Размещено на http://allbest.ru

На правах рукописи

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Электронный магнитный горизонткомпас для систем управления маневренных объектов

Специальность 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

Aрхипов Владимир Алексеевич

Казань 2009

Работа выполнена в ОАО «Научно-производственный комплекс «ЭЛАРА» имени Г.А. Ильенко» г. Чебоксары

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент, Потапов Анатолий Андреевич ГОУ ВПО «Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева», г. Казань

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Солдаткин Владимир Михайлович ГОУ ВПО «Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева», г. Казань

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Даутов Осман Шакирович ГОУ ВПО «Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева», г. Казань

доктор технических наук, профессор Савельев Валерий Викторович ГОУ ВПО «Тульский государственный университет», г. Тула

Ведущая организация: ГУП «Государственный научно-исследовательский навигационно-гидрографический институт» г. Санкт-Петербург. Защита состоится 24 июня 2009г. в 15.30 часов на заседании диссертационного совета Д212.079.04 при ГОУ ВПО «Казанский государственный технический университет (КГТУ) им. А.Н. Туполева» по адресу: 420111, г. Казань, ул. К. Маркса, 31/7

Отзывы на автореферат просим присылать по адресу: 420111, г. Казань, ул. К.Маркса,10, КГТУ им. А.Н. Туполева, ученому секретарю диссертационного совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева, с авторефератом - на сайте университета: http:// www.kai.ru

Автореферат разослан « 22 » мая 2009г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук, доцент Линдваль В.Р.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Непрерывное расширение видов и количества транспортных средств и других подвижных объектов - наземных и воздушных, надводных и подводных, морских и речных обусловливает возрастание требований к средствам измерения навигационных параметров, определяющих их текущее местоположение и траекторию движения по маршруту.

Основным навигационным параметром движения подвижного объекта по маршруту является курс, характеризующий в плоскости горизонта угловое положение продольной оси объекта относительно привязанной к земной поверхности системы отсчета. В земной географической системе координат используют понятия истинного курса, отсчитываемого от направления географического меридиана в месте расположения подвижного объекта или азимута, отсчитываемого от заранее известного направления в плоскости местного горизонта. При использовании в качестве базовой системы отсчета направление вектора напряженности магнитного поля Земли определяется магнитный курс. При задании базового направления отсчета за счет искусственно созданного направления распространения радиотехнического, оптического или иного сигнала в качестве параметра, определяющего направление движения подвижного объекта используют радиотехнический или астрономический курс.

Значительный вклад в разработку методов и средств измерения курса различных подвижных объектов внесли: Белавин О.В., Воробьев Л.М., Григорьев В.В., Гурьев И.С., Дегтярев Н.Д., Джанджгава Г.И., Зеленков С.В., Ишлинский А.Ю., Кардашинский - Брауде Л.А., Магнусов В.С., Одинцов А.А., Оривкин С.С., Павлов А.В., Пельпор Д.С., Пешехонов В.П., Помыкаев И.И., Рыбалтовский Н.Ю., Сайбель А.Г., Селезнев В.П., Суминов В.М., Терехов И.Н., Тихменев С.С., Хлюстин Б.П., Яновский Б.М. и другие отечественные ученые и специалисты.

Среди зарубежных исследователей следует отметить F. Aronowitz, G.Bahmeier, D.G. Egziabher, G.H.Elkain, J.P. Pawell, B.W.Parkinson и других.

В настоящее время на различных классах летательных аппаратов, наземных, надводных и подводных транспортных средствах и подвижных объектах используются различные по принципу действия и техническим характеристикам компасы - гироскопические, магнитные, гиромагнитные, астрономические, радиотехнические и т.д. и сложные локальные и глобальные навигационные системы.

Многообразие транспортных средств и подвижных объектов, в том числе управляемых экипажем или одним оператором с невысокой навигационной квалификацией определяют необходимость расширения арсенала средств измерения курса. При этом определяющими критериями конкурентоспособности приборов и систем измерения курса для ряда подвижных объектов являются автономность функционирования, малый вес и габариты, низкая стоимость и энергопотребление, достаточно высокая точность и способность интегрироваться в современные системы управления объекта, повышение безопасности управления подвижным объектом. Возрастающее множество объектов применения маневренных обусловливает перспективность создания унифицированных малогабаритных автономных датчиков курса, различающихся в основном качеством используемых функциональных элементов, алгоритмическим и программным обеспечением. Для определения курса маневренного объекта необходимо обеспечивать стабилизацию датчика курса в плоскости горизонта или иметь информацию об углах наклона этого датчика. При этом, особый интерес представляет построение системы измерения всех параметров угловой ориентации маневренного объекта, т.е. получение в одном устройстве информации о и курса, угловых крена и тангажа (дифферента). Такие устройства будем называть горизонткомпасами.

Объект исследования. Как показывает анализ, одним из перспективных направлений по оснащению систем управления маневренных объектов автономными малогабаритными средствами измерения угловой ориентации является создание унифицированного электронного магнитного горизонт компаса, построенного на основе феррозондовых магнитометров, с внутренней автоматической калибровкой и списанием, коррекцией влияния углов наклона подвижного объекта.

Предмет исследования. Создание унифицированного электронного магнитного горизонткомпаса (магнито-инерциального горизонткомпаса) предусматривает разработку теоретических основ построения, математического описания, алгоритмов функционирования, методов проектирования и обеспечения точности, особенностей применения электронного магнитного горизонткомпаса на различных подвижных объектах.

Целью диссертационной работы является обеспечение конкурентоспособности и расширение области применения унифицированного автономного электронного магнитного горизонткомпаса.

Научная задача диссертации заключается в разработке научно-обоснованной методики построения, проектирования, исследования и применения электронного магнитного горизонткомпаса.

Решение поставленной задачи научного исследования проводилось по следующим основным направлениям:

· Анализ современных требований средствам измерения обоснование принципов построения и эффективных областей применения электронного магнитного горизонткомпаса.

· Разработка теоретических основ построения, математического описания, алгоритмов функционирования и анализа точности электронного магнитного горизонткомпаса.

· Разработка методов анализа и синтеза электронного магнитного горизонткомпаса по точностным критериям

· Разработка особенностей и методов автоматической калибровки и списания девиации электронного магнитного горизонткомпаса на стендах, полигонах и подвижных объектах.

· Разработка методики моделирования и экспериментального исследования, рекомендаций по инженерному проектированию, производству и применению электронного магнитного горизонткомпаса на различных подвижных объектах.

Методы исследования. При решении поставленной задачи научного исследования использовались аппарат теории измерений и измерительных преобразователей, методы математического описания, анализа и синтеза измерительных систем, вероятностно-статической обработки результатов, статистического оценивания параметров и оптимальной фильтрации; математического моделирования и экспериментального исследования, методы навигации, матричного счисления,

Достоверность полученных результатов базируется на построении адекватных математических моделей, применении современных методов анализа и синтеза, на тщательной отработке алгоритмов при тщательном имитационном моделировании с использованием пакетов прикладных программ Matlab, Symulink, на согласованности теоретических положений с результатами стендовой калибровки и калибровки на подвижных объектах, с данными натурных испытаний, а также на опыте производства и применения электронного магнитного горизонт компаса на различных подвижных объектах.

Научная новизна и теоретическая значимость работы определяется следующими основными результатами:

· Разработаны методы анализа и синтеза структуры и параметров электронного магнитного горизонт компаса с учетом и его магнитных свойств.

· Разработаны математические модели, определяющие влияние параметров движения подвижного объекта, погрешностей датчиков первичной информации и магнитного наклонения на результирующую погрешность измерения магнитного курса.

· Получено обобщенное уравнение для тангенса угла магнитной девиации электронного магнитного горизонт компаса, в котором при определении курса кроме традиционного влияния магнито мягкого и твердого «железа» учитываются влияние углов наклона подвижного объекта и неточного их измерения, погрешностей от неортогональности входных осей магнитометров и других аддитивных и мультипликативных погрешностей.

· Разработаны методики автоматической калибровки электронного магнитного горизонт компаса на стенде, полигоне и подвижном объекте без внешней информации об углах наклона объекта с учетом неортогональности измерительных осей, собственного магнитного поля, аддитивных и мультипликативных погрешностей магнитометров.

· Разработаны имитационные модели, методики моделирования и исследования вариантов электронного магнитного горизонткомпаса различных подвижных объектов - судно на воздушной подушке, патрульный катер, маневренный корабль.

· Выработаны научно-обоснованные рекомендации по проектированию, изготовлению, калибровке и установке на подвижных объектах вариантов электронного магнитного горизонткомпаса.

Практическая ценность. Работа выполнялась в соответствии с заданиями Федеральной Целевой Программы «Развитие гражданской авиационной техники России на 2001-2010г.г. и на период до 2015года», приказом Федеральной Пограничной Службы (ФПС) от 16 мая 2003г. № 251 в рамках НИОКР ОАО «Научно-производственный комплекс «ЭЛАРА» имени Г.А. Ильенко».

Основными результатами определяющими практическую ценность работы, являются:

· Научно-обоснованная методика построения и инженерного проектирования электронного магнитного горизонткомпаса.

· Методика анализа точности и расчета погрешностей, обоснования требований к функциональным элементам электронного магнитного горизонткомпаса.

· Методики и результаты стендовой и натурной калибровки электронного магнитного горизонткомпаса различных подвижных объектов.

· Алгоритмическое и программное обеспечение, методики и результаты имитационного моделирования, стендовых и ходовых натурных испытаний, рекомендации по изготовлению и применению электронного магнитного горизонткомпаса в системах управления маневренных объектов, по совершенствованию и расширению области эффективного применения.

На защиту выносятся:

1. Научно-обоснованная методика построения, математического описания, проектирования и исследования электронного магнитного горизонткомпаса с автоматической калибровкой и списанием девиации.

2. Методики автоматической калибровки электронного магнитного горизонткомпаса на стендах, полигонах и подвижных объектах без внешней информации об углах наклона объекта, с учётом собственного магнитного поля, неортогональности измерительных осей и погрешностей магнитометров.

3. Имитационные модели, методики и результаты моделирования и экспериментального исследования, разработки и применения вариантов электронного магнитного горизонткомпаса.

Реализация и внедрение результатов работы. Полученные научно-технические результаты внедрены на ОАО «Научно-производственный комплекс «ЭЛАРА» имени Г.А. Ильенко» при разработке и производстве модификаций электронного магнитного горизонткомпаса, которые устанавливаются в системах управления маневренных объектов: на экраноплане «Акваглайд-5», на судах ФПС России «Чилим», «Меркурий», на корвете «Стерегущий», теплоходах «ЭЛАРА», «ЛЕНА».

Ряд полученных результатов используется в учебном процессе Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева при подготовке инженеров по специальностям, «Авиационные приборы и измерительно-вычислительные комплексы», «Приборы и системы ориентации, стабилизации и навигации»

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на IV Российской научно-практической конференции «Современное состояние, проблемы навигации и океанографии» (г. Санкт - Петербург, 2001г.), научно-практической конференции Российского форума «Авиакосмические технологии и оборудование» (г. Казань, 2002г.), Международной научной конференции «Авиация и космонавтика - 2003» (г. Москва, 2003г.), Всероссийской научно-практической конференции «Авиакосмические технологии и оборудование» (г. Казань, 2004г.), XVI Научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» (г. Гурзуф, 2004г.), Международной научно-практической конференции «Авиакосмичсеские технологии и оборудование» (г. Казань, 2006г.), Международной научно-практической конференции «Современные технологии - ключевое звено в возрождении отечественного авиастроения» (г. Казань 2008г.), на научно-технических совещаниях в отраслевых институтах ГосНИНГИ, ГосНИИАС, НИИАО (2001-2008гг.), а также на НТС ОАО «Научно - производственный комплекс «ЭЛАРА» им. Г.А Ильенко» (2001-2009гг.) и расширенном заседании кафедры приборов и информационно - измерительных систем Казанского государственного технического университета им. А.Н Туполева, 2009г.

Личный вклад автора. Автором разработана научно-обоснованная методика построения, математического описания, проектирования и исследования электронного магнитного горизонт компаса с автоматической калибровкой и списанием девиации. Получено обобщённое уравнение для тангенса угла магнитной девиации и разработаны математические модели влияния параметров движения подвижного объекта, магнитного наклонения и погрешностей датчиков первичной информации на результирующую погрешность электронного магнитного горизонт компаса. Разработаны методы анализа, параметрического и структурного синтеза электронного магнитного горизонт компаса, методики его автоматической калибровки на стенде, полигоне и подвижном объекте, методика инженерного проектирования и рекомендации по моделированию, изготовлению, экспериментальному исследованию, применению в системе управления маневренных объектов и совершенствованию электронного магнитного горизонт компаса.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 12 печатных работах, в том числе в 2 статьи в научных журналах из списка ВАК, 2 статья в других изданиях, 6 материалов докладов. На предложенные технические решения получены 2 патента РФ на изобретение.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, приложения. Основное содержание диссертации изложено на 218 страницах машинописного текста, содержит 6 таблиц и 44 рисунка. Библиография включает 115 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы. Сформулирована цель работы и задача научного исследования, определены направления ее решения, дана общая характеристика работы.

В первой главе рассмотрены характеристики и модели магнитного поля Земли как источника измерительной информации при определении курса подвижных объектов.

Параметры магнитного поля Земли изменяются от широты местонахождения и расстояния от поверхности. Статистическая обработка результатов позволяет определить статические характеристики МПЗ, которые позволяют построить математические модели, характеризующие пространственно-временное распределение параметров магнитного поля Земли, которое может быть использовано для решения задач навигации и ориентации подвижных объектов. Однако использование таких моделей существенно затрудняют помехи, обусловленные наличием на подвижном объекте (ПО) источников магнитного поля, а также случайными флуктуациями и магнитными бурями самого магнитного поля Земли.

Проведена классификация физических величин, создающих магнитного курса помехи для чего была использована общепринятая упрощенная структурная схема средства измерения параметров магнитного поля в виде магнитоизмерительного преобразователя (МИП) и измерительной цепи, проанализированы типы погрешностей (аддитивных, мультипликативных) создаваемых различными физическими величинами. Отмечено, что применение методов защиты измерительных цепей от наводок их компенсация позволяют резко понизить эти погрешности.

Проведен анализ наиболее интенсивно разрабатываемых при особенности работы которых рассматриваются на примере

В курсовой системе трехкомпонентный магнитометр жестко связан с летательным аппаратом. Вычислитель по составляющим напряженности магнитного поля Н_х, Н_у, H_z,углам ланганжа и крена подвижного объекта и определяет магнитный курс в соответствии с уравнением

(1)

Данный подход обеспечивает практическую независимость определения курса от механических воздействий. Однако такая магнитная курсовая система требует дополнительной внешней информации об углах наклона подвижного объекта - углах крена и тангажа

(2)

Уравнения (2) показывают, что формируемые сигналы и по углам крена и тангажа всегда содержат накапливающиеся во времени погрешности, обусловленные погрешностями датчиков угловой скорости.

Проведенный анализ влияния внешних возмущений, связанных с действием магнитных помех, вносимых подвижным объектом и изменением его углов наклона, свидетельствует о определяет необходимости калибровки и и списания девиации, снижения накапливающихся погрешностей магнитного горизонткомпаса.

Анализ алгоритмов магнитных курсовых систем, позволил разработаны тьпринципы построения, способы повышения точности и обеспечения автономности и универсальности применения электронного магнитного горизонткомпаса (ЭМГ).

Принципиальной основой решения данной задачи стал разработанный в ОАО «Научно-производственный комплекс «ЭЛАРА» имени Г.А Ильенко» при непосредственном творческом участии автора способ измерения магнитного курса подвижного объекта (ПО) (Патент RU № 2130588С1), реализуемый в электронном магнитном горизонткомпасе, приведенном на рис.1..



Рис.1. Структурная схема электронного магнитного горизонткомпаса

Разработаны способ и устройство компенсации электромагнитной девиации ЭМГ (Патент RU № 2210060С2), сущность которых основывается на однозначном определении параметров уравнения Пуассона, описывающего напряженность магнитного поля однородно намагниченного ферромагнитного объекта в точке размещения чувствительных элементов электронного горизонткомпаса.

Предложенные способы измерения магнитного курса и цифровой компенсации электромагнитной девиации являются базой методов повышения точности и расширения области эффективного применения ЭМГ на различных подвижных объектах. Показано, что создание конкурентоспособного унифицированного ЭМГ определяет постановку научной задачи по разработке научно-обоснованной методики построения, математического описания, системного проектирования, исследования и применения электронного магнитного горизонткомпаса в системах управления маневренных объектов.

Вторая глава посвящена теоретическим основам построения и проектирования ЭМГ.

Разработан ряд алгоритмов вычисления магнитного курса и углов наклона подвижного объекта с использованием информации от датчиков угловой скорости, показания которых практически не зависят от линейного ускорения подвижного объекта (ПО) - основного возмущающего фактора при определении углов наклона.

Отмеченный ряд алгоритмов определения углов ориентации подвижного объекта включает:

· алгоритмы определения углов ориентации ПО по сигналам датчиков одного вида - датчиков угловой скорости или акселерометров;

· алгоритмы определения углов ориентации на основе комплексирования показаний датчиков разного вида: магнитометров, датчиков угловой скорости и акселерометров, например вида

(3)

где

- показания акселерометров и магнитометров; - ускорение силы тяжести и вертикальная составляющая магнитного поля Земли. T - знак транспонирования.

Разработанные алгоритмы определения углов наклона подвижного объекта позволили построить алгоритмы определения магнитного курса подвижного объекта без накапливающихся погрешностей, обусловленных погрешностями датчиков угловой скорости и акселерометров и являются теоретической основой решения задач анализа и синтеза различных вариантов ЭМГ. навигационный горизонткомпас магнитный калибровка

Получены модели электромагнитных помех, вносимых подвижным объектом, анализ которых показал, что при проведении измерений при периодических кренах с периодом 5-15 с можно осуществить компенсацию помех. Показана возможность разделить помехи и по результатам эталонных измерений определить их параметры с последующей компенсацией алгоритмическими и аппаратными средствами с учетом места установки магнитометров на конкретном объекте.

Как дальнейшее развитие формулы А.Смита получена обобщенная математическая модель тангенса угла магнитной девиации

, (4)

где A, B, C, D, E - коэффициенты девиации, J_m - угол магнитного наклонения, _m - истинный магнитный курс, v₁₁ … v₃₃ , q_{1 ,} q₃ - приведенные параметры магнитомягкого и магнитотвердого «железа» подвижного объекта:

(5)

Полученное соотношение для тангенса магнитной девиации, в отличие от формулы А. Смита, учитывает:

· погрешность недокомпенсации магнитомягкого «железа»;

· погрешность недокомпенсации магнитотвердого «железа»;

· аддитивные и мультипликативные погрешности работы магнитометров;

· погрешности неортогональности входных осей магнитометров;

· погрешности измерения или неточного ввода углов наклона подвижного объекта (углов крена и тангажа).

Разработанная обобщенная математическая модель магнитной девиации ЭМГ позволяет обоснованно проводить его калибровку и списание девиации, решать другие задачи по повышению точности измерения магнитного курса.

Получены аналитические соотношения и расчетные зависимости для анализа и синтеза ЭМГ, определяющие характер изменения основных составляющих погрешности ЭМГ при различных вариантах его построения.

Третья глава посвящена разработке методик списания девиации ЭМГ.

Разработана методика автоматической трехмерной калибровки ЭМГ на основе рекурсивного способа определения параметров магнитного эллипсоида. Данная методика не требует для компенсации магнитной девиации знания фактического магнитного курса и позволяет определять необходимый (для данного подвижного объекта) калибровочный маневр, что существенно упрощает процесс калибровки, обработки результатов, повышает точность определения параметров магнитной девиации и ее последующего списания. Калибровка и последующее списание магнитной девиации ЭМГ сводится к определению параметров магнитного эллипсоида результирующей напряженности магнитного поля в месте установки блока магнитометров при калибровочных маневрах подвижного объекта с последующей коррекцией показаний магнитометров по вычисленным координатам центра эллипсоида.

Применение разработанной методики весьма перспективно на беспилотных, малоразмерных и сверхлегких летательных аппаратах, высокоманевренных кораблях, катерах, яхтах и т.п.

В качестве основного подхода к устранению накапливающейся погрешности при определении углов ориентации и существенному уменьшению шумов различной природы был выбран метод комплексирования показаний магнитных и инерциальных датчиков.

Реализация принципа комплексирования и оптимальной фильтрации по Калману позволила существенно повысить точность автономного определения углов наклона подвижного объекта, а, следовательно, существенно снизить погрешность ЭМГ. На рис. 2. приведен график остаточной погрешности Дг комплексной системы (магнито-инерциального датчика угла крена) с фильтром Калмана, на выходе которого формируются две оценки: оценка погрешности работы кинематического алгоритма и оценка скорости "дрейфа" этого алгоритма.

Рис. 2. Погрешность оценки угла крена комплексной системой с фильтром Калмана

Как показывают результаты моделирования, фильтр Калмана даже в упрощенной постановке, достаточно успешно решает задачу оценки скорости "дрейфа" и погрешности работы кинематического алгоритма.

Рассмотренные выше методики калибровки основаны на использовании магнитного курса , в то время как на выходе ЭМГ выдается компасный курс , который отличается от истинного на величину остаточной погрешности (девиации) . Предложен подход и разработаны алгоритмы компенсации остаточной девиации электронного магнитного горизонткомпаса на основе использования компасного курса, выдаваемого ЭМГ. Получены соотношения, позволяющие вычислять значения девиации (с точностью до величин первого порядка) и автоматически использовать ее в качестве поправки к показаниям ЭМГ. При этом истинный магнитный курс выражается через компасный курс как:

 (6)

На рис. 3. приведен график изменения девиации электронного магнитного горизонткомпаса на разных курсах движения подвижного объекта, вычисленных: по обобщенной формуле А. Смита - кривая "2" и после автоматического введения (по формуле 6) поправки - кривая "1". Результаты моделирования свидетельствуют об эффективности предложенного подхода.

Рис. 3. График изменения остаточной девиации

Предложенные подходы и полученные алгоритмы позволяют учитывать влияние магнитных помех, вносимых подвижным объектом, погрешности определения его углового положения, остаточную магнитную девиацию, а, следовательно, обеспечить высокую точность и конкурентоспособность ЭМГ.

Четвертая глава посвящена прикладным вопросам проектирования ЭМГ.

Используя методику, предложенную Д.А. Браславским, получено соотношение для систематических погрешностей определения магнитного курса ЭМГ в виде:

(7)

где - множитель, определяющий влияние погрешностей измерения, определения и задания параметров, входящих в алгоритм вычисления магнитного курса; - систематические составляющие погрешностей измерения (определения, задания) параметров х_i; - погрешности канала обработки.

При допущениях о некоррелированности случайных составляющих погрешности ЭМГ соотношение (7) справедливо для дисперсий

(8)

где , - дисперсии погрешности определения магнитного курса и измерения (определения, задания) параметров х_i.

Соотношения (7), (8) позволяют анализировать влияние погрешностей измерения первичных информативных сигналов на погрешность определения магнитного курса.

При анализе точности ЭМГ целесообразно раздельное исследование магнитометрического канала, связанного с измерением составляющих напряженности магнитного поля Земли и влиянием параметров P, Q, R_З, H_З, Z_З магнитотвёрдого и магнитомягкого «железа» подвижного объекта, и влияние инерциального канала, связанного с измерением углового положения и других параметров движения подвижного объекта.

Для исследования влияния магнитометрического и инерциального каналов получена модель методической погрешности электронного магнитного горизонткомпаса в виде:

, (9)

где - курс подвижного объекта, , - погрешности определения соответствующих проекций вектора напряженности магнитного поля Земли.

Проведенное исследование методической погрешности ЭМГ позволило получить математические модели, учитывающие влияние измерения местоположения подвижного объекта на точность определения магнитного курса.

Полученные оценки методической погрешности определяют особенности применения ЭМГ в различных районах Земли. Показано, что погрешности из-за неточности ориентации осей чувствительности магнитометра и акселерометра целиком воспроизводятся ЭМГ, поэтому к ним следует предъявлять высокие требования. При этом изменение координат местонахождения подвижного объекта приводят к увеличению погрешности измерения ускорений.

Магнитометры, установленные на подвижном объекте, позволяют измерить составляющие вектора напряженности магнитного поля Земли на оси связанной системы координат. Углы крена и тангажа (дифферента), определяемые по информации о составляющих вектора напряженности магнитного поля Земли Т_х=Т₁, Т_y=Т₂, Т_z=Т₃ и ускорений по осям связанной системы координат , , с учетом являются функциями вида

(10)

Тогда систематическая погрешность определения магнитного курса будет иметь вид:

(11)

Как видно из соотношений (10), (11), при определении углового положения подвижного объекта по сигналам магнитометров и акселерометров погрешность определения магнитного курса не содержит накапливающихся во времени составляющих, что весьма важно для использования ЭМГ в системах дальней навигации.

Разработанные модели влияния систематических и случайных погрешностей датчиков первичной информации и устройства обработки информативных сигналов на погрешность определения магнитного курса, позволяют обоснованно решать задачи анализа и синтеза ЭМГ по точностным критериям. Разработана методика обоснования требований к функциональным элементам ЭМГ, которая позволяет на начальном этапе проектирования с учетом назначения и особенностей применения подвижного объекта осуществлять подбор элементной базы горизонткомпаса.

Как показывает анализ, дисперсия погрешности определения магнитного курса, обусловленная случайной погрешностью акселерометров, используемых для определения углов наклона подвижного объекта, должна в первую очередь эффективно фильтроваться, например, с помощью линейного оптимального фильтра Винера, структура и параметры которого определяются по разработанной методике.

В пятой главе приведены основные результаты разработки, экспериментального исследования ЭМГ.

Разработаны имитационная модель, алгоритмы калибровки и вычисления курса ЭМГ, которые позволяют исследовать влияние характеристик магнитометров и акселерометров на его работу, отработать алгоритмическое, информационное и программное обеспечение, исследовать влияние линейных и центростремительных ускорений на точность вычисления курса, анализировать работу каналов определения углов крена и тангажа (дифферента) подвижного объекта и их влияние на погрешность определения курса, проводить визуальное отображение информативных сигналов.

Результаты проведенного имитационного моделирования подтверждают эффективность разработанного алгоритмического и программного обеспечения, позволяют проводить стендовую калибровку и автоматическое списание девиации ЭМГ.

Используя результаты исследования, в ОАО «Научно-производственный комплекс «ЭЛАРА» имени Г.А. Ильенко», при непосредственном творческом участии диссертанта, на базе меры магнитной индукции ММИ-2Р и комплекта проверочной аппаратуры КПА-5 создан стенд для формирования эталонного однородного магнитного поля с возможностью как программного, так и ручного изменения магнитного курса в диапазоне 0-360^о и изменения углов наклона магнитного поля и наклонов блока датчиков ЭМГ.

Разработанные математические модели и алгоритмы, методы проектирования и рекомендации реализованы при создании горизонткомпасов серии ДС-83. В настоящее время ОАО «Научно - производственный комплекс «ЭЛАРА» имени Г.А. Ильенко» серийно выпускает ЭМГ серий ДС-83(Г, К, ПК), ДС-83-01(К, ПК), ДС-83-02(К, ПК).

На рис. 4. показаны внешний вид блока датчиков (а), блока управления и индикации (б) электронного магнитного горизонткомпаса ДС-83К.

а б

Рис.4. Электронный магнитный горизонткомпас ДС- 83К

Электронный магнитный горизонткомпас серии ДС-83 обеспечивает измерение и индикацию курса и углов наклона (качки) подвижного объекта, имеет возможность отображать отклонение от фиксированного курса и наличие магнитной аномалии.

ЭМГ серии ДС-83 используется в составе системы управления высокоскоростного маневренного катера А125 (ОАО «Морской завод Алмаз» г. Санкт-Петербург), скоростного теплохода А45 (ОАО «Зеленодольский завод им. А.М. Горького»), морского буксира «Инженер В.Ф. Фадеев» (ОАО «Северное пароходство», г. Санкт-Петербург), в составе системы управления катера на воздушной подушке «Чилим», в составе оборудования экраноплана «Акваглайд-5» (ЗАО «АТТК» г. Нижний Новгород). На всех приведенных выше маневренных объектах проведены швартовные и ходовые испытания, подтвердившие работоспособность и эффективность применения ЭМГ.

На рис.5. приведена схема взаимодействия электронного магнитного горизонткомпаса ДС 83-02П с системой штурвального и автоматического управления маневренного объекта.

В таблице 1 приведена штурманская карта электронного магнитного горизонткомпаса ДС 83-02КП при работе системы размагничивания корабля, когда имеет место мощная пространственная магнитная помеха.

Рис.5. Блок схема резервного включения ДС 83-02П в систему штурвального и автоматического управления маневренного объекта (ЭКНИС - Электронно-картографическая навигационная информационная система)

Результаты натурных испытаний, приведенные в таблице, свидетельствуют о высокой эффективности работы горизонткомпаса в комплекте с компенсатором электромагнитной девиации КЭД (коэффициенты A, B, C, D, E - соответствуют оценкам «отлично» как в выключенном состоянии, так и во включенном состоянии обмоток размагничивания объекта). При этом ЭМГ выдает информацию о курсе с погрешностью не более одного градуса (также как и при отсутствии воздействия мощной магнитной помехи).

Проведенные стендовые испытания, натурные испытания ЭМГ на различных типах кораблей и судов, подтверждают адекватность разработанного алгоритмического и программного обеспечения, позволяющего проводить калибровку и автоматическое списание девиации.

Штурманская карта при включенной системе размагничивания корабля

Электронный магнитный горизонткомпас серии ДС-83 включен в Российский морской регистр судоходства, акт свидетельствования головного образца изделия № 04.50020.130 МФ РФ, а также имеет «Допуск» № 103-3.7.1-06 Российского Речного Регистра для применения на судах и других объектах по установленному назначению в качестве путевого магнитного компаса.

Проведенные исследования позволили обоснованно выделить направления совершенствования ЭМГ, связанные с улучшением характеристик функциональных элементов, повышением эффективности алгоритмического обеспечения, реализацией принципов комплексирования и оптимальной фильтрации и определить направления для дальнейших исследований и разработок.

В приложении приведены листинги программ, результаты моделирования и акты внедрения результатов диссертационной работы при создании и применении разработанных вариантов электронного магнитного горизонткомпаса на различных маневренных объектов, а также в учебном процессе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Анализ перспектив развития транспортных средств и других подвижных объектов, методов и средств измерения курса, а также предложенные способы измерения магнитного курса и цифровой компенсации электромагнитной девиации свидетельствуют о перспективности создания и применения электронного магнитного горизонткомпаса, отличающегося автономностью функционирования, малым весом и габаритами, низкой стоимостью и энергопотреблением, способностью интегрироваться в современные системы управления.

2. Отсутствие научно-обоснованной методики построения, математического описания, системного проектирования, исследования и применения сдерживает разработку и внедрение в промышленность конкурентоспособных вариантов электронного магнитного горизонткомпаса, и определило постановку задачи научного исследования.

3. Разработанные теоретические основы построения, проектирования и исследования, алгоритмы обработки информации, обобщенная математическая модель девиации и основных составляющих погрешности являются базой для решения задачи анализа и синтеза электронного магнитного горизонткомпаса, его автоматической калибровки и обеспечения точности функционирования на различных маневренных объектах.

4. Разработанные методы автоматической калибровки, повышения точности автономного определения углов наклона подвижного объекта и компенсации остаточной девиации являются реальной базой для обеспечения высокой точности электронного магнитного горизонткомпаса в процессе эксплуатации.

5. Разработанные инженерные методики анализа результирующей погрешности и обоснования требований к функциональным элементам, а также алгоритмическое и программное обеспечение позволяет обоснованно проводить проектирование, моделирование и оценку эффективности различных вариантов электронного магнитного горизонткомпаса.

6. Результаты имитационного моделирования, изготовления и экспериментального исследования и применения опытных и промышленных образцов подтверждают адекватность разработанных моделей, методик и алгоритмов, эффективность предложенных подходов, методов проектирования и повышения точности, определяют области применения и направления совершенствования электронного магнитного горизонткомпаса.

7. Результаты исследования и разработки использованы при создании опытных и промышленных образцов электронного магнитного горизонткомпаса, которые применяются в составе систем управления теплохода «Лена», корвета «Стерегущий», катера «Меркурий», экраноплана «Акваглайд-5», судов на воздушной подушке «Чилим» и других маневренных объектов.

8. Применение вариантов электронного магнитного горизонткомпаса решает актуальную для судостроения, авиации, других отраслей промышленности задачу повышения навигационной безопасности и эффективности применения транспортных средств и других подвижных объектов при этом внедрение их в производство и эксплуатацию позволяет исключить закупку дорогостоящего зарубежного оборудования, что имеет существенное значение для экономики и обороноспособности страны.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в периодических изданиях, рекомендованных ВАК

1. Архипов В.А. Малогабаритная пилотажно - навигационная система/ Архипов В.А., Лебедев С.О., Олаев В.А., Порунов А.А., Потапов А.А., Солдаткин В.М. // Авиакосмическое приборостроение. - 2005. - № 11. - С. 14 - 21.

2. Архипов В.А. Обобщенная математическая модель девиации магнито-инерциального горизонткомпаса /Архипов В.А. // Известия вузов. Авиационная техника. - 2009. - № 1. - С.53 - 55.

Патенты на изобретения

3. Патент RU № 2130588 С1 (МКИ GO1С 21/08). Способ измерения магнитного курса подвижного объекта / В.А. Архипов, Н.К. Ветошкина, В.Ф. Зузлов, С.О. Лебедев, А.А. Потапов, В.А. Олаев; заявл. 23.04.1998; опубл. 20.05.1999. - Бюл. № 14.

4. Патент RU № 2210060 С2 (МКИ GO1С 17/38). Способ цифровой компенсации электромагнитной девиации для магнитного электронного компаса и устройство для его осуществления / С.О. Лебедев, Н.К. Ветошкина, А.А. Потапов, В.А. Архипов, Г.А. Ильенко, Р.М. Кушаев, В.М. Иванов, В.А. Олаев, М.А. Евдокимов; заявл. 01.01.2002; опубл. 01.01.2003. - Бюл. № 22.

Публикации в других изданиях

5. Архипов В.А. Магнитный горизонтокомпас ДС-83 как средство повышения эффективности навигационной безопасности /Архипов В.А., Лебедев С.О., Потапов А.А., Олаев В.А. // Сборник докладов IV Российской научно-практической конференции «Современное состояние, проблемы навигации и океанографии». - СПб.: ГНИНГИ МО РФ, - 2001. - С. 119 - 123.

6. Архипов В.А. Автономная навигационная система на базе магнитного компаса /Архипов В.А., Олаев В.А., Потапов А.А. // Сборник докладов научно-практической конференции Российского форума «Авиационные технологии и оборудование». - Казань: Издательство Казанского государственного технического университета, - 2003. - С. 135 - 143.

7. Архипов В.А. Автономная навигационная система на базе магнитного датчика курса с аэрометрической и спутниковой коррекции /Архипов В.А., Олаев В.А., Порунов А.А., Потапов А.А., Солдаткин В.М. // Материалы Всероссийской научно-практической конференции «Авиакосмические технологии и оборудование». - Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, - 2004. - С. 465 - 471.

8. Архипов В.А. Автономная навигационная система на базе магнитного компаса и аэрометрического канала коррекции /Архипов В.А., Олаев В.А., Порунов А.А., Потапов А.А., Солдаткин В.М.// Материалы XVI научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления». - М.: МГИЭМ. - 2004. - С. 235 - 237.

9. Архипов В.А., Олаев В.А., Лебедев С.О., Потапов А.А. Интегрированная магнито-инерциальная система ориентации летательного аппарата // Актуальные проблемы авиационных и аэрокосмических систем. 2007. Вып. №3(25). - С. 152-158 (на русском и английском языках).

10. Архипов В.А. Принципы и схемы построения комплексированной автономной навигационной системы /Архипов В.А., Олаев В.А., Порунов А.А., Потапов А.А., Солдаткин В.М. // Научно-практический сборник «Электронное приборостроение». - 2004. - Вып. 5(39). - Казань: ЗАО «Новое знание». - С. 16 - 27.

11. Архипов В.А. Коррекция креновых погрешностей магнито-инерциального горизонткомпаса /Архипов В.А. // Материалы Международной научно- практический конференции «Авиакосмические технологии и оборудование. Казань-2006». - Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, - 2006. - С. 164 - 165.

12. Архипов В.А. Списание девиации магнито - инерциального горизонткомпаса /Архипов В.А. // Материалы международной научно-практической конференции «Современные технологии - ключевое звено в возрождении отечественного авиастроения». - том2, Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та. - 2008. - С. 187- 192.

Размещено на Allbest.ru

...