Аппаратно-программный комплекс для изучения систем инерциальной навигации

Размещено на http://www.allbest.ru/

6

Аппаратно-программный комплекс для изучения систем инерциальной навигации

А.В. Моторин

В работе описан макет бесплатформенной инерциальной системы навигации, включающий в себя малогабаритный инерциальный измерительный модуль, микроконтроллер и персональный компьютер и предназначенный для исследования и изучения алгоритмов работы систем навигации.

Введение

Одно из современных направлений в навигационном приборостроении связано с разработкой интегрированных инерциально-спутниковых систем ориентации и навигации (ИНС), основанных на использовании информации от недорогих инерциальных измерительных модулей, включающих микромеханические чувствительные элементы (датчики угловой скорости и акселерометры), и внешние средства коррекции, наиболее распространенным из которых являются спутниковые навигационные системы [1,2]. При создании таких систем одной из наиболее важных составляющих является разработка математического обеспечения, включающего алгоритмы идеальной работы, позволяющие вырабатывать навигационные параметры и параметры ориентации, и алгоритмы коррекции, основанные, как правило, на использовании фильтров калмановского типа. В связи с этим существует насущная потребность в изучении студентами алгоритмов работы интегрированных инерциально-спутниковых систем [3]. Наиболее эффективный путь освоения таких алгоритмов предполагает их реализацию на примере конкретной аппаратуры. В работе представлен аппаратно-программный комплекс, включающий в себя малогабаритный инерциальный измерительный модель, микроконтроллер и персональный компьютер с установленным пакетом программ LabView. Предлагаемый комплекс предназначен для исследования и изучения алгоритмов идеальной работы инерциальных бесплатформенных систем ориентации и навигации и алгоритмов коррекции с использованием внешних данных.

Аппаратная часть

Аппаратно-программный комплекс включает в себя микроконтроллер TMS320 F28335 Experimenter Kit, блок микромеханических чувствительных элементов ADIS 16405 и персональный компьютер (ПК). Питание всех элементов комплекса, помимо ПК, производится от внешнего источника постоянного тока напряжением 12-36В. Схема подключения аппаратной части представлена на рисунке 1.

бесплатформенный инерциальный система навигация

Рис.1 Аппаратная часть комплекса.

Персональный компьютер используется для реализации алгоритмической части ИНС, о которой будет сказано ниже. Блок ADIS16405 производства Analog Devices (США) представляет собой инерциальный измерительный модуль (ИИМ), включающий в себя три микромеханических гироскопа, акселерометра и магнитометра. Он является источником инерциальных данных для аппаратно-программного комплекса. Важной особенностью является заводская калибровка чувствительности, смещения, ортогональности осей каждого из датчиков. В состав также входит встроенный источник опорного напряжения и датчик температуры, что позволяет реализовать режим термокомпенсации. При этом температурная стабильность гироскопов составляет 0,005°/с при изменении температуры на 1°C. ИИМ ADIS 16405 представляет собой готовый к установке и использованию измерительный прибор, предназначенный для определения проекций угловых скоростей и линейных ускорений в связанной системе координат изделия и выдачи информации потребителю.

Основные технические параметры ADIS16405 приведены ниже:

· Диапазон измерения угловой скорости: (программируемый) ±75°/с, ±150°/с, ±300°/с;

· Неортогональность осей гироскопов: <0,05°;

· Диапазон измерения ускорения: ±18g;

· Диапазон измерения магнитного поля: ±2,5Гс;

· 14-разрядные данные угловой скорости, ускорения, магнитного поля по всем трем осям;

· 12-разрядные данные температуры;

· Спектральная плотность шума:

· гироскопов: 0,05°/с/vГц;

· акселерометров: 0,5mg/vГц;

· магнитометров: 0,066мГс/vГц;

· Полоса пропускания: 330Гц;

· Рабочий температурный диапазон: -40…+85°C;

· Потребляемый ток: 70мА;

· Напряжение питания: 4,75..5,25В.

Для передачи информации и программирования используется четырехпроводной SPI-интерфейс. Интерфейс обеспечивает доступ к таким программируемым функциям, как частота дискретизации, управление питанием, проверка состояния датчиков, а также аварийная сигнализация. Однако такой интерфейс не позволяет напрямую считывать данные с датчиков на ПК, где реализуются алгоритмы идеальной работы и коррекции ИНС. Для преобразования интерфейсов и настройки датчиков используется плата микроконтроллера TMS320 F28335 производства Texas Instruments. Помимо преобразования интерфейсов использование такой платы оправдано по следующим двум причинам. Во-первых, через нее можно подключать другие датчики, в том числе и аналоговые, так как микроконтроллер TMS320 содержит собственный АЦП, во-вторых, при развитии комплекса возможно программирование алгоритмов работы ИНС непосредственно в микроконтроллер, что расширяет возможности комплекса. Помимо платы микроконтроллера другие датчики, имеющие последовательные интерфейсы COM или USB, такие как приемники СНС могут подключаться непосредственно к ПК.

Реализация алгоритмов

Алгоритмы реализованы в программном пакете LabVIEW. Это дает возможность разбивать их на наглядные функциональные блоки, а также быстро изменять и восстанавливать эти блоки. Такие возможности необходимы при использовании комплекса для обучения студентов. Кроме того использование Timed Loop позволяет выполнять итерации алгоритмов работы ИНС за точно определенный промежуток времени. Выполнение алгоритмов близко к работе в реальном времени. Также LabVIEW позволяет реализовать несколько циклов «Timed Loop» одновременно на различной частоте, что удобно при использовании датчиков с различной частотой выдачи информации.

На настоящее время в LabVIEW реализовано два алгоритма работы ИНС: первый - классический алгоритм работы БИНС, блок-схема которого показана на рисунке 2.

Рис.2 Блок схема алгоритма БИНС.

Второй - алгоритм гировертикали, основным отличием которого является наличие обратной связи по сигналам акселерометров (рисунок 3).

Рис. 3. Блок схема алгоритма бескарданной гировертикали.

Такая связь «привязывает» вертикаль к вектору ускорения силы тяжести, что дает устойчивость по углам качки.

При использовании реальных данных от блока ADIS 16405 ошибка в выработке навигационных параметров этих алгоритмов быстро растет во времени из-за больших погрешностей датчиков. Для их проверки был разработан имитатор сигналов инерциальных датчиков [1]. Также такой имитатор позволит легче обнаруживать ошибки в работе студентов и позволит показать некоторые фундаментальные и специфические особенности алгоритмов БИНС. На рисунках 4, 5, 6 показаны ошибки в выработке углов ориентации, составляющих линейной скорости и координат первым алгоритмом на интервале времени 84 минуты при моделируемом смещении нуля восточного гироскопа 0,001 є/с.

Рис. 4. Ошибки в выработке углов ориентации

Рис. 5. Ошибки в выработке составляющих скорости

Рис. 6. Ошибки в выработке координат

При моделировании полагалось, что ИИМ неподвижен и ориентирован на север в плоскости горизонта. На графиках хорошо видны такие особенности как шулеровские колебания по углам и составляющим скорости и нарастающая погрешность по курсу. Также видно, что такое смещение нуля приводит к сильному дрейфу навигационного решения. Наглядная демонстрация таких особенностей и есть одна из основных задач комплекса.

Развитие

В ближайшем времени планируется доработать математическое обеспечение аппаратно-программного комплекса с целью реализации в полном объеме алгоритмов идеальной работы бесплатформенной навигационной системы, использующей данные гироскопов и акселерометров, и алгоритмов ее коррекции, в том числе, и с использованием блока магнитометров ADIS 16405 и реальной приемной аппаратуры СНС.

Следует отметить, что комплекс обладает хорошими перспективами развития, как из-за возможности подключения большого числа различных датчиков, так и в плане развития программного обеспечения. В частности, может быть реализовано следующее:

· алгоритмы коррекции по данным СНС в соответствии с сильносвязанной схемой обработки [2];

· алгоритмы коррекции по данным от альтернативных источников внешней информации, таких как точечные ориентиры и видеоизображения [4];

· другие алгоритмы навигации с использованием инерциальных датчиков, например, алгоритмы «пешеходной» навигации [5];

В части развития программного обеспечения следует отметить возможность программирования микроконтроллера платы TMS320 F28335 Experimenter Kit.

Заключение

Представлен разрабатываемый аппаратно-программный комплекс, предназначенный для исследования и изучения алгоритмов идеальной работы бесплатформенной инерциальной системы и алгоритмов ее коррекции с использованием внешних данных. Комплекс предусматривает возможность приема информации от различных чувствительных элементов с использованием различных интерфейсов, реализацию алгоритмов обработки навигационных данных на ПК в среде LabVIEW и визуализацию полученных результатов. При этом обеспечивается реализация параллельных циклов обработки информации на различных частотах в одном алгоритме, интерактивная отладка алгоритмов без разрыва связи с ЧЭ, наглядное представление, как самой схемы обработки, так и получаемых с ее использованием конечных и промежуточных результатов, запись в файл результатов работы алгоритмов и данных ЧЭ. Таким образом, комплекс предоставляет широкие возможности для обучения и исследования алгоритмов работы инерциальных и интегрированных бесплатформенных систем навигации.

Литература

1. Анучин О.Н. Интегрированные системы ориентации и навигации для морских подвижных объектов, / О.Н. Анучин, Г.И. Емельянцев (под общей ред. акад. РАН В.Г.Пешехонова) // СПб.: ЦНИИ "Электроприбор", 2003.

2. Степанов О.А., Основы теории оценивания с приложениями к задачам обработки навигационной информации, т. 2. // СПб.: ГНЦ ЦНИИ Электроприбор, 2012.

3. Kenneth Gade. NavLab, a generic simulation and post processing tool for navigation // European journal of navigation, v2, 2004.

4. C. Kessler , C. Ascher , M. Flad , G. F. Trommer, Multi-Sensor indoor pedestrian navigation system with vision aiding//, Гироскопия и навигация, 2012

5. C. Ascher, C. Kessler, M. Wankerl and G.F. Trommer, Dual IMU Indoor Navigation with Particle Filter based Map-Matching on a Smartphone,// 2010 International Conference on Indoor Positioning and Indoor Navigation (IPIN) p.1-5

Размещено на Allbest.ru