CC BY
1
13. Plekhanov V.E., Tikhonov V.A., Veremeenko К.К. Integrated Inertial and Satellite Navigation System Based on Micromechanical Module, Proceedings of the 5th Saint-Petersburg Int. Conf. on Integrated Navigation Systems, 1998. P. 95-101.
Алешин Борис Сергеевич, д-р техн. наук, академик РАН, [email protected], Россия, Москва, Московский Авиационный Институт (национальный исследовательский университет),
Черноморский Александр Исаевич, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Москва, Московский Авиационный Институт (национальный исследовательский университет),
Петрухин Владимир Андреевич, старший преподаватель, [email protected], Россия, Москва, Московский Авиационный Институт (национальный исследовательский университет),
Лельков Константин Сергеевич, ассистент, [email protected], Россия, Москва, Московский Авиационный Институт (национальный исследовательский университет)
NAVIGATION OF A GROUND WHEELED ROBOT IN THE INFRASTRUCTURE OF AN AERODROME B.S. Aleshin, A.I. Chernomorsky, V.A. Petrukhin, K.S. Lelkov
An integrated approach to the construction of a navigation and control complex that ensures the safety of the movement of the ground wheeled robot in the infrastructure of the aerodrome is proposed. This approach includes: a method for creating a safe trajectory of movement and determining the average speed of movement of the robot along it based on minimizing the time and energy costs for this movement; the structure of an integrated navigation system that provides high accuracy in determining the navigation parameters of the robot, in particular in the presence of slippage of its wheels and the short-term absence of information from GPS; the structure of the two-stage formation of effective trajectory management. The results of numerical and simulation modeling are presented.
Key words: ground wheeled robot, navigation and control complex, trajectory and speed of movement, trajectory control, navigation parameters.
Aleshin Boris Sergeevich, doctor of technical sciences, academician of the Russian Academy of Sciences, [email protected], Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute (National Research University),
Chernomorsky Aleksandr Isayevich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute (National Research University),
Petrukhin Vladimir Andreevich, senior lecturer, [email protected], Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute (National Research University),
Lelkov Konstantin Sergeevich, assistant, [email protected], Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute (National Research University)
УДК 531.383
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-9-302-303
ПРОГРАММНО-МАТЕМАТИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЛНОВОГО
ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ГИРОСКОПА
А.В. Каликанов, И. А. Бехлер
Приведено описание программно-математического комплекса, позволяющего на этапе проектирования волнового твердотельного гироскопа (ВТГ) работающий в режиме «свободной волны» в составе информационно-измерительной системы (ИИСО) гражданского беспилотного летательного аппарата исследовать разработанный блок электроники, обеспечивающий по сравнению с ранее известными решениями минимальное время выхода на режим, увеличенное время функционирования, а также позволяющий анализировать точность вычисления углового положения.
Ключевые слова: волновой твердотельный гироскоп, резонатор, режим работы, датчик угла, свободная волна, программно-математический комплекс.
Последние успехи отечественной науки в области инерциальных датчиков связаны с созданием ВТГ с объемным резонатором [1-8]. По оценке специалистов, на сегодняшний день они являются наиболее перспективными по совокупности характеристик - точности параметров, размеру конструкции, себестоимости производства для построения ИИСО БПЛА [1-4]. Как утверждают, многие авторы, ВТГ теоретически могут обеспечить более высокие по сравнению с микромеханическими датчиками, а также классическими механическими гироскопами, точностные характеристики и, в зависимости от способа возбуждения колебаний и управления ими, могут являться как датчиками угла, так и датчиками угловой скорости [2,6,7,]. Все это свидетельствует о необходимости создания программно-математического комплекса для исследования волнового твердотельного гироскопа, позволяющего на этапе проектирования ВТГ определить оптимальные параметры, зависящие не только от конструктивных особенностей, но и от разработанного блока электроники [6-8].
Описание основных функциональных блоков программно-математического комплекса. На рис. 1 приведена структурная схема разработанного программно-математического комплекса, состоящего из следующих функциональных блоков:
1) «Параметры БПЛА» в котором задается угловая ориентация;
2) «ВТГ работающий в режиме «свободной волны», в котором исследуется работа ВТГ без учета блока электроники (анализируются параметры, зависящие от конструктивных особенностей). Учитываются такие параметры ВТГ как: собственная частота Ю0 коэффициент демпфирования коэффициент Брайана К.
Параметры БПЛА out_ygol
Uxi
m_ygol
rn fo ют работающий в режиме .in kl
i k2
UX2
3
Огибающие
j,in_U:
i_Upf
Способ определения fa-Uvf упгово ориентации JUFZ
in_ygol
Способ возбуждения первичных колебаний ой> ¡п №1
_ out ki in Uxi
«Схемотехнический способ увеличения добротности» "out Ь in_Ux2'
□
Рис. 1. Структурная схема разработанного программно-математического комплекса
3) «Способ возбуждения первичных колебаний», в котором исследуется режим параметрического возбуждения. В данном блоке есть возможность задавать параметры блока электроники, такие как напряжения питания, задать параметры фильтров, порогов срабатывания и коэффициентов усиления.
4) «Схемотехнический способ увеличения добротности», в котором реализован способ компенсации диссипации энергии, позволяющий увеличить время работы в режиме датчика угла. В данном блоке есть возможность подобрать оптимальные параметры для блока электроники реализующего обратные связи, обеспечивающие максимально возможное время работы.
5) «Огибающие сигналов», в котором происходит обработка высокочастотного сигнала с контрольных
точек , X 2 . В данном блоке есть возможность подобрать параметры фильтров для получения огибающей выходного сигнала (демодуляции выходного сигнала).
6) «Способ определения угловой ориентации», в котором реализован разработанный способ определения угловой ориентации. Реализующий алгоритм программного способа определения начального направления вращения, текущего квадранта «свободной волны» и восстановления знаков демодулированных значений с последующим вычислением угла.
Методика работы с программно-математическим комплексом. Работа программно-математического комплекса должна осуществляется следующим образом:
1) В начале в блоках «Способ возбуждения первичных колебаний» и «ВТГ работающий в режиме «свободной волны» задаются параметры электроники, которые позволяют обеспечить минимальное время выхода на режим при заданных параметрах резонатора. А также параметры ВТГ зависящие от конструктивных особенностей определенные на этапе изготовления резонатора. Время моделирования должно быть задано не менее 5 с. Наблюдаемый параметр изменение сигнала Цх^.
2) На следующем этапе реализуется работа этих блоков, и подбираются оптимальные параметры в блоке «Схемотехнический способ увеличения добротности». С целью обеспечения максимального времени функционирования ВТГ в режиме «свободной волны». Время моделирование - не менее 60 с. Наблюдаемый параметр изменение сигнала по Ц^;
3) После того как определены подходящие параметры блоков 2-4. Реализуется работа блоков «Огибающие сигналов» и «Способ определения угловой ориентации». Подбираются параметры для построения огибающей выходного сигнала (демодуляция). Время моделирование - не менее 60 с. Наблюдаемый параметр изменение сигнала по Щ ,их2. демодулированный сигнал Ц/ Цу/. Реализуется работа блока «Параметры БПЛА» и оценивается
правильность вычисленное углового положения
Результатом моделирования являются параметры для блока электроники обеспечивающего минимальное время готовности ВТГ, максимальное время работ, вычисленное угловое положение во всем диапазоне измеряемых углов.
Сопоставление полученных результатов с экспериментом. Для подтверждения работоспособности программно-математического комплекс на основании полученных данных был разработан блок электроники ВТГ. И проведена экспериментальная работа для сопоставления результатов эксперимента с результатами моделирования. На рис. 2 показан график результатом моделирования и результатов эксперимента демонстрирующих процесс выхода на режим по Цх1 (достижение заданной амплитуды входного напряжения в 0,2 В). А на рис. 3 показан график
результатом моделирования и результатов эксперимента сигнала Цх1 определяющего время работы ВТГ в режиме
«свободной волны».
2.5 3 3.5 Время, с
Рис.2. Выходной сигнал Цх^ определяющий время выхода на режим ВТГ: а - данные имитационного моделирования; б - экспериментальные данные
Результаты моделирования (рис. 2) показывают, что время выхода на режим осуществляется за / да 0,5 с
(шаг клетки рис. 2 б равен 0,5 с), что подтверждает достоверность имитационного моделирования и сходимость с результатами экспериментальной работы.
б
а
40 60 Время, с
100
Рис. 3. Выходной сигнал Цх1 определяющий время работы ВТГ: а - данные имитационного моделирования; б - экспериментальные данные
Анализ результатов (рис. 2) показывает, что на 63 секунде моделирования амплитуда сигнала по Ц^ стала меньше амплитуды эффективной работы контура схемотехнического способа увеличения добротности (амплитуду которую можно выделить на фоне шума). Таким образом, можно сделать вывод о достижимом времени функционирования порядка /пп = 62,5 секунд (0,5 секунды из времени моделирования занимает разгон резонатора первичными колебаниями). Что соответствует результатам эксперимента (шаг клетки рис. 3 б равен 10 с).
На рис. 4 показано исследования по вычислению углового положения на основании работы программно-математического комплекса и входе проведения экспериментальной работы на макетном образце.
Анализ графиков, приведенных на рис. 4 подтверждает результаты имитационного моделирования, что при обеспечении неидентичных контуров обратных связей присутствует ошибка в вычислении углового положения.
При этом, как видно из графика, необходимо уменьшать коэффициент обратных связей в контуре . Наличие прямых участков на графике свидетельствует, о наличие разночастотности в резонаторе, в определенном угловом положении, вызванной неточностью балансировки. К сожалению, точность балансировки в готовом образце оценить не представляется возможным, так как он имеет герметичный кожух. Дальнейшие исследования будут направлены на обеспечение идентичных контуров обратных связей (корректировку).
304
б
а
а
ъо 40
30
20
10
I i
0 1 i ■ i
i i
О 5 10 15 20 25 30
Время, с
б
Время, с
Рис. 4. Вычисленный угол в диапазоне 0°..45°..0° : а - данные имитационного моделирования; б - экспериментальные данные
Заключение. Разработанный программно-математический комплекс позволяет на этапе проектирования волнового твердотельного гироскопа (ВТГ) исследовать разработанный блок электроники. Определять такие параметры ВТГ как: время выхода на режим, время функционирования, а также анализировать точность вычисления углового положения. Работоспособность программно-математического комплекса подтверждена сопоставлением результатов моделирования с экспериментальными результатами, демонстрирующими высокую степень сходимости.
Работа выполнена в рамках гранта ректора Тульского государственного университета для поддержки молодых ученых ПУ/23/ГРР от 01.03.2023.
Список литературы
1. Распопов В. Я. Волновые твердотельные гироскопы российской разработки для бортовых систем летательных аппаратов / В. Я. Распопов, В. В. Лихошерст, А. В. Каликанов // Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. 2021. № 4. С. 148-153.
2. Распопов В. Я. Датчик угловых скоростей на базе волнового твердотельного гироскопа с металлическим резонатором для систем ориентации, стабилизации и навигации / В. Я. Распопов, В. В. Лихошерст // Мехатро-ника, автоматизация, управление. 2021. Т. 22, № 7. С. 374-382.
3. Алалуев Р. В., ВолчихинИ. А., Ладонкин А. В. [и др.] Волновой твердотельный гироскоп с металлическим резонатором и его применение в системах ориентации, стабилизации и навигации /АлалуевР. В., ВолчихинИ. А., Ладонкин А. В. [и др.] // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. - 2019. - № 8. - С. 7-21.
4. Журавлев В. Ф., Переляев С. Е., Бодунов Б. П., Бодунов С. Б. Миниатюрный волновой твердотельный гироскоп нового поколения для бескарданных инерциальных навигационных систем беспилотных летательных аппаратов // XXVI Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам: Сборник материалов, Санкт-Петербург, 27-29 мая 2019 года. Санкт-Петербург: "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор", 2019. С. 241-245.
5. Apostolyk V.A Demodullated dynamics and optimal filtering for Coriolis vibratory gyroscopes // Pros\c/ of XVII Inertional Conference on Integrated Navigation Systems (31 May - 2 June 2010. St-Petersbourg). St.- Petersburg: «Elektro Pribor». 2010. P. 57-60
6. Wu, X.; Xi, X.; Wu, Y.; Xiao, D. Cylindrical Vibratory Gyroscope; Springer Tracts in Mechanical Engineering (STME); Springer: Berlin /Heidelberg, Germany, 2021, 202 p.,
7. Research on the signal process of a bell-shaped vibratory angular rate gyro / Z. Su, N. Liu, M. Fu [et al.] // Sensors. 2014. Vol. 14, No. 3. P. 5254-5277.
8. Мингазов Р. И. Идентификация механических погрешностей резонаторов твердотельных волновых гироскопов в режиме свободного выбега стоячих волн / Р. И. Мингазов, Ф. И. Спиридонов, К. В. Шишаков // Интеллектуальные системы в производстве. 2022. Т. 20, № 2. С. 4-19.
Каликанов Алексей Владимирович, младший научный сотрудник лаборатории, [email protected], Россия, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Бехлер Илья Альбертович, младший научный сотрудник лаборатории, [email protected], Россия, Россия, Тула, Тульский государственный университет
SOFTWARE AND MATHEMATICAL COMPLEX FOR THE STUDY OF A WAVE SOLID-STATE GYROSCOPE
A.V. Kalikanov, I. A. Behler 305
The description of a software and mathematical complex is given, which allows at the design stage of a wave solid-state gyroscope (VTG) operating in the "free wave" mode as part of the information and measurement system (IIS) of a civilian unmanned aerial vehicle to investigate the developed electronics unit, which provides, in comparison with previously known solutions, a minimum time to enter the mode, an increased operating time, and also allowing you to analyze the accuracy of calculating the angular position.
Key words: wave solid-state gyroscope, resonator, operating mode, angle sensor, free wave, software and mathematical complex.
Kalikanov Alexey Vladimirovich, junior researcher at the laboratory, [email protected], Russia, Russia, Tula, Tula State University,
Behler Ilya Albertovich, junior researcher at the laboratory, [email protected], Russia, Russia, Tula, Tula State
University
УДК 531.383
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-9-306-307
ВОЛНОВОЙ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ГИРОСКОП ДЛЯ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ОРИЕНТАЦИИ БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
А.В. Каликанов, А. Г. Колесникова
В статье показана типовая структура информационно-измерительной системы ориентации (ИИСО) беспилотного летательного аппарата (БПЛА) в которой измерительным ядром являются волновые твердотельные гироскопы (ВТГ) способные работать как в режиме датчика угла, так и в режиме датчика угловой скорости, режим работы определяется схемой управления. Проведен модальный анализ резонатора, ВТГ, позволяющий определить оптимальную конструкцию для построения ВТГ применяемого в ИИСО БПЛА.
Ключевые слова: волновой твердотельный гироскоп, модальный анализ, резонатор, режим работы, датчик угла, датчик угловой скорости.
Бесплатформенная ИИСО (определения угловых скоростей движения, углов курса, тангажа и крена) является интеллектуальным ядром систем автоматического управления движением БПЛА. Структурно ИИСО БПЛА гражданского назначения можно представить в виде рис. 1.
В таких системах измерительным ядром являются гироскопические и вспомогательные датчики первичной информации (акселерометры, магнитометры, пирометры, барометры, приемники спутниковых навигационных сигналов, датчики воздушной скорости); вычислительное устройство осуществляющие обработку сигналов и реализацию алгоритмов ориентации; исполнительными элементами являются электромеханические двигатели/ рулевые машинки (рулевые органы управления БПЛА).
Большое разнообразие существующих типов и видов гражданских БПЛА определяется большим количеством выполняемых целевых задач, предъявляемыми требованиями по массогабаритным характеристикам, времени работы и условиям полета. Это накладывает специальные требования к гироскопическим датчикам, используемым в составе ИИСО БПЛА. Наиболее перспективных приборов по совокупности характеристик - точности параметров, размеру конструкции, себестоимости производства, являются волновые твердотельные гироскопы (ВТГ) с низкодобротным объемным резонатором изготовленные из элинварных металлических сплавов [1 - 4]. Принцип действия, ВТГ основан на эффекте инерции стоячих волн, возбуждаемых в металлическом резонаторе, открытом еще в конце XIX века английским математиком и механиком Дж. Х. Брайаном. При возбуждении стоячей волны в тонкостенной оболочке, точки ее кромки будут иметь радиальные колебания на второй форме. Точки с максимальной амплитудой радиальных колебаний называются пучностями (antinode), а с минимальной - узлами (node). Конструктивно ВТГ состоит из резонатора и блока электроники, определяющего режим работы (ВТГ-ДУС - датчик угловой скорости или ВТГ-ИГ - интегрирующий гироскоп). На рис. 2 показан прототип резонатора, взятый за основу для бедующей конструкции ВТГ для ИИСО БПЛА.
Резонатор является основным элементом в конструкции ВТГ. Его характеристики (и их стабильность) в конечном счете определяют параметры гироскопического датчика [5]. Поэтому на этапе проектирования ВТГ для ИИСО БПЛА необходимо определить оптимальные геометрические размеры резонатора и материал, из которого он изготовлен. Размеры и материал обеспечивают требуемые основные характеристики: т - постоянная времени затухания; Q - добротность; f - рабочая (резонансная) частота. Проведенный анализ научно технической литературы и
патентов показал, что ВТГ с низкодобротным объемным резонатором имеют типовую конструкцию в виде стакана с утолщенной верхней частью либо в форме усеченного конуса с цилиндрической внутренней частью, следующие отличие заключается в способе закрепления резонатора на основании [6-8].
В качестве исходных параметров для расчета сформируем предъявляемые требования к резонатору ВТГ для ИИСО БПЛА, представленные в таблице 1.
