CC BY
28
УДК 681.518.3
СИСТЕМА СТАБИЛИЗАЦИИ ПОДВОДНОГО АППАРАТА И МЕТОД ОБРАБОТКИ ДАННЫХ
Я. Е. Шумилина, А. О. Панаськов, М. Н. Серафимов, М. М. Максимчук, Т. Д. Хуснутдинов
Научный руководитель - Л. В. Ручкин
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева
Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газеты «Красноярский рабочий», 31
E-mail: panaskov79@gmail.com
Предложены система стабилизации подводного аппарата и метод обработки данных электромеханического датчика с использованием матрицы калибровочных коэффициентов.
Ключевые слова: акселерометр, система управления, калибровка.
STABILIZATION SYSTEM OF THE UNDERWATER VEHICLE AND METHOD
FOR PROCESSING DATA
Y. E. Shumilina, A. O. Panas'kov, M. N. Serafimov, M. M. Maksimchuk, T. D. Husnutdinov
Scientific supervisor - L. V. Ruchkin
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarskii rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: panaskov79@gmail.com
The stabilization system and method for processing data with using the matrix of calibration
factors.
Keywords: accelerometer, control system, calibration.
Система инерциальной навигации - система, предназначенная для определения координат и параметров движения различных объектов, посредством использования инерциальных датчиков [1]. Главным плюсом системы является ее автономность [2]. Данная система была принята за основу системы стабилизации подводного аппарата. Подходящим по характеристикам для такой системы является акселерометр LSM6DS3TR, так как он включает в себя как акселерометр, так и гироскоп, который будет сообщать блоку управления о поворотах модуля вокруг осей. Выбранный датчик был внедрен в разработанную систему стабилизации подводного аппарата, схема которой представлена на рис. 1.
ш
<_ qj jz LU
ПК
БК
кп
мк АЛ 1 ДОС
-
АП
АЦП — У ПН - дд — ВС
Рис. 1. Микропроцессорная схема системы стабилизации подводного аппарата
Секция «Технологические и мехатроииые системы в производстве ракетно-космической техники»
Структура схемы системы управления состоит из следующих элементов: ПК - персонального компьютера; БК - бортовой контроллер; МК - микроконтроллер; АЛ - акселерометр левого борта; АП - акселерометр правого борта; ДД - датчик давления; ПН - преобразователь тока в напряжение; У - усилитель преобразователя тока в напряжение; АЦП - аналогов-цифровой преобразователь; КП - контроллер привода; М -бесколлекторный электрический двигатель; ДОС - датчик обратной связи; ВС - внешняя среда. В системах стабилизации представленного типа основным элементом является электромеханический датчик, способный фиксировать положение, вибрации и движение объекта [3]. Электромеханический датчик был подключен к системе сбора данных, после чего построены графики ускорений, полученных с датчика, находящегося в состоянии покоя, и приведены на рис. 2.
Рис. 2. Данный ускорений по осям датчика до калибровки в состоянии покоя
Для устранения случайных величин, а также ошибок смещения нулей, неортогональности осей необходимо откалибровать датчик. Следовательно метод калибровки и обработки данных является основополагающим элементом системы стабилизации. В качестве наиболее приемлемой модели для сигналов датчика было выбрано следующее выражение [4]:
1а = х(0 + ъа+ + ыах(г) + еа(г),
где х(1;) - вектор воздействующей угловой скорости; 1а - сигнал с датчика угловой скорости; Ьа - смещение нулей; 8Ба - матрицы масштабных коэффициентов; N - матрица неортогональности осей датчика по отношению к оси X; 8а(1) - шумы преобразователей.
Если в данном выражении пренебречь шумами преобразователей, то данное выражение можно представить в виде матричного произведения, записанного в следующем виде:
ах " 1 МХу МХ2
ау = МуХ 1 Му2
аТ2 М2Х Мгу 1
О
О
1 о 1
о - о
оу
1
о —
5.]
ау а2
где Му - матрица коэффициентов углового рассогласования между осями акселерометра и корпусом размером 3*3; - масштабные коэффициенты чувствительности осей датчика; - смещение нуля.
Из полученного выражения необходимо выразить матрицу калибровочных коэффициентов [Су]4х3, для этого выражение произведений матриц различных коэффициентов преобразуем к следующему виду:
[аТх аТу сТ2] = [ах ау а2 1] х [С0']4х3
На основе полученного выражения был разработан алгоритм для калибровки датчика и обработки данных об ускорениях с учетом матрицы калибровочных коэффициентов, схема алгоритма представлена на рис. 3.
Рис. 3. Алгоритм программы калибровки датчика и обработки данных
Рис. 4. а - положения осей после калибровки датчика в состоянии покоя; б - данные скоростей при перемещении датчика по спирали.
Результатом работы алгоритма являются графики ускорений, представленные на рис. 4, на которых видно, что алгоритм калибровки и обработки данных с электромеханического датчика ускорений и угловых скоростей Ь8МбВ83ТЯ фильтрует систематические ошибки, что делает алгоритм калибровки и первичной фильтрации применимым на этом этапе исследований. Следующим этапом обработки информации является дополнительная фильтрация данных с учетом предыдущих показаний.
Библиографические ссылки
1. Ачильдиев В. М., Грузевич Ю. К., Солдатенков В. А. Информационные измерительные и оптико-электронные системы на основе микро- и наномеханических датчиков угловой
Секция «Технологические и мехатронные системы в производстве ракетно-космической техники»
скорости и линейного ускорения. Москва: Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2016. 260 с.
2. Jiayang Liu, Lin Zhong, Jehan Wickramasuriya, and Venu Vasudevan, "User evaluation of lightweight user authentication with a single tri-axis accelerometer," in Proc. ACM Int. Conf. Human Computer Interaction with Mobile Devices and Services (MobileHCI), September 2009.
3. Donald J. Bemdt, James Clifford."Using Dynamic Time Warping to FindPatterns in Time Series.", Information Systems Department Stern School of Business New York University, New York, April 26, 1994.
4. Обоснование требований к системам навигации и ориентации при решении задач управления движением подвижных объектов / А. М. Боронахин, Ю. А. Лукомский, А. Г. Шпекторов, X. М. Тханг, Ч. Т. Дык // Изв. СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2012. № 2. С. 77-80.
© Шумилина Я. Е., Панаськов А.О., Серафимов М. Н., Максимчук М. М., Хуснутдинов Т. Д., 2020
