Расчетно-экспериментальный метод компенсации динамической погрешности при магнитном измерении курса судна Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ЭЛЕКТРОНИКА,ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА • ИНФ.-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ И УПРАВЛЯЮЩИЕ СИСТЕМЫ

УДК 629.1.04

Н. П. РОГАТЫХ, А. Л. АЛИМБЕКОВ

РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ МЕТОД КОМПЕНСАЦИИ ДИНАМИЧЕСКОЙ ПОГРЕШНОСТИ ПРИ МАГНИТНОМ ИЗМЕРЕНИИ КУРСА СУДНА

Рассматриваются погрешности измерения магнитного курса и предлагаются методы, позволяющие повысить точность магнитного компаса. Навигация; судовождение; автоматизация судовождения; измерение магнитного курса

ВВЕДЕНИЕ

Магнитный компас является обязательным элементом системы управления движением судов [2]. В настоящее время он используется в основном в качестве резервного и вспомогательного прибора.

Основной составляющей погрешности магнитного компаса является девиация — отклонение магнитного курса от его истинного значения вследствие воздействия магнитных свойств корпуса объекта и грузов. Погрешность от трения в опорах карданова подвеса составляет незначительную величину (десятые доли градуса) [1].

Магнитные силы, возникающие под влиянием только мягкого горизонтального судового железа создают четвертную девиацию. Их доводят до минимальных значений с помощью компенсаторов четвертной девиации — брусков, пластин или шаров из мягкого ферромагнитного материала, устанавливаемых снаружи нактоуза, в его верхней части. Силы, которые создаются под влиянием всего твердого и вертикального мягкого судового железа и вызывают полукруговую девиацию. Эти силы компенсируются при помощи продольных и поперечных магнитов — компенсаторов (уничтожителей), устанавливаемых внутри нактоуза.

Четвертная девиация более стабильна, чем полукруговая. Поэтому устранение четвертной девиации выполняют, как правило, один раз — сразу после постройки судна. В дальнейшем остаточная четвертная девиация практически не претерпевает заметных изменений. Полукруговая девиация имеет другой характер. В процессе эксплуатации составляющие ее в некоторой степени меняются по величине. Это происходит под влиянием внеш-

них воздействий: удары корпуса при швартовке, перемещение магнитных грузов и т. п. Вследствие этого требуется периодически повторно определять полукруговую девиацию и составлять новую таблицу остаточной девиации. Также при наклонах корпуса судна, т. е. при крене, дифференте или во время качки, возникает дополнительная погрешность магнитного компаса — креновая девиация. Для ее устранения внутри нактоуза предусмотрен специальный компенсатор [3-5].

Со сменой широты (а значит, и горизонтальной составляющей индукции магнитного поля) меняется креновая, полукруговая девиация и, в меньшей степени, четвертная девиация. Кроме того, погрешность в канал измерения курса вносит дистанционная передача сигнала от измерителя горизонтальной составляющей магнитного поля земли до цифрового указателя.

Для повышения точности в канале измерения и преобразования в цифровую форму магнитного курса в данной работе предлагается использовать микроконтроллер для выполнения следующих задач:

обеспечения оценки и учета креновой составляющей девиации магнитного курса;

автоматической компенсации погрешности измерения магнитного курса за счет учета значения остаточной полукруговой и четвертной девиации при изменении магнитных полей в зоне установки датчика путем внесения в энергонезависимую память вычислителя и оперативной корректировки таблицы поправок к магнитному курсу, определенных в результате выполнения девиацион-ных работ;

устранения погрешности в канале преобразования и дистанционной передачи кур-

са за счет подавления высокочастотных составляющих помех измерительной схемы, с одновременным контролем корректности работы измерительного преобразователя магнитного курса путем применения специального алгоритма определения режимов его работы;

Для оценки креновой составляющей девиации и ее подавления возможно использовать нерекурсивный цифровой фильтр с настройкой коэффициентов по методу Уидроу-Хоффа. Подробно обзор погрешностей и способ подавления креновой помехи описан авторами в [7].

Введение и хранение таблицы поправок к магнитному курсу, также как и оперативный ввод новых значений остаточной девиации в вычислитель курса, производится с пульта управления и позволяет вести автоматический учет их значений при работе магнитного компаса в составе автоматизированной системы управления движением судна.

АЛГОРИТМ КОНТРОЛЯ КОРРЕКТНОСТИ РАБОТЫ СИНУСНО-КОСИНУСНОГО ДАТЧИКА МАГНИТНОГО ПОЛЯ

Для определения магнитного курса часто используются синусно-косинусные датчики на основе феррозондов. В процессе эксплуатации преобразователь магнитного поля может подвергаться воздействию вибраций и ударов, а также попадать в зоны действия объектов, обладающих ферромагнитными свойствами или собственными магнитными полями. При этом сигналы феррозондов могут достигать значений, превышающих диапазон входных сигналов аналого-цифровых преобразователей. Кроме того, преобразователь может находиться в таких местах, где измеряемое магнитное поле имеет очень низкую напряжённость, в результате чего сигналы феррозондов могут иметь значения, существенно меньшие, чем диапазон входных сигналов аналого-цифровых преобразователей. В процессе работы преобразователя сигналы феррозондов могут достигать значений, превышающих или существенно меньших заданного диапазона входных сигналов аналого-цифровых преобразователей. Но в результате использования таких значений для вычисления магнитного курса имеют место большие погрешности, которые в целом снижают точность измерений. Это является существенным недостатком известных способов обработки сигналов. Предлагаемый алгоритм решает задачу контроля режимов работы синусно-косинусных датчиков и отбраковки сигна-

лов, значения которых обуславливают большие погрешности при определении значений измеряемых параметров.

Решение указанной задачи достигается тем, что в способе обработки сигналов синусно-косинусных датчиков, в отличие от аналогов, абсолютные значения сигналов датчиков сравнивают с опорными сигналами, которые сопоставляют с границами различных режимов работы синусно-косинусных датчиков и преобразователей, и в тех случаях, когда абсолютные значения обоих сигналов датчиков не превышают значений заданных опорных сигналов, определяют соответствующие режимы работы датчиков. Сигналы синусно-косинусного датчика после усиления и детектирования могут быть представлены в виде

(1)

где — амплитуда сигналов, — измеряемое угловое перемещение подвижного объекта. Аналого-цифровое преобразование этих сигналов дает значения кодов

2 л’

Лтс = (ис + Щ)— ,

(2)

2

АГ9 = (IIя + Е/о) — ,

где и — соответственно разрядность и верхняя граница диапазона входных сигналов используемого аналого-цифрового преобразователя, — смещение сигна-

лов, вводимое при аналоговой обработке с целью определения знаков цифровых кодов, соответствующих сигналам датчиков.

Если абсолютные значения сигналов (1) равны или превышают , то им соответствуют только два значения кода — 0 или . Вследствие этого происходят изменения коэффициентов аналого-цифрового преобразования и функциональных зависимостей получаемых цифровых кодов от измеряемого углового перемещения и возникают значительные погрешности измерения, которые могут достигать .

Поскольку измеряемые синусно-косинусными датчиками параметры определяются отношением двух сигналов, погрешности возникают при искажении любого из сигналов. Поэтому условием отсутствия больших погрешностей, т. е нормального режима преобразования, являются неравенства

(3)

Искажения сигналов синусно-косинусных датчиков происходят также вследствие их

квантования при аналого-цифровом преобразовании. При этом значения угловых перемещений определяются как

Фя = агс^

где Щ = \"2У = 2а:-1;

3. Определяют абсолютные значения сигналов датчиков , . Это делается с по-

мощью следующих логических операций:

(4)

где и — погрешности квантования, и возникает погрешность измерения

V

если . N<1 > N0 ;

АФ = — 2-лг(Авсо8Ф + Дс8ІпФ). (5) |ІУС| = Щ - ЛТ'С и |ЛГ6.| = Щ -

и,

Эта погрешность имеет наибольшее значение при , т. е. в случае ра-

венства абсолютных значений сигналов датчиков. Поскольку и принимают значения 0 и , оно составляет

ДФ„, = ^2-Л'

(6)

где . Отсюда следует, что нали-

чие погрешности, превышающей заранее заданное значение , определяется условием

|Е/с|<Е/д, |С/я|<С/д.

(7)

где £/д =

-Л;

Дф*

значение опорного сиг-

нала, соответствующее заданному пороговому значению погрешности .

При использовании предлагаемого способа обработки сигналов синусно-косинусных датчиков выполняют следующие операции:

1. Производят аналого-цифровое преобразование сигналов синусно-косинусных датчиков (1)

иг = 1Тт СОЙ Ф . ич = 1Тт 8ІІ1 Ф .

(8)

в результате чего получают цифровые коды

-.л

К- = (ит 008 Ф + и0) —

1Л

(9)

І\Л, = (ит 8ІпФ + и0) —

где — смещение сигналов, вво-

димое при аналоговой обработке с целью определения знаков цифровых кодов, соответствующих сигналам датчиков, N — разрядность используемого аналого-цифрового преобразователя;

2. Определяют значения сигналов датчиков в цифровом виде

МС = М'С

щ.

N. = Ы'я

Щ.

(10)

если Жс . N3 < N0 ;

(11)

(12)

4. Вводят опорные сигналы и сравнивают абсолютные значения сигналов датчиков (12) со значениями опорных сигналов. При выполнении условий

т <м{, |іуя| <м{

(13)

определяют режимы работы датчиков, соответствующие опорным сигналам с наименьшим значением. Если ни один из опорных сигналов не удовлетворяет условиям (7), определяют режим, при котором сигналы датчиков превышают диапазоны входных сигналов аналого-цифровых преобразователей.

Для определения оптимальных режимов работы датчиков значение опорного сигнала выбирают равным М = 2ЛГ_1 — (4... 8), чтобы не сужать диапазоны изменения преобразуемых сигналов (1). При определении режимов работы датчиков, связанных с появлением недопустимо больших погрешностей измерений, задают наибольшее значение погрешности , которое допускается при оптимальных режимах работы, и, исходя из него, определяют значение соответствующего опорного сигнала

М = -г——2-Л

АФ*

(14)

Для определения отказов, связанных с обрывами и замыканиями в цепях возбуждения датчиков и приводящих к пропаданию сигналов, значения опорных сигналов выбирают равными нескольким единицам младших разрядов используемых цифровых кодов. В частности, при значение опорного сигнала

может быть равным .

В магнитном компасе, в котором используется описанный способ, сформированы служебные сигналы, которые отражают текущие режимы работы датчиков, которые дают возможность принимать соответствующие

решения, а именно: при определении оптимальных режимов работы датчиков использовать поступающую от датчиков измерительную информацию для точного количественного контроля измеряемых параметров; в режимах, связанных большими погрешностями, использовать измерительную информацию только для качественного контроля параметров; в режимах, связанных с перегрузками на входах аналого-цифровых преобразователей, не производить обработку сигналов датчиков; при определении отказов преобразователей производить отключение от источников питания и проверку устройств. На данный способ получен патент [6].

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ АЛГОРИТМА УМЕНЬШЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКОЙ ПОГРЕШНОСТИ

Целью моделирования явилось изучение следующих вопросов:

1) влияние порядка (числа отводов) фильтра на выходной сигнал фильтра;

2) степень подавления креновой помехи в показаниях курса.

Для проведения имитационного моделирования алгоритма фильтрации было написано программное обеспечение на языке C++. Входными данными являлись: полезный сигнал, имитирующий изменяющийся во времени курс, с наложенным рысканием:

в(А:) = 0,002А: + 3 8т(|А:-щ), (15)

где — дискретное время; опорный сигнал, который представляет собой синусоиду, имитирующую бортовую качку, сигнал помехи,

определяемый как

х(к) = 1,848т(2,5(/г - 48°) • . (16)

1ои

Входной сигнал фильтра является суммой полезного сигнала и помехи с амплитудой, не совпадающей с х(к). Кроме того, ее фаза сдвинута на произвольное значение (48°), поскольку в общем случае постоянная времени каналов измерения курса и крена могут не совпадать.

(1{к) = з(к) + 12 8т(2,5А: • . (17)

1ои

По результатам моделирования был получен график зависимости времени вхождения в трубку точности от порядка фильтра (рис. 1). Из результатов следует, что при том, что качка — это стационарный процесс, для удовлетворительной фильтрации вполне хватит фильтра с порядком 100 отсчетов. Тогда время адаптации будет равняться 2200 отсчетам при дискретности 0,05 с или 110 с.

Аналогичным образом выполнено построение зависимости точности фильтрации в установившемся режиме от порядка фильтра (рис. 2).

ОЦЕНКА СТАТИЧЕСКОЙ ПОГРЕШНОСТИ МАГНИТНОГО КОМПАСА

Суммарная погрешность измерения магнитного курса при нормальном распределении погрешностей может быть представлена в виде:

Де = ^Ддие + Дет > (18)

где , — соответственно динамическая

и статическая составляющие погрешности измерения.

Рис. 1. Зависимость времени вхождения в трубку точности 1° от порядка фильтра

Рис. 2. Зависимость точности фильтрации от порядка фильтра

Статическая погрешность может быть представлена в виде суммы:

Дет у Дц.к. ^ост.дев. ^магн.д. ^дп > (19)

где Ди.к., Д0Ст.дев., Амагн.д, Ддп соответственно погрешности измерительного канала, остаточной девиации, погрешность, вызванная разбросом параметров магнитной датчика и погрешность, вызванная разбросом параметров дистанционной передачи. Для современных компасов Дмагн.д. = Ддп = 1°-

Остаточная девиация учитывается при применении вычислителя и вводе его в измерительный канал системы управления движением. Выполним оценку погрешности измерительного канала. Для нормальной работы синусно-косинусных датчиков необходимо, чтобы значения их сигналов удовлетворяли условию

\ис\<и0, \Щ<и0, (20)

при этом для обеспечения высокой точности измерения параметров амплитуды сигналов датчиков должны находиться в диапазоне

ит = (0,85 — 0,95)?7о . (21)

Если амплитуды сигналов датчиков малы по сравнению с , происходит относительное увеличение значений шагов квантования при аналого-цифровом преобразовании и значительно возрастают погрешности измерений. Например, если используется 10-разрядный аналого-цифровой преобразователь ( )

и сигналы синусно-косинусного датчика равны 11с = 0,Шо и Из = 0,25?7о, то вычисленное по формуле (3) значение измеряемого угла составит Фдх = 15,524°. С учетом квантования сигналов значение измеряемого угла будет определяться по формуле (4). В этом случае при и значение измеряемого угла станет равным ,

т. е. погрешность, обусловленная квантованием сигналов, составит .

Это значение вполне соответствует хорошей точности измерения параметров. Однако, если сигналы датчика уменьшатся в 10 раз, т. е. примут значения и ,

то при прочих равных условиях значение измеряемого станет равным Фдз = 16,768°, а соответствующая погрешность составит Фдз — . Это значение погрешности не позволяет считать измерения точными и требует либо коррекции, либо исключения соответствующих результатов измерений.

Таким образом, мы можем представить оценку изменения статической погрешности:

Д«.т игч = \/1.2442 + 22 + I2 + I2 = 7.547° .

(22)

Дгг обр = ч/0.1412 + 0,12 + I2 + I2 = 2.03°.

(23)

где — исходная статическая погрешность, — статическая погрешность по-

сле обработки.

ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ОЦЕНКИ

ПОГРЕШНОСТИ МАГНИТНОГО КОМПАСА

Экспериментальная оценка проводилась в два этапа: заводские испытания и ходовые ис-

пытания. Испытания в полном объеме проводились в сертифицированной магнитной лаборатории Катав-Ивановского приборостроительного завода. Экспериментальная установка представляет собой корабельный компасный нактоуз, который установлен на платформу, способную качаться в продольной (дифферент) и в поперечной (крен) плоскости с заданными на пульте управления установкой амплитудными углами. Креновая девиация создавалась прикрепленным к нактоузу стальными брусками.

Регистрация проводилась при помощи компьютера по данным интерфейса обмена данными ММЕЛ-0183. На физическом и канальном уровне использовался интерфейс И8-232.

Результаты замеров представлены на рис. 3. Эталонный курс определялся в исходном состоянии перед началом работы стенда качки.

Из представленных данных видно, что курс после фильтрации в гораздо большей степени соответствует эталонному. Уменьшение креновой помехи с периодом 10 с производится в 15 раз.

Ходовые испытания проведены на катере проекта 1400 войсковой части 9881 Северо-Кавказкого Пограничного управления ФСБ России. Их целью являлась проверка соответствия компаса требованиям технических условий ТУ и удобства его эксплуатации в реальных условиях.

Были выполнены четыре замера. Результаты представлены на рис. 4-7. На рис. 4,5 представлены графики замеров при качке до

9°. На рис. 6,7 представлены графики замеров при качке до 3 .

Ходовые испытания проводились в два этапа:

проверка функционирования компаса на прямых курсах;

проверка погрешности после изменения курса и циркуляции на 180°.

Ветер — 270°, до 10 м/с, море — 2-3 балла, видимость — 4 мили, облачность — 6-9 баллов, при скорости в 15,5 узлов. Результаты в виде графиков приведены на рис. 4-7.

В качестве эталонного курса был использован астрономический курс. Его определение производится с точностью 2’. Результаты измерений курса магнитным компасом снимались визуальным способом. По результатам можно сделать вывод, что магнитный курс после обработки в гораздо большей степени соответствует эталонному. Во всех режимах и условиях, в которых проводились испытания суммарная погрешность курса после испытаний не превысила значения в 2°, что хорошо согласуется с расчетным значением.

ВЫВОДЫ

Предложенный метод увеличения точности измерений параметров курса позволяет за счет снижения дисперсии измеренных значений параметров обнаружить и исключить измерения, произведенные с низкой точностью, что в свою очередь позволит обеспечить встроенный контроль целостности при измерении магнитного курса.

- Курс до фильт рации

— Курс после фильтрации

Э

Время, с

Рис. 3. Результаты испытаний в магнитной лаборатории

Рис. 4. Ходовые испытания при качке до 9°, при удержании судна на курсе 130°

Рис. 5. Ходовые испытания при качке до 9°, при удержании судна на курсе 310°

-Эталонный

курс

Курс с картушки Курс после обработки

Замеры

Замеры

Рис. 6. Ходовые испытания при качке до 3°, при удержании судна на курсе 94°

-Эталонный курс Курс с картушки Курс после обработки

Рис. 7. Ходовые испытания при качке до 3°, при удержании судна на курсе 308°

Проведено имитационное моделирование адаптивного фильтра в канале измерения магнитного курса и произведена оценка эффекта от его применения. Получены зависимости степени подавления помех и скорости сходимости выходного сигнала фильтра от его порядка. Установлено, что для компаса повышение числа отводов фильтра более 100-110 не дает значительного эффекта. В результате моделирования получены данные о степени подавления креновой периодической помехи. Для фильтра с порядком 110 отсчетов при частоте дискретизации 20 Гц креновая помеха с периодом 8 секунд подавляется примерно в 15 раз.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ривкин, С. С. Стабилизация измерительных устройств на качающемся основании / С. С. Ривкин. М.: Наука, 1978. 180 с.

2. IMO. International Martime Organisation (IMO) [Электронный ресурс] (www.imo.org).

3. Воронов, В. В. Магнитные компасы. Теория, конструкция, девиационные работы / В. В. Воронов, Н. Н. Григорьев, А. В. Яловен-ко. С-Пб : Элмор, 2004. 82 с.

4. Кардашинский-Брауде, Л. А. Морской магнитный компас России на рубеже тысячелетий / Л. А. Кардашинский-Брауде. СПб. : Штурманские приборы, 2006. 140 с.

5. Хлюстин, Б. П. Девиация магнитного компаса / Б. П. Хлюстин. Л. : Гострансиздат, 1935. 224 с.

6. Алимбеков, А. Л. Способ определения режимов работы синусно-косинусных датчиков. Пат. 2310167 РФ, МКИ G01 С 25/00 / А. Л. Алимбеков, Н. П. Рогатых [и др.]. 2005114В47. Заявл. 16.05.2005. Опубл. 10.11.2007. Бюл. 31.

7. Алимбеков, А. Л. Метод повышения точности и надежности измерительных систем / А. Л. Алимбеков, Г. Г. Куликов, Р. И. Алимбеков, П. С. Котенко // Полет. М. : Машиностроение, 2007. № 9. С. 34-38.

ОБ АВТОРАХ

Рогатых Николай Павлович,

ст. науч. сотр., вед. науч. сотр. НИИ техн. систем «Пилот». Дипл. инж.-электромех. по электр. машинам (УГАТУ, 1976). Канд. техн. наук по эл-там и устр. систем упр. (там же, 1983). Иссл. в обл. датчиков и систем ориентации подв. объектов.

Алимбеков Азат Лиерович,

асп. каф. АСУ. Дипл. инж.-сист. по выч. машинам, комплексам, системам и сетям (УГАТУ, 2003).