Номер части:
Журнал
ISSN: 2411-6467 (Print)
ISSN: 2413-9335 (Online)
Статьи, опубликованные в журнале, представляется читателям на условиях свободной лицензии CC BY-ND

АВТОНОМНЫЙ БЛОК КУРСОВЕРТИКАЛЬ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЕРВИЧНЫХ АЛГОРИТМОВ



Науки и перечень статей вошедших в журнал:
DOI:
Дата публикации статьи в журнале:
Название журнала: Евразийский Союз Ученых, Выпуск: , Том: , Страницы в выпуске: -
Автор:
, ,
Автор:
, ,
Автор:
, ,
Анотация:
Ключевые слова:                              
Данные для цитирования: . АВТОНОМНЫЙ БЛОК КУРСОВЕРТИКАЛЬ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЕРВИЧНЫХ АЛГОРИТМОВ // Евразийский Союз Ученых. Технические науки. ; ():-.

Рынок беспилотных летательных аппаратов (БЛА) — бурно растущий сегмент рынка авиатехники, в котором активно работают не только ведущие авиационные державы мира, но и многие развивающиеся страны. На основе беспилотных летательных аппаратов (БЛА) создаются комплексы для разведки и контроля местности и объектов, проведения видео-, фото- съемки, получения информации об излучении радиоэлектронных средств, дозиметрического контроля и другой информации в режиме реального масштаба времени с высоты «птичьего полета», транспортировки и сброса по команде оператора малогабаритных грузов в заданную точку. Одной из бурно развивающихся разновидностей БЛА являются мультикоптеры. В целом, мультикоптеры — весьма привлекательный своей универсальностью, экономичностью и простотой тип беспилотников, который в ближайшем будущем может потеснить на рынке БЛА традиционной вертолетной схемы.

В настоящее время подобные аппараты уже становятся неотъемлемым и востребованным «оружием» во многих подразделениях правоохранительных органов, спецназа, ГАИ, прокуратуры и МЧС, а также повседневным инструментом для средств массовой информации, фото-киноиндустрии и т.п.

«Перспектива в разработке САУ БПЛА заключается в создании «интеллектуальной» авионики, имеющей программное обеспечение, способное при отказах каких либо систем выбирать альтернативные алгоритмы управления для продолжения полета» [4, 85].

В связи с этим был разработан макетный образец системы управления курсовертикали на основе микромеханических датчиков для системы автоматического управления полётом беспилотного летательного аппарата (БПЛА) массой до 1 т, в качестве резервной системы ориентации. Актуальность данной работы обусловлена перспективностью и постоянно растущим спросом на БПЛА, в состав систем управления полётом которых входит, в частности, курсовертикаль.

Цель данной работы —  разработка курсовертикали, способной выполнить задачу ориентации БПЛА в случае отказа основных навигационных систем.

Для достижения поставленной проблемы выполнены следующие задачи:

  1. Разработан макетный образец платы курсовертикаль.
  2. Определен порядок работы с датчиком для получения объективной информации в реальном масштабе времени и трансляции её на процессор вычислительного устройства.
  3. Установлено программное обеспечение и проведены стендовые испытания разработанного изделия с устранением выявленных ошибок.
  4. Проведено исследование разработанной системы, выявлены и устранены все недочеты.

На основании анализа проведённого в данной тематике, руководствуясь поставленным требованиям и опираясь на сделанные выводы, выберем аппаратную базу для курсовертикали.

Блок микромеханических гироскопов и акселерометров

Устройство состоит из трёхосевого микромеханического гироскопа и трёхосевого микромеханического акселерометра выполненных в едином корпусе устройства. Работа с устройством осуществляется по последовательному периферийному интерфейсу SPI в цифровом виде.

Вычислитель

В качестве устройства вычисления  использовали микроконтроллер MMstm32F407 фирмы PROPOX. MMstm32F407  – универсальный мини-модуль представляет собой завершенную, готовую к использованию платформу на базе высокопроизводительного процессора ARM Cortex-M4F микроконтроллера STM32F407 с тактовой частотой до 168 МГц. Данный вычислитель основан на базе высокопроизводительного процессора  Cortex-M4. Это встраиваемое процессорное ядро компания ARM представила в феврале 2010 года. Ядро разработано для систем, требующих простое в применении устройство, сочетающее функции управления и цифровой обработки сигнала. Благодаря высокоэффективной цифровой обработке сигнала, малому энергопотреблению, низкой стоимости и простоте применения микросхемы на основе подсемейства Cortex-M подходят под наши задачи наилучшим образом.

Магнитометр

Для вычисления магнитного курса использовали трёхосевой магнитометр Honeywell HMR2300r-422. Устройство выполнено в бескорпусном варианте, в виде платы с микросхемой датчика и стандартным последовательным портом RS422 для коммуникации с ним.

Алгоритм ориентации

Данный алгоритм составлен по материалам ОАО «Авионика».

Рассматриваемая курсовертикаль предполагает использование интегрирующих гироскопов и акселерометров. Точность гироскопов для высокодинамичных объектов, должна быть не хуже нескольких единиц градусов в час, а частота съёма информации с интегрирующих датчиков должна составлять 100-200 Гц.

В качестве параметров ориентации выбран кватернион, который пересчитывается в матрицу направляющих косинусов перехода инерциальной системы координат в связанную. Расчёт углов ориентации выполняется по матрице направляющих косинусов и приведён в шаге 10. Счисление параметров ориентации выполняется в прямоугольной системе координат (ИСК), начало которой выбирается в точке старта изделия, но может быть смещено.

Ориентация определяется относительно осей ИСК, поэтому углы, определяемые в БИНС, отличаются от углов относительно текущей плановой земной системы координат, но могут быть пересчитаны. Данное отличие не превышает одного градуса на каждый угол смещения ЛА по широте и долготе относительно начала координат ИСК. В алгоритм заложена сферическая модель параметров модели Земли. Считается, что она достаточно точно учитывает влияние ускорения земного притяжения, поэтому расчет широты и долготы текущего положения ЛА не требуется.

Счисление параметров ориентации выполняется по информации о малых конечных поворотах, получаемых от интегрирующих гироскопов и приращениях кажущейся скорости, получаемых от интегрирующих акселерометров.

«Источником такой информации служат датчики линейного ускорения (ДЛУ). Основные погрешности системы маятниковой коррекции возникают в результате действия постоянных или медленно меняющихся ускорений» [3, 154-155].  В алгоритме принято допущение о том, что изменение конечных поворотов и приращений кажущейся скорости на шагах съема информации с датчиков является линейным. В связи с этим алгоритм курсовертикали является двухшаговым, то есть для каждого шага решения алгоритма учитывается два шага съема информации с датчиков, что соответствует представлению процессов изменения малых поворотов и приращений кажущейся скорости на шагах решения алгоритма полиномами первого порядка. При этом обеспечивается счисление параметров ориентации с точностью до малых третьего порядка. Это означает, что при уменьшении шага дискретизации по времени вдвое, повышение точности алгоритма, в смысле уменьшения вносимых им ошибок за счет приближенности решения, возрастает примерно на порядок.

Разработанный блок курсовертикали имеет размеры 160мм. х 80мм. х 55мм. Данные размеры связаны с использованием блока курсовертикали на тестируемом оборудовании. Данный блок размешается в БПЛА, где место ограничено, он должен быть с наиболее минимальными размерами. Возможность работы с трёхосевыми микромеханическими датчиками ADIS16365, ADIS16488 и др. Диапазон рабочего напряжения: 6 ~ 23В. Энергопотребление 950мА при 12В входного напряжения. Диапазон рабочих температур блока курсовертикаль от 0°С до +60°С. Для быстрой отладки вычислителя MMstm32F407 сделаны разъемы в торце корпуса и дублирующие разъемы самой отладочной платы.

АВТОНОМНЫЙ БЛОК КУРСОВЕРТИКАЛЬ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЕРВИЧНЫХ АЛГОРИТМОВ

Рисунок 1. Блок гировертикали, вид сверху.

На данной фотографии блок гировертикали, но при использовании внешнего модуля магнитометра, устройство можно превратить в курсовертикаль.

Исследование курсовертикали и результаты

Были проведены лабораторные испытания готового изделия на поворотном столе. Цель эксперимента заключалось в том, чтобы убедиться, что устройство правильно отрабатывает заданные углы крена, тангажа, правильность показаний напряжения на датчике, во время испытаний.

Данные, которые мы получили, представлены в виде графиков.

АВТОНОМНЫЙ БЛОК КУРСОВЕРТИКАЛЬ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЕРВИЧНЫХ АЛГОРИТМОВ

Рисунок 2. Напряжение на датчике ADIS16365.

Как мы видим на данном графике, показания напряжения стабильно держится в пределах 5В ±3%.

Тесты проводились с использованием алгоритма ориентации. Задача эксперимента, заключалась в проверки правильности работы алгоритма. Для этого на поворотном столе устройство курсовертикали наклоняли на -20о по крену и тангажу и записывали полученный результат на флешкарту.

АВТОНОМНЫЙ БЛОК КУРСОВЕРТИКАЛЬ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЕРВИЧНЫХ АЛГОРИТМОВ

Рисунок 3. Результаты испытаний блока курсовертикаль. а) крен. б) тангаж.

Из графиков видно, что полученные данные соответствуют заданным отклонениям. Погрешность в пару градусов связана с человеческим фактором и погрешностью самого поворотного стола.

Испытания курсовертикали на малом БПЛА

Задачей испытаний заключалось в записи данных на карту памяти и в дальнейшем получение информации с датчика. Считывание импульсов с датчика микроконтроллером STM32.

Тестирование оборудования происходило на БПЛА мультироторного типа, от компании DJI марки S1000+. Беспилотник имеет площадку для установки тестируемого оборудования 25см х 30см. Может поднимать оборудование весом до 5кг. Подниматься на высоту до 3км. Это было проверено в ходе тестовых испытаний самого БПЛА. Осуществлять облет с грузом по различным траекториям, заданным с командного пункта.

Было сделано 2 полета на октокоптере для проверки работы алгоритма и получения данных в полете. Полученные данные отобразили в виде графиков следующих значений: Крен, тангаж, угол рысканья, перегрузки (по 3-м осям), угловые скорости (по 3-м осям), температура и напряжение на датчике.

АВТОНОМНЫЙ БЛОК КУРСОВЕРТИКАЛЬ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЕРВИЧНЫХ АЛГОРИТМОВ

Заключение

Таким образом, разработанное устройство на базе платы вычислителя  MMstm32F407 и трёхосевого датчика ADIS16365, показало свою работоспособность наилучшим образом. В результате испытаний блок курсовертикали подтвердил правильность схемотехнических решений и работоспособность алгоритмов. Для оценки работоспособности курсовертикали проводились многочисленные испытания, в ходе которых выявлялись и были устранены различные ошибки и недочеты, допущенные на этапах разработки системы. В ходе испытаний удалось добиться оптимальных параметров работы курсовертикали.

Были проведены 3 вида испытаний: лабораторные, наземные и летные испытания с использованием БПЛА. В лаборатории на стенде были заданы соответствующие углы, крена тангажа и угла рысканья для данного блока, чтобы посмотреть, как курсовертикаль отрабатывает записанный алгоритм в процессор платы MMstm32F407. В ходе испытаний была получена информация с датчика  ADIS16365, такая как угол рысканья, крен, тангаж, перегрузки (по 3-м осям), угловые скорости (по 3-м осям), температура,  напряжение на датчике.

Список литературы:

  1. Бусурин В.И. Исследование характеристик микрооптоэлектромеханического преобразователя угловых скоростей. / В.И. Бусурин, А.В. Казарьян, А.Т. Фам – М.: Вестник МАИ, 2015. — Т. 22, № 1. — C. 29-37.
  2. Качанов Б.О. Адаптивный алгоритм вычислителя гировертикали
    беспилотного летательного аппарата / Качанов Б.О., Кулабухов В.С., Туктарёв Н.А., Гришин Д.В. // Томский государственный университет
    систем управления и радиоэлектроники   №3. Вып. 37. С 150-155.
  3. Патент №2564380 С1. Способ коррекции бесплатформенной инерциальной навигационной системы // Заец В.Ф., Кулабухов В.С., Качанов Б. О., Туктарев Н.А., Гришин Д. В.; Заявитель и патентообладатель Открытое акционерное общество Московский научно-производственный комплекс «Авионика» имени О.В. Успенского (ОАО МНПК «Авионика»); заявл. 05.2014; опубл. 27.09.2015.
  4. Прокопьев И. В., Бецков А. В. Структура системы управления беспилотных летательных аппаратов специального назначения // НиКа . 2012. № С.84-85.[schema type=»book» name=»АВТОНОМНЫЙ БЛОК КУРСОВЕРТИКАЛЬ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЕРВИЧНЫХ АЛГОРИТМОВ» description=»Целью работы, являлось создание макетного образца курсовертикали для исследований первичных алгоритмов, состоящего из платы вычислителя MMstm32F407 и датчика ADIS16365. Провести ряд испытаний, включающих в себя лабораторные испытания на поворотном столе и тестирование в полёте на БЛА. В результате испытаний блок курсовертикали подтвердил правильность схемотехнических решений и работоспособность алгоритмов.» author=»Кулабухов Владимир Сергеевич, Туктарёв Николай Алексеевич, Гришин Дмитрий Викторович, Перепелицин Антон Вадимович» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2016-12-18″ edition=»euroasia-science_28.04.2016_4(25)» ebook=»yes» ]
Список литературы:


Записи созданы 6780

Похожие записи

Начните вводить, то что вы ищите выше и нажмите кнопку Enter для поиска. Нажмите кнопку ESC для отмены.

Вернуться наверх