Архитектура и возможности системы пространственной ориентации беспилотных и сверхлегких летательных аппаратов на чувствительных элементах нового поколения

Введение. Конец ХХ и начало ХХI веков ознаменовались во всём мире бурным развитием беспилотных летательных аппаратов (БЛА) и пилотируемых сверхлёгких летательных аппаратов (СЛА). Штатная система ориентации любого летательного аппарата (ЛА) включает высокоточные чувствительные элементы-гироскопы и акселерометры, обеспечивающие решение различных задач, -определение координат мест положения объекта, определение параметров для его ориентации, стабилизации и прочее.

Современные навигационные системы, как правило, объединяют в себе ряд навигационных приборов, работающих на разных физических принципах. Это могут быть и приборы для определения высотно-скоростных параметров полёта, углов атаки, скольжения, тангажа и крена, выдающие информацию об ориентации летательного аппарата относительно вертикали на один из важнейших авиационных приборов – авиагоризонт, и приборы и системы для определения угловых скоростей и ускорений ЛА.

Прогресс в области беспилотных летательных аппаратов и сверхлегких летательных аппаратов в основном обусловлен следующими факторами:

• -    развитием новых серийно пригодных технологий для формообразования основных элементов планера – крыла и фюзеляжа;

• -    появлением системы глобальной навигации GPS и широким распространением малогабаритных приемоиндикаторов GPS;

• -    микроминиатюризацией элементов вычислительной техники – процессоров и памяти.

Управление ЛА заключается в управлении положением центра масс платформы (траекторное управление) и в управлении ориентацией платформы относительно центра масс.

Траекторное управление осуществляется на основании измерений текущих координат платформы. Для управления ориентацией ЛА используют измерения углов ориентации – курса, тангажа, крена либо измерения угловых скоростей ЛА (без вычисления углов ориентации). Для измерения углов ориентации ЛА обычно используют позиционные гироскопы. Коррекцию уходов позиционных гироскопов проводят, опираясь на данные маятника (акселирометров) и магнитных датчиков. Другим способом получения углов ориентации является использование бесплатфор-менных инерциальных навигационных систем (БИНС) на основе гироскопических датчиков угловой скорости и акселерометров. Из-за высокой стоимости БИНС не получили распространения в БЛА и СЛА.

В настоящее время уровень микроминиатюризации бортового оборудования ограничивается габаритами и массой позиционных гироскопов для хранения местной вертикали, относительно которой отсчитываются крен и тангаж. Самая лёгкая гировертикаль МГВ-6 представляет собой цилиндр 090 ⋅ 150 массой 1,0 кг. Дальнейшее уменьшение массы гировертикали практически не возможно из-за сопутствующего гироскопического момента. В то же время общая масса всей авионики может быть на порядок меньше 0,1 кг. Аналогичное соотношение стоимостей: гировертикаль стоит не менее 5000$, в то время как приемник GPS не более 100 $, а твёрдотельный инерциальный датчик 60-70$.

Постановка задачи. В настоящей работе поставлена цель разработать систему (устройство) пространственной ориентации для БЛА и СЛА на основе современных миниатюрных твердотельных инерциальных датчиков, лишенных недостатков, присущих традиционным ИНС, и которые смогут стать основным прибором пилотажной навигации для БЛА и СЛА [1].

Разработка и создание опытного образца. Основным объектом исследования в данной статье является разработанное нами устройство, которое позволяет:

• -    определять угловое положение объекта с точностью не более ± 2,0 ⁰ по каналам крена, тангажа, курса;

• -    определять географическое положение ЛА по результатам измерений спутниковой радионавигационной системой с точностью 10 м;

• -    определять географическое положение ЛА в период между обновлениями данных от спутниковой радионавигационной системы с точностью 100 метров в минуту полета в условиях отсутствия данных от GPS.

Разработанное устройство состоит из блоков: инерциально-измерительный блок (ИИБ); трехкомпонентный магнетометр; приемник GPS, вычислитель и источник питания.

Инерциально-измерительный блок:

• -    диапазон измеряемых угловых скоростей от - 150 ⁰/с до +150 ⁰/с;

• -    диапазон измеряемых линейных ускорений по трем осям от – 2 g до + 2 g;

• -    напряжение питания – 5 В ± 10 %;

• -    ток потребления – 50 мА;

• -    эксплуатационный диапазон температур – 40 ⁰/С до + 50 ⁰/С.

Магнитометр:

• -    информация, получаемая от магнитометра должна обеспечивать ориен

тирование по сторонам света без использования информации от GPS ;

• -    питание блока – 5 В ± 10 %;

• - номинальный ток потребления – 50мА;

• -    эксплуатационный диапазон температур – 40 ⁰С до + 50⁰ С.

Приемник GPS:

• -    прием текущего значения широты;

• -    прием текущего значения долготы;

• -    прием текущего значения истинного курса;

• -    прием текущего значения высоты полета;

• -    прием текущего значения истинной скорости;

• -    прием текущего значения времени.

Вычислительное устройство:

• -    аналого-цифровое преобразование сигналов от датчиков ИИБ и трех-компанентного магнитометра;

• -    прием и обработку сигналов GPS по протоколу NMEA;

• - расчет углов крена, тангажа по информации от ИИБ;

• -    расчет магнитного курса;

• -    реализацию алгоритмов инерциальной навигации с коррекцией по показаниям спутниковой радионавигационной системы (СРНС).

С появлением на рынке новых миниатюрных чувствительных элементов во всем мире (по оценкам зарубежных аналитиков, в настоящее время 32 страны мира занимаются или выпускают БЛА) начались попытки создания на их основе дешевых приборов ИНС. В настоящее время в области компактных механических инерциальных датчиков доминирует технология MEMS (Micro – Electro Mexanical System), которая подразумевает изготовление на кристалле кремния микроскопических подвижных элементов и при совмещении с микроэлектронными технологиями позволяет создавать очень компактные, надежные и простые в эксплуатации датчики и не просто датчики, а «системы на кристалле» высокой степени интеграции [2].

В качестве датчиков для построения ИИБ были выбраны микромеханические датчики фирмы Analog Devices ADXR 150 и ADXL 103. На рис.1 представлена функциональная схема датчика ADXR 150. Основные характеристики датчиков приведены в таблице.

Рис. 1 Функциональная схема ADXR 150

Технические и точностные характеристики датчиков

Параметр	ADXRS 150	AXDL 103
Электропитание, В	5	5
Рабочий диапазон температур	-400 - +850	-400 - +1250
Скорость дрейфа, 0/с/Гц	0,05	-
Предел измерений	± 150 %	± 1,7 g
Чувствительность	12,5 mB/0/с	1 mg (на 60 Гц)
Частотный диапазон, Гц	40	10
Смещение нуля	-	± 25 mg
Смещение нуля от температуры	0,384 0/с/0С	± 0,1 mg/0С
Линейность в диапазоне, %	0,1	± 0,5
Уровень помех	0,05 0/с/Гц	110 µg/Гц
Температурная чувствительность	-	± 0,5 %
Чувствительность к ускорению	0,2 0/с/g	-

В качестве основного источника информации используется ИИБ, состоящий из трех взаимно перпендикулярных установленных акселерометров и гироскопов. Магнитометр 3-осевой представлен магниторезистивными датчиками фирм HONEY WELL или PHILIPS. Источником дополнительной информации служит приемник спутниковой радионавигационной системы (СРНС) GM-210, фирмы Holux. Приемник выдает стандартный набор навигационной информации в соответствии с протоколом NMEA-0183, с частотой 1 Гц.

Алгоритм работы разработанного устройства представлен на рис.2. Вычислительное устройство реализовано с помощью процессорного модуля на основе сигнального процессора TMS320F2812.

▼

Начальные настройки

Получение значений угловых скоростей и ускорений с учетом температурного дрейфа датчиков

Фильтрация данных

Формируем признак наличия / отсутствия ускорения в текущий момент

Формируем признак превышения значения текущей угловой скорости пороговой величиныугловой скорости при которой допускается приведение вертикали

Ускорение отсутствует и текущая скорость не превышает пороговой величины

Нет

Да

Вычисляются приведенные углы крена и тангажа по показаниям акселерометров

Дополнительные угловые скорости списывания разностей для углов крена и тангажа принимаются ра вными нулю

Вычисляются разности между текущими и приведенными углами крена и тангажа

Вычисляются дополнительные угловые скорости списывания полученных разностей для углов крена и тангажа

Есть информация от GPS

Нет

Вычисляется разность между текущим курсом и курсом от GPS

Дополнительная угловая скорость списывания разности для угла курса принимается равной нулю

Вычисляется дополнительная угловая скорость списывания полученной разности для угла курса

I

По текукщим и дополнительным угловым скоростям вычисляются новые значения крена, курса и тангажа

Рис. 2 Алгоритм работы разработанного устройства

Полученные результаты. Опытный образец испытывался в лабораторных условиях, Уфимского приборного завода на серийном испытательном стенде МПУ–1 АП–34Б (зав. № 4140). Получены следующие результаты:

• -    стабильность нуля не более - 10 % ;

• -    случайное блуждание нуля – 0,15 ⁰ r ;

• -    нестабильность масштабного коэффициента – 0,1 % ;

• -    полоса пропускания – 40 Гц.

Выводы. Проведённые испытания подтверждают:

• -    возможность применения микромеханических датчиков (МЕМS) при построении ИНС для беспилотных и сверхлёгких летательных аппаратов;

• -    применение микромеханических датчиков с использованием специальных методов обработки информации, которые позволяют обеспечивать точность, существенно превосходящую точность отдельного прибора;

• -    возможность создания недорогой ИНС на основе современных твердотельных инерциальных датчиков, лишенной существующих недостатков для БЛА и СЛА;

• -    возможность применения разработанной ИНС для микроспутников типа «Nana», доукомплектовав ее блоком термочувствительных элементов термодинамической системы ориентации и стабилизации [3]; точность определения углового положения микроспутников этого типа ± 5⁰ по каналам крена, тангажа, курса.