CC BY
14
2. Пановко Г.Я., Савин С.И., Яцун С.Ф., Яцун А.С. Моделирование процессов вставания экзоскелета из положения сидя // Проблемы машиностроения и надежности машин, 2016. № 3. С. 19-24.
3. Яцун С.Ф., Савин С.И., Емельянова О.В., Яцун А.С., Турлапов Р.Н. Экзоскелеты: анализ конструкций, принципы создания, основы моделирования. Монография. Курск: ЮЗГУ, 2015. 178 с.
4. Jatsun S., Savin S., Yatsun A. Motion Control Algorithm for a Lower Limb Exoskeleton Based on Iterative LQR and ZMP method for trajectory generation / Proceedings of the 5th International Workshop on Medical and Service Robots. Graz, Austria, July 4-6, 2016. P. 54-58.
5. Jatsun S., Savin S., Yatsun A. Parameter Optimization for Exoskeleton Control System Using Sobol Sequences / Proceedings of 21st CISM IFToMM Symposium on Robot Design, Dynamics and Control. Udine, Italy. June 20-23, 2016. P. 361-368.
6. Jatsun S., Savin S., Yatsun A. Study of Controlled Motion of Exoskeleton Moving from Sitting to Standing Position. - Advances in Robot Design and Intelligent Control. Springer International Publishing, 2016. Р. 165-172.
7. Вукобратович М. Шагающие роботы и антропоморфные механизмы. Монография / Пер. с англ. А.Ю. Шнейдера; под ред. В.С. Гурфинкеля. М.: Мир, 1976. 544 c.
ШИРОКОПОЛОСНЫЙ АНАЛИЗ И ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ В
МНОГОЧАСТОТНОЙ ОБЛАСТИ ГИРОСКОПА ДЛЯ
ЭКЗОСКЕЛЕТА
1 2 Чернышова Н.Д. , Пономарев А.С.
Email: Chernyshova6121@scientifictext.ru
1Чернышова Надежда Дмитриевна - студент; 2Пономарев Андрей Сергеевич - кандидат технических наук, преподаватель; кафедра физики и биомедицинской техники, Липецкий государственный технический университет, г. Липецк
Аннотация: в статье рассматриваются алгоритмы широполосного анализа данных в частотной области, исследование чувствительных элементов анализа данных, обнаружение узкополосных излучений, определение их параметров, таких как номинал частоты, уровень датчика, а также время от начала до завершения. Рассмотрена связь между микромеханическим гироскопом и широкополосным датчиком. Предлагается разработка микромеханического гироскопа с расширенной полосой фиксации.
Ключевые слова: широкополосные, датчики, микромеханический гироскоп, спектр, экзоскелет.
BROADBAND ANALYSIS AND SIGNAL PROCESSING IN THE
MULTI-FREQUENCY REGION OF AN EXOSKELETON
GYROSCOPE
12 Chernyshova N.D. , Ponomarev A.S.
1Chernyshova Nadezhda Dmitrievna - Student; 2Ponomarev Andrey Sergeevich - Candidate of Technical Sciences, Lecturer, DEPARTMENT OF PHYSICS AND BIOMEDICAL ENGINEERING, LIPETSK STATE TECHNICAL UNIVERSITY, LIPETSK
Abstract: the article analyzes the algorithms of wide-cavity data analysis in the frequency domain. Investigation of sensitive data analysis elements, detection of narrow-band radiation, determination of their parameters, such as frequency rating, sensor level, as well as time from start to finish. The connection between a micromechanical gyroscope and a wide-field sensor is considered. The development of a micromechanical gyroscope with an extended fixation band is proposed.
Keywords: wide-field sensor, gyroscope, sensor, narrow-band, analys.
УДК 621.391
Широкополосные сигналы фиксируются в виде массивов пар. В ШП датчиках относительная ширина полосы может быть больше единицы, что позволяет получить большую разрешающую способность, особенно есть речь идет о ближних и средних зонах по глубине.
ШП датчики являются довольно перспективными в современном приборостроении. Их основными преимуществами являются чрезвычайно низкая стоимость, высокая надежность и предельно малые габариты.
Методы регистрации широкополосных сигналов.
1. Сборка отсчетов сигнала (2050) с умножением на коэффициент оконной функции.
2. Вычисление быстрого преобразования Фурье (БПФ). Получается 2048 спектральных отсчетов, что соответствует разрешению в несколько килогерц.
3. Выполнение усреднения за задаваемое количество буферов (в данном случае — 128, размер буфера — 2048 отсчетов).
4. Вычисление мощности усредненного сигнала в логарифмическом масштабе. Результат представляется в виде 8-битных отсчетов, хранящих значения в диапазоне 0127 дБмкВ (младшие семь бит). Старший бит равен 1, если значение превысило порог, или 0 в противном случае, используется для цветовой индикации на экране монитора ПЭВМ.
5. Опционально, если не задан порог обнаружения, автоматическое определение "шумового пола" во всей полосе частот, и как результат — автоматическое определение порога обнаружения. Для этого строится гистограмма распре деления мощностей из 32 элементов с шагом 4. Младший максимум гистограммы соответствует шумовому полу. Порог определяется как index (max(histbuf)) * 4 + X, где X — задаваемое значение превышения над "шумовым полом" (по умолчанию задается +10 дБмкВ).
6. Определение участков спектра, содержащих следующие подряд слева направо по оси частот отсчеты, превышающие порог.
7. На основании левой и правой границ спектров сигналов определяются ширина занимаемой полосы частот, центральная частота, а также значение максимальной мощности в полосе сигнала.
8. Полученные результаты (мощность, полоса и центральная частота, время начала и завершения излучения, отношение сигнал/шум) запоминаются в ОЗУ и передаются для дальнейшей обработки, а также сохраняются в файл базы данных. Число записей в БД определяется числом излучений, обнаруженных в ходе широкополосной обработки, а каждая структура описывает параметры отдельного обнаруженного сигнала. Моделирование показало, что предложенный алгоритм позволяет производить анализ спектра широкополосного сигнала с частотой более 6 MS/s в ПЭВМ в режиме реального времени. Аппаратная реализация на программируемых логических интегральных схемах позволяет производить анализ полосы до 100 МГц в режиме реального времени.
ШПС получили применение в широкополосных системах связи (ШПСС), так как:
• позволяют в полной мере реализовать преимущества оптимальных методов обработки сигналов;
• обеспечивают высокую помехоустойчивость связи;
• позволяют успешно бороться с многолучевым распространением радиоволн путем разделения лучей;
• допускают одновременную работу многих абонентов в общей полосе частот;
• позволяют создавать системы связи с повышенной скрытностью;
• обеспечивают электромагнитную совместимость (ЭМС) ШПСС с узкополосными системами радиосвязи и радиовещания, системами телевизионного вещания;
• обеспечивают лучшее использование спектра частот на ограниченной территории по сравнению с узкополосными системами связи.
Применение ММГ технологий в современной микроэлектронике довольно актуально, поскольку используемые материалы позволяют обеспечить малые габариты, электропотребление, вес, достаточно высокую надежность и устойчивость к внешним воздействиям, а также низкую стоимость микромеханических и широкополосных датчиков.
Формирование классических методов цифрового переноса сигнала и децимации в ПЭВМ является достаточно простым, но на это уходит достаточное количество вычислительных ресурсов, так как необходимо применять длинные фильтры КИХ. Отсюда следует, что применение классической схемы построения цифрового переносчика спектра сигнала позволяет проводить обработку сигнала в частоте лишь 100-150 Гц либо проводить широкополосный анализ за более длительное время. Таким образом, нецелесообразно проводить узкополосный анализ, который может предоставить неполную информацию об исследуемом объекте в гироскопе. Предлагается применение обработки сигналов в частотной области. Показано, что при таком подходе можно увеличить быстроту действия примерно в 10 раз, а при аппаратной реализации в программируемых интегральных логических схемах добиться работы в реальном масштабе времени при частотах оцифровки в десятки мегагерц. Продемонстрируем перенос спектра и децимацию на примере преобразователя Фурье на рис. 1.
I I М I I I I 1 I I I I I I I I I 1 I I I I И I I I I I I I
35-14-13-12—11-10 -9 -а -6 -5 4 3 -2 1 О 1 2 3 4 5 6 7 в 9 10 11 12 13 14 15 16
Сиекзр широкополосного входного сигнала
-3-2-1 □ 1 2 3 4
Снскгр узкополосного сигнала
Рис. 1. Спектры широкополосного и узкополосного сигналов
Вывод.
Моделирование показало, что размер входного буфера следует подбирать таким образом, чтобы размер выходного буфера составлял 1024~4096 отсчетов. В предоставляемой модели размер входного буфера выбран равным 262144 отсчетам. При переносе только одного узкополосного сигнала из спектра широкополосного скорость обработки составляет 1,5 MS/s, что позволяет обрабатывать в ПЭВМ в
режиме реального времени широкополосные сигналы с полосой 1-1,25 МГц. При переносе нескольких сигналов скорость обработки уменьшается незначительно, так как прямое преобразование Фурье выполняется одно для всех узкополосных сигналов, а увеличивается лишь количество обратных преобразований для размеров пачек, значительно меньших, чем размер пачки для прямого преобразования.
На некоторых разработанных ранее микромеханических гироскопах используются датчики узкополосного измерения частот, что не позволяет добиться нужного результата в кратчайшие сроки. Таким образом, внедрение широкополосного датчика поможет обрабатывать большее количество результатов за определенное заданное время.
Список литературы /References
1. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2007612096 Имитационное моделирование радиотехнических систем и устройств цифровой обработки сигналов [Текст] / С.С. Аджемов, А.Н. Лебедев. // 23.05.2007.
2. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2007612088 Мониторинг систем мобильной радиосвязи [Текст] / С.С. Аджемов, А.Н. Виноградов, А.Н. Лебедев, М.В. Терешонок. // 11.05.2007.
3. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2007612095 Спектральная обработка цифровой записи сигналов в широкой полосе частот [Текст] / С.С. Аджемов, А.Н. Лебедев. // 24.04.2007.
4. Аджемов С.С., Воробьев А.А., Негрозов Е.А., Романов Э.Ю. Приемник прямого цифрового преобразования. Современные концепции приема и обработки сигналов в ВЧ диапазоне // Труды МТУСИ. М., 2007. С.178-181.
5. Пешехонов В.Г.Микромеханический гироскоп, разрабатываемый в ЦНИИ «Электроприбор» / В.Г. Пешехонов [и др.] // Мехатроника, автоматизация, управление, 2008. № 2. С. 29-31.
