CC BY
60
Fomicheva Olga Anatol 'evna, candidate of technical science, docent, [email protected], Russia, Tula, Tula State University
УДК 623-55
ОПЫТ СОЗДАНИЯ НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ СОТРУДНИКАМИ КАФЕДРЫ ПБС
М.Б. Богданов, А.В. Прохорцов, В.В. Савельев, В. А. Смирнов
Представлены результаты работы сотрудников кафедры «Приборы и биотехнические системы» Тульского государственного университета в области проектирования систем ориентации, стабилизации и навигации.
Ключевые слова: система ориентации, бесплатформенная инерциальная навигационная система, спутниковая навигационная система, интегрированная система ориентации и навигации, система стабилизации и наведения линии визирования.
Кафедра «Приборы и биотехнические системы» (ПБС) была организована в 1998 г. С момента кафедры создания ее сотрудниками ведутся научно-исследовательские работы в области создания и проектирования систем ориентации стабилизации и навигации.
Одной из первых работ кафедры в этом направлении стала система ориентации спортивного оружия, выполненная в 1998 г сотрудниками кафедры - к.т.н., доц. Р.Н. Насибулиным и в то время магистрантом кафедры М.Б. Богдановым под руководством заведующего кафедрой д.т.н., проф. В.В. Савельева. В ходе выполнения работы была разработана теория и создан макетный образец системы ориентации спортивного ружья (рис. 1).
Рис. 1. Бесплатформенная система ориентации спортивного ружья
Область применения: подготовка спортсменов-стрелков высокого класса; объективный отбор начинающих спортсменов-стрелков; получение исходных данных на проектирование тренажеров по стендовой стрельбе и нового спортивного оружия. Система ориентации предназначена для измерения угловых скоростей вращения и углов рыскания, тангажа и крена
спортивного оружия при стендовой стрельбе. Блок чувствительных элементов (три гиротахометра ДУС-ТУ) устанавливается в прикладе оружия и с помощью кабеля соединяется с блоком электроники (пультом), подключенным через интерфейс RC-232C к вычислителю (IBM PC).
Разработанное программное обеспечение позволяет на дисплее компьютера получать графики и значения угловых скоростей и углов поворота оружия в удобном для пользователя виде.
Диапазон измеряемых угловых перемещений: в вертикальной плоскости ± 70°; в горизонтальной плоскости ± 120°; погрешность измерения углов: <5°; система измеряет параметры движения в интервале времени не более 6 с; масса блока чувствительных элементов, кг: 0,4; электропитание: 220 В, 50 Гц.
Продолжением данной работы стала бесплатформенная система ориентации малогабаритного подвижного робота, выполненная аспирантом М. Б. Богдановым, магистрантом А.В. Прохорцовым, и к.т.н. В. А. Смирновым под руководством д.т.н., проф. В.В. Савельева (рис. 2).
Система ориентации предназначена для автономного определения параметров ориентации и движения малогабаритного подвижного робота и передачи полученных данных в систему управления роботом. Сигналы с блока чувствительных элементов (триада гиротахометров ДУС-ВЧ2), установленного на борту робота, с помощью устройства сопряжения (платы сбора данных ЛА-70М4) передаются в вычислитель (IBM PC), установленный в пункте управления роботом. Разработанное программное обеспечение позволяет определять угловые скорости и параметры ориентации (матрицу направляющих косинусов и углы Эйлера-Крылова).
Рис. 2. Бесплатформенная система ориентации малогабаритного
подвижного робота
Диапазон измеряемых угловых скоростей: 120 °/с; диапазон измеряемых углов: по азимуту 360°, по тангажу и крену - 90°; время непрерывной работы системы: 1200 с; погрешность в измерении углов: 2°; частота обновления выходного сигнала: 100 Гц.
214
Новой ступенью развития стала работа по созданию инерциально-спутниковой навигационной системы колесного шасси (КШ), выполненная под руководством д.т.н., проф. В.В. Савельева сотрудниками кафедры -к.т.н. А.В. Прохорцовым, к.т.н. М.Б. Богдановым, к.т.н. В. А. Смирновым, и инженером В.В. Салиным (рис. 3).
Инерциально-спутниковая навигационная система (ИСНС) колесного шасси состоит из бесплатформенной инерциальной навигационной системы (БИНС), построенной на волоконно-оптических гироскопах и компенсационных акселерометрах, приемной аппаратуры спутниковой навигационной системы (СНС) и бортового вычислителя. ИСНС обеспечивает определение координат КШ, его линейных скоростей и параметров ориентации. Разработан и изготовлен негабаритный макетный образец системы на волоконно-оптических гироскопах ВГ949П (дрейф нуля менее 20 градус/час) и акселерометрах ДА-11. В 2009 г. данная работа была успешно завершена.
Рис. 3. Инерциально-спутниковая навигационная система (ИСНС)
колесного шасси
В 2002 - 2012 годах коллективом кафедры был выполнен ряд работ в области создания инерциально-спутниковых навигационных систем малогабаритных летательных аппаратов, получен ряд патентов в области комплексирования БИНС и СНС.
В частности, в 2004 - 2009 г. (рис. 4) разработано и изготовлено два негабаритных макетных образца БИНС: первый (2004 г.) построен на миниатюрных механических гиротахометрах ДУСТУ-2 (порог чувствительности 0,5 °/с) и акселерометрах ДА-11, второй (2006 г.) - на волоконно-оптических гироскопах ВГ949П (дрейф нуля менее 20 градусов/час) и акселерометрах ДА-11. Диапазон измеряемых угловых скоростей обоих образцов ± 300 °/с, линейных ускорений ± 350 м/с2.
Разработанная математическая модель ИСНС позволяет исследовать работу системы при различных условиях эксплуатации, характеристиках элементов системы, параметрах сигналов СНС. Создано программное обеспечение ИСНС, позволяющее комплексировать сигналы БИНС и СНС при любом количестве наблюдаемых спутников [1 - 7].
В 2010 - 2014 г. совместно с другими кафедрами Института высокоточных систем им. В.П. Грязева выполнялась работа по созданию инер-циально-спутниковой системы ориентации и навигации высокоманевренного управляемого ЛА (рис.5). Инерциально-спутниковая система ориентации и навигации (ИСНС) ЛА состоит из бесплатформенной инерциаль-ной навигационной системы (БИНС), построенной на микромеханических датчиках угловой скорости и акселерометрах, приемной аппаратуры спутниковых навигационных систем (СНС) и бортового вычислителя. ИСНС обеспечивает определение координат ЛА, его угловых скоростей и параметров ориентации. Разработаны математическая модель системы и оригинальное алгоритмическое обеспечение, позволяющее обеспечить высокую точность вычисления угловой ориентации в жестких условиях эксплуатации. Для наземной отработки системы разработан и изготовлен имитатор блока чувствительных элементов, сигналы которого соответствуют показаниям датчиков угловой скорости и акселерометров на траектории полета.
Рис. 4. Инерциально-спутниковая система ориентации и навигации
Блок Приемная
инерциальных аппаратура
Рис. 5. Инерциально-спутниковая навигационная система управляемого летательного аппарата
В 2010 г. сотрудниками кафедры был выигран грант РФФИ на разработку акселерометрической инерциально-спутниковой навигационной системы малогабаритного высокоманевренного летательного аппарата с малым временем полета (рис. 6).
Рис. 6. Акселерометрическая инерциально-спутниковая навигационная система малогабаритного высокоманевренного
летательного аппарата с малым временем полета: 1 - 5, 7 - измерительные компоненты; 6 - радиомодуль передачи сигналов
Система построена на базе акселерометрической бесплатформенной инерциальной навигационной системы (АБИНС), в которой нет ни гироскопов, ни датчиков угловой скорости. Определение параметров ориентации и навигации производится по сигналам только акселерометров. Разработана математическая модель АБИНС, содержащей 7 трехосных линейных микромеханических акселерометров. Габариты системы - сфера диаметром 100 мм; масса - 300 гр. Отличительные особенности: 42 измерительных канала, минимально возможная стоимость, возможность работы в условиях больших ударных и вибрационных нагрузок.
В соответствии с современными тенденциями с 2008 г. сотрудниками кафедры, в частности, к.т.н. А.В. Прохорцовым, ведутся работы по расширению функциональных возможностей СНС ГЛОНАСС. Основным направлением данной работы является разработка способов определения координат, скорости и параметров ориентации подвижных объектов по сигналам ограниченного количества навигационных спутников.
Область применения: инерциально-спутниковые навигационные системы (ИСНС), требующие повышенной точности и информационной надежности в определении координат и параметров ориентации высокоманевренных летательных аппаратов при ограниченном количестве видимых навигационных спутников (НС) - трех, двух и даже одного (рис. 7).
Для повышения точности и информационной надежности инерци-ально-спутниковых навигационных систем разработаны:
- способы определения параметров ориентации по сигналам четырех, трех, двух навигационных спутников;
- способы определения координат подвижного объекта по сигналам трех, двух и даже одного навигационных спутников;
- способы определения скорости подвижного объекта по сигналам трех, двух и даже одного навигационных спутников;
- способы отбраковки сигналов преднамеренных помех;
- способы определения параметров ориентации помощью только одной антенны СНС.
V
Погрешность степень уменьшения ИСОН. м погрешности БИНС
17
3 2
Количество спутников
Рис. 7. Определение координат, скоростей и параметров ориентации подвижного объекта при ограниченном количестве доступных спутников
Предложенные способы определения координат, скоростей и параметров ориентации по сигналам ограниченного количества навигационных спутников ГЛОНАСС позволят повысить точность ИСНС (примерно на 30 %), при сохранении прежней стоимости или уменьшить стоимость ИСНС (на 30 - 50 %) при сохранении прежней точности.
Разработанные способы определения параметров ориентации позволяют применять стандартную приемную аппаратуру СНС, работающую по кодовым измерениям, а не дорогую аппаратуру геодезического класса, работающую по фазовым измерениям. Экономический эффект (применительно к аппаратуре отечественного производства) - уменьшение стоимости аппаратуры в несколько раз.
Разработанные способы определения параметров навигации, работающие при приеме сигналов от ограниченного количества навигационных спутников, позволяют повысить надежность и помехозащищенность интегрированной навигационной системы [8 - 13].
Разработанные способы определения параметров ориентации помощью только одной антенны СНС позволят существенно уменьшить габариты ИСНС.
Ведутся исследования и в области применения микромеханических инерциальных датчиков для построения недорогих и малогабаритных БИНС (рис. 8).
Рис. 8. Микромеханическая инерциальная навигационная система
Система построена на базе блока микромеханических чувствительных элементов 100 с интегрированным микропроцессором. Габариты макетного образца - 62 х 40 х 10 мм; масса 30 гр. Разработчики: д.т.н. Савельев В.В., к.т.н. Смирнов В.А., Макалов А.О.
Сотрудником кафедры В.В. Кулешовым в течение многих лет развивается направление структурного повышения точности акселерометров. В этой области В.В. Кулешовым получено более 40 патентов на изобретения [14 - 17].
Таким образом, за последние 20 лет на кафедре ПБС создана теория проектирования систем ориентации и навигации малогабаритных подвижных объектов (в том числе и высокодинамичных), разработана теория структурного повышения точности акселерометров.
Еще одним направлением работы кафедры является построение систем стабилизации и наведения линии визирования. Работы в этой области ведутся под руководством д.т.н., проф. В.В, Савельева к.т.н., доц. В. А. Смирновым с 1999 г. по настоящее время. Получено 5 патентов РФ на изобретения. Предложен ряд способов повышения точности систем стабилизации и наведения, способы уменьшения габаритов (рис. 9) и увеличения углов обзора (рис.10) [18 - 19].
Рис. 9. Система стабилизации и наведения линии визирования
с уменьшенными габаритами: 1-рамка; 2 - зеркало; 3, 4 - исполнительные двигатели; 5, 6, 7 - ДУС; 8 - датчик угла поворота зеркала относительно рамки; 9 - дифференцирующее устройство; 10 - сумматор; 11,13 - усилительно-корректирующие устройства; 12 - вычислительное устройство
Рис. 10. ССиН с увеличенными углами обзора:
1, 5, 11 - блоки управления исполнительными двигателями;
2, 8, 14 - исполнительные двигатели; 3 - внутренняя рамка;
4,13,18, 20 - датчики угловой скорости; 6 - блок вычисления
погрешностей стабилизации линии визирования: а - погрешность по азимуту; р - погрешность по углу места; 7, 21 - датчики угла;
9 - наружная рамка; 10 - основание; 12 - фотоприемное устройство с объективом; 15,16, 17 - зеркала, жестко связанным с наружной рамкой; 19 - подвижное зеркало; ОХ§У§20 - система координат, связанная с подвижным основанием
Результаты работы сотрудников кафедры нашли отражение в более чем 200 публикациях, в том числе более 100 публикаций, входящих в перечень ВАК. На научные разработки и теоретические изыскания получено более 30 патентов на изобретения РФ.
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Правительства Тульской области № ДС/124.
Список литературы
1. Богданов М.Б., Прохорцов А.В., Савельев В.В., Смирнов В. А., Сухинин Б.В., Чепурин А.А. Интегрированная система ориентации и навигации высокоманевренного подвижного объекта с малым временем полета Гироскопия и навигация. 2007. № 2 (57). С. 115 - 125.
220
2. Богданов М.Б., Прохорцов А.В., Савельев В.В., Смирнов В. А. Анализ совместного влияния условий эксплуатации и погрешностей измерительных каналов на точность бесплатформенной системы ориентации Гироскопия и навигация, 2008. № 3 (62). С. 53 - 58.
3. Богданов М.Б., Прохорцов А.В., Савельев В.В. Об эффективности различных типов коррекции показаний БИНС по сигналам СНС // XIII Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам Сборник материалов, 2006. С. 142 - 144.
4. Патент 2338160 РФ. Способ определения параметров навигации / Богданов М.Б., Савельев В.В., Смирнов В.А., Сухинин Б.В., Прохорцов А.В., Чепурин А.А. Опубл. 25.06.2007.
5. Патент 2329469 РФ. Способ определения параметров навигации / Богданов М.Б., Савельев В.В., Смирнов В.А., Сухинин Б.В., Прохорцов А.В., Чепурин А.А. Опубл. 19.03.2007.
6. Прохорцов А.В., Савельев В.В. Методы определения координат и скорости подвижных объектов с помощью спутниковых радионавигационных систем Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2011. № 2. С. 264 - 274.
7. Прохорцов А.В., Савельев В.В., Смирнов В.А., Чепурин А.А. Комплексирование данных инерциальной и спутниковой навигационных систем при доступности одного или двух спутников Известия Института инженерной физики. 2009. № 3 (13). С. 66 - 71.
8. Богданов М.Б., Прохорцов А.В., Савельев В.В., Смирнов В. А. Способ коррекции показаний БИНС по параметрам ориентации при приеме сигналов от одного навигационного спутника Известия Института инженерной физики. 2012. № 1 (23). С. 70 - 73.
9. Патент 2248004 РФ. Способ определения угловой ориентации объекта / Блинов В.В., Богданов М.Б., Прохорцов А.В., Савельев В.В., Сухинин Б.В. Опубл. 30.04.2003.
10. Прохорцов А.В. Методы определения параметров ориентации подвижных объектов по сигналам спутниковых радио - навигационных систем Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2013. № 1. С. 258-267.
11. Патент 2364884 РФ. Способ определения угловой ориентации объекта / Богданов М.Б., Прохорцов А.В., Савельев В.В., Сухинин Б.В. Опубл. 11.12.2006.
12. Прохорцов А.В., Савельев В.В., Чепурин А.А. Способ борьбы с помехами СНС, имитирующими сигналы навигационных спутников, путем привлечения информации от БИНС В сборнике: XVII Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам Сборник материалов. 2010. С. 186 - 187.
13. Патент 2414685 РФ. Способ определения угловой ориентации объекта / Богданов М.Б., Прохорцов А.В., Савельев В.В., Власов А.Ю., Данилов М.Б. Опубл. 25.02.2010.
14. Патент 2422844 РФ. Способ определения угловой ориентации объекта / Богданов М.Б., Савельев В.В., Смирнов В. А., Прохорцов А.В., Чепурин А.А. Опубл. 11.01.2009.
15. Патент 2308039 РФ. Устройство для измерения ускорений / Кулешов В.В., Богданов М.Б., Прохорцов А.В. Опубл. 02.05.2006.
16. Патент 2384848 РФ. Устройство для измерения ускорений / Кулешов В.В., Кулешов Д.В., Богданов М.Б., Прохорцов А.В. Опубл. 22.12.2008.
17. Патент 2345326 РФ. Способ коррекции инерциальной навигационной системы / Прохорцов А.В. Опубл. 19.11.2007.
18. Патент 2449293 РФ. Компенсационный акселерометр / Кулешов В.В., Прохорцов А.В., Богданов М.Б. Опубл. 15.12.2010.
19. Смирнов В. А., Савельев В.В., Захариков В.С. Система стабилизации и наведения линии визирования с увеличенными углами обзора // Гироскопия и навигация. 2011. № 4 (75). С. 4 - 11.
20. Патент 2260773 РФ. Устройство стабилизации линии визирования / Смирнов В. А. Опубл. 10.06.2004.
Богданов Максим Борисович, канд. техн. наук, доцент, bmb 75@rambler. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Прохорцов Алексей Вячеславович, канд. техн. наук, доцент, заведующий кафедрой, proxav@rambler. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Савельев Валерий Викторович, д-р техн. наук, профессор, _pbs. [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Смирнов Владимир Александрович канд. техн. наук, доцент, pbs. tula@rambler. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
EXPERIENCE IN CREA TING NA VIGA TION SYSTEMS BY DEPARTMENT STAFF M.B. Bogdanov, A.V. Prohortsov, V.V. Saveliev, V.A. Smirnov
The results of the work of the department staff Devices and biotechnical systems of Tula State University in the field of designing systems for orientation, stabilization and navigation are presented.
Keywords: orientation system, strap-up inertial navigation system, satellite navigation system, integrated orientation and navigation system, stabilization system and guidance of the line of sight.
Bogdanov Maxim Borisovich, candidate of technical science, docent, bmb 75@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Prohortsov Alexey Vjacheslavovich, candidate of technical science, docent, proxav@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Saveliev Valeriy Viktorovich, doctor of technical science, professor, pbs. tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Smirnov Vladimir Aleksandrovich candidate of technical science, docent, pbs. tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University
