной вычислительной платформы и пакета Simulink.
Цель статьи Целью работы является создание и исследование системы управления манипулятором на основе микромеханического инерциального измерительного модуля, аппаратной вычислительной платформы и пакета Simulink.
Изложение основного материала В качестве управляемого объекта был выбран манипулятор, состоящий из трех звеньев и имеющий три степени свободы. В его основе лежат аппаратная вычислительная платформа Arduino UNO и три сервопривода. Кинематическая схема представлена на рис.1. Каждое звено управляется отдельным сервоприводом. Сервопривод qi отвечает за поворот манипулятора по курсу, q2, - за поворот среднего звена по тангажу, q3 - за поворот схвата
по тангажу. Сервопривод q3 управляется сигналом гироскопа, измеряющего угловую скорость вокруг оси X2.
Для создания системы управления подвижным объектом был использован микромеханический инерциальный измерительный модуль (ИИМ) ADIS 16405 со стандартной платой съема данных и стандартным программным обеспечением, которое позволяет выполнять запись данных в текстовый файл, последующее преобразование их в таблицу excel и вывод графиков сигналов ИИМ в реальном времени.
ИИМ ADIS 16405 фирмы Analog Device содержит датчик температуры и трехосевые гироскоп, акселерометр и магнитометр.
Так как стандартная программа занимает много времени на преобразование данных в нужную форму и не позволяет построить систему управления подвижным объектом в реальном времени, была разработана собственная плата съема информации, а полученные данные обрабатывались в программе MatLab. Для удобства проведения экспериментов, было решено передавать данные на компьютер по беспроводному интерфейсу bluetooth.
Рис. 1. - Кинематическая схема манипулятора
ИИМ ADIS 16405 использует для передачи данных интерфейс SPI. Это синхронный последовательный четырехпроводный интерфейс, который состоит из:
1. MOSI — выход ведущего, вход ведомого (Master Out Slave In). Служит для передачи данных от ведущего устройства ведомому.
2. MISO — вход ведущего, выход ведомого (Master In Slave Out). Служит для передачи данных от ведомого устройства ведущему.
3. SCLK — последовательный тактовый сигнал (Serial Clock). Служит для передачи тактового сигнала для ведомых устройств.
4. CS или SS — выбор микросхемы, выбор ведомого (Chip Select, Slave Select).
Работает он следующим образом. ИИМ подключается к микроконтроллеру через интерфейс SPI. Сначала задается частота синхронизации, в
нашем случае она должна находиться в диапазоне 1-2МГц. Далее, микроконтроллер должен выбрать ИИМ в качестве ведомого устройства, для чего на пин SS нужно подать логический 0. После этого интерфейс SPI работает по принципу «запрос» -«ответ» из соответствующего регистра ИИМ.
Существует четыре режима работы SPI. Узнать, в каком режиме работает подключаемое устройство можно в спецификации на устройство.
Для создания печатной платы приема данных с ИИМ и последующей их передачей на компьютер была выбрана аппаратная вычислительная платформа Arduino [3], имеющая важные для данной задачи преимущества:
1. Arduino имеет встроенный программатор;
2. Arduino общается с компьютером через интерфейс USB;
3. Язык программирования - СИ;
4. Наличие в компиляторе готовых библиотек для подключения устройств через интерфейс SPI;
5. Имеется встроенный стабилизатор напряжения 5В;
6. Существует огромное количество подключаемых различных модулей, в том числе и модулей bluetooth;
7. Открытый доступ к схемотехнике печатной платы;
8. Невысокая стоимость.
В данной работе для подключения ИИМ была выбрана аппаратная вычислительная платформа Arduino Duemilanove.
Для реализации беспроводной передачи данных между установкой и компьютером, была создана пара «приемник-передатчик» на двух моду-
лях Bluetooth HC-05. Приемник реализован на основе USB-UART преобразователе FT232RL. Такое решение позволяет использовать соединение Bluetooth в пакете Simulink и устраняет проблему подключения к виртуальному COM-порту через стандартное соединение Bluetooth в MatLab. Также, данные устройства позволяют подключить установку ИИМ к манипулятору напрямую, без использования компьютера.
Схема поворотов ИИМ в пространстве приведена на рис. 2. Обозначения: N,E,H - опорная система координат; Xi,X2,X3 - система координат, связанная с объектом; T - оси чувствительности магнитометров; W - оси чувствительности акселерометров; œ - оси чувствительности гироскопов; уДу - углы Эйлера-Крылова.
Рис. 2. - Углы поворотов ИИМ
Переносные угловые скорости трехгранника опорной системы координат N,E,H в проекциях на его оси определяются по формулам:
- Vx3 - ух1
(Ох\ (0x2 = 0; (0x3 =—-. (1)
R R
Здесь Vxi, Vx3- компоненты абсолютной скорости точки O подвижного объекта по осям OX1 и OX3 соответственно. Определим абсолютные угловые скорости ИИМ в проекциях на оси трехгранника X:
V = ■ ((°х2 -°х2) ■ eos у - (°хэ - 0 хз) ■ sin у);
( = (xi +у + у ■ sin в;
(х2 = Ох2 + V ■ cose ■ cosy + в ■ sin у; (2)
ох3 =0хз -у■ cose-sinу + в■ cosy; Разрешив (2) относительно производных у,в,у, получим следующие кинематические уравнения в углах Эйлера-Крылова:
cosö
в = (cx2 Cx2)• sin y-(cx3 Cx3)• cosy); y = (cx1 - Cxi) - ((cx1 - Cxi) • cosy) - (cx2 Cx2 ) • tanö.
(3)
Wschodnioeuropejskie Czasopismo Naukowe (East European Scientific Journal) #14, 2016 313kl Известно, что решения системы уравнений (3) Уравнения определения углов поворотов по
устойчивы неасимптотически. Поэтому для преоб- сигналам магнитометров и акселерометров пред-разования сигналов гироскопов, акселерометров и ставлены в виде: магнитометра в углы поворота были использованы корректируемые уравнения Эйлера.
щм = arctan(Tx2 ■ sin / + Тх3 ■ cos/)/(Тх2 ■ cosO- (Тх2 ■ cos/ -Тх3 ■ sin /) • sin в);
ва = arctan(Wx7 W + W^); (4)
- W / - W
/a = arctan(sin(arctan( ^x3)) / cos(arctan ^x3)),
где: щм - угол курса по сигналам магнито- В соответствии с методикой, изложенной в Л л [2], введем в кинематические уравнения (3) кор-метра Т; да и /а - углы тангажа и крена по сигна- рекцию по сигналам акселерометров и магнитолам акселерометра W. метров.
щ = ■ ((Мх2-Сх2)■ cos/-(ЮХ3-Юхз)■ sin/)-кщä);
cos в
в = (сх2 - С х2) ■ sin / - (®х3 - Схз ) ■ cos/ - кв (eä - ва ); (5)
"У = (ах1 - СО* ) - ((ах1 - COxl ) ■ cos /) - (ах2 -ах2) ■tan в - к/ (/г - j>a ).
кщ,кв,к7 - коэффициенты коррекции,
име-
вт-у
ющие размерность с-1. Численные значения коэффициентов задавались с учетом условий асимптотической устойчивости решений уравнений (5).
Чтобы использовать эти уравнения для управления манипулятором, необходимо преобразовать
углы поворота в градусы и установить возможный допустимый интервал в пределах от 0 до 180 из-за особенностей кинематики сервоприводов.
Модель программы преобразования сигналов ИИМ с применением коррекции и без нее в пакете Simulink представлена на рис. 3.
Рис. 3. - Программа обработки сигналов ИИМ
Программа принимает данные с ИИМ ADIS16405 через последовательный интерфейс. Демультиплексор разбивает их на 9 значений по 3 значения для каждой из осей чувствительности акселерометра, гироскопа и магнитометра. Далее производится задание размерностей умножением на масштабные коэффициенты, которые указаны в спецификации ИИМ. После этого, данные поступают в два блока МайаЬ-функций, где записаны кинематические уравнения Эйлера с коррекцией и без нее.
Для оценки дрейфа вычисленного трехгранника ИИМ был установлен на неподвижном основании в плоскости горизонта. Данные записывались в течение 1 часа с частотой 22 Гц. На рис. 4. представлены графики изменения абсолютных погрешностей определения углов поворотов связанного с ИИМ трехгранника, вычисленных с помощью уравнений (3) (Дуо,Д9о,Дуо) и (5) (Ду,Д0,Ду). Видим, что графики погрешностей (Ду0,Д90,Ду0) имеют периодический характер с периодом 52,5 минуты для углов курса и тангажа. Амплитуда
находится в пределах 0,75 Рад. На графиках погрешностей (Ду,Д9,Ду) вначале эксперимента наблюдаются переходные процессы, которые объясняются коррекцией по сигналам магнитометров. Далее, в течение часа, углы поворота с коррекцией были неизменны, что позволяет сделать вывод об асимптотической устойчивости решений системы уравнений (5). Что касается обработки сигналов
ИИМ без коррекции, то наблюдается рост ошибок с течением времени.
Использованные уравнения позволяют частично компенсировать погрешности микромеханического ИИМ путем коррекции углов поворота по информации акселерометров и магнитометров, а также позволяют произвести начальную выставку углов ориентации.
Аф
flcn ппп пел ,оп/1 -пеп 1-J пп л 1 г/ч irr
t.c
450 900 1350 1800 2250 2700 3150 3600
Рис. 4. - Погрешности ориентации с коррекцией и без нее
Для подключения манипулятора необходимо добавить блок передачи данных на последовательный порт и блок, отвечающий за преобразование углов поворотов ИИМ в углы поворотов серво-
приводов. Программа управления сервоприводами манипулятора изображена на рис. 5. Блок преобразования углов поворотов ИИМ в углы поворотов сервоприводов представлен на рис. 6.
Рис. 5. - Программа управления манипулятором по сигналам ИИМ
Рис. 6. - Блок преобразования углов поворотов ИИМ в углы поворота сервоприводов
Полученные на выходе Matlab-функции углов поворотов подключены к другой Matlab-функции, в которой записана матрица направляющих косинусов. Выход матрицы соединен с блоком, преобразующим матрицу в вектор поворота. Блок виртуального мира позволяет визуализировать решения кинематических уравнений Эйлера при помощи 3D модели. Параллельно углы поворотов ИИМ подключены к блоку их преобразования в углы поворотов сервоприводов. На выходе получаются целочисленные значения от 0 до 180 градусов. Далее они преобразуются в формат шП8 и поступают на мультиплексор, который соединен с выходом последовательного порта.
На сайте [4] размещено видео работы манипулятора с системой управления на основе микромеханического ИИМ.
Выводы и предложения Разработана программа управления манипулятором по сигналам ИИМ ADIS16405 с применением корректируемых кинематических уравнений
Эйлера, созданная при помощи пакета Matlab-Simulink. Изготовлен и испытан макет манипулятора с системой управления. Натурный эксперимент подтвердил работоспособность системы и особенности применения корректируемых кинематических уравнений Эйлера: в стационарном положении ИИМ отсутствует дрейф углов ориентации благодаря коррекции по сигналам акселерометров и магнитометров; при угле тангажа, равном 90 градусов система кинематических уравнений вырождается. Дальнейшая работа направлена на применение дискретных кватернионных алгоритмов ориентации, изучение влияния порядка алгоритмов, погрешностей датчиков и величины периода квантования на точность управления ориентацией схвата манипулятора.
Список литературы
1. Лабораторная установка на основе инер-циального измерительного модуля ADIS16405 /Иванов А.А., Алешкин В.В.// Проблемы управления, обработки и передачи информации (УОПИ-
2015): сб. тр. IV Междунар. науч. конф.: в 2 т. Т. 2. Секция 7/ под ред. А.А. Львова и М.С. Светлова. Саратов: Издательский дом «Райт-Экспо», 2015. -С. 126-130.
2. Плотников П.К. Элементы теории работы одной разновидности бесплатформенных инерци-альных систем ориентации / П.К. Плотников // Ги-роскопия и навигация. - 1999. - № 3. - С. 23 - 35.
3. Аппаратная платформа Arduino/ Ar-duino.ru
4. http://www.mathworks.com/academia/studen t-challenge/fall-2015/
1. Laboratory installation on the basis of the in-ertial measurement unit ADIS16405 /Ivanov A. A.,
Aleshkin V. V.// problems of management, processing and transmission of information (WOPI - 2015): sat. Tr. IV mezhdunar. scientific. Conf.: in 2 vols 2. Section 7/ under the editorship of A. A. Lvov, M. S. Svet-lov. Saratov: Publishing house "Wright-Expo 2015. -S. 126-130.
2. Plotnikov P. K. Elements of the theory of one species of strapdown inertial orientation systems / P. K. Plotnikov // Gyroscopy and navigation. - 1999. - No. 3. Pp. 23 - 35.
3. Hardware platform Arduino/ Arduino. ru
4. http://www.mathworks.com/academia/studen t-challenge/fall-2015/
УДК 536.24
Исаев Гидаят Исаоглы
доктор технических наук, профессор Азербайджанского Государственного Университета
Нефти и Промышленности Мамедов Фирудин Халил оглы кандидат технических наук, старший научный сотрудник Азербайджанского Государственного Университета
Нефти и Промышленности
Isaev Hidayat Isa oglu
doctor of technical sciences, professor of Azerbaijan State University of Oil and Industry
Mammedov Firudin Khalil oglu
candidate of technical sciences, senior research associate of Azerbaijan State University of Oil and Industry
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООТДАЧИ УГЛЕВОДОРОДОВ В УСЛОВИЯХ СВЕРХКРИТИЧЕСКИХ ДАВЛЕНИЙ
THE HEAT OF TRANSFER OF HYDROCARBONS UNDER SUPERCRITICAL
PRESSURES
Аннотация
Приведены некоторые результаты экспериментальных исследований теплоотдачи углеводородов при вынужденном движении в условиях сверхкритических давлений.
Ключевые слова: критическое давление, теплоотдача, теплообмен, теплоемкость, температура стенки, плотность теплового потока. Abstract
The results of experimental studies of heat transfer for hydrocarbon under supercritical pressures are given Keywords; pressure, temperature, heat transfer, hydrocarbon, wall temperature
Современный этап научно-технической революции характеризуется существенной интенсификацией работы машин и аппаратов, в том числе и теплообменных устройств в различных областях энергетики и энерготехнологий. В ряде случаев, процессы теплообмена являются основными технологическими процессами, обеспечивающими функционирование сложных систем и получение материалов с заранее заданными свойствами. Стремление к повышению термического КПД и попытки избавиться от ряда явлений связанных с фазовым переходом теплоносителей от жидкости к пару, а также повышение температурного уровня работы привели к развитию аппаратов сверхкритического давления. В последние десятилетия все
более широкое распространение получают установки, работающие при сверхкритических давлениях сред, используемых в качестве теплоносителей. Сюда относятся различные аппараты химической технологии, криогенные установки, энергетические и энерготехнологические котельные агрегаты сверхкритических параметров рабочей среды и т.д.
Как известно, в области параметров состояния, близких к критической точке, физические свойства тел (X, Ср, р, д) испытывают резкое и весьма своеобразное изменение, существенным образом, влияющее на ход процессов и гидравлическое сопротивление при движении теплоносителей в каналах.
