Размещено на http://www.allbest.ru/

Военный учебно-научный центр военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (ВУНЦ ВВС «ВВА»)

Проблемы интеграции МАГНИТНЫХ ДАТЧИКОВ В навигационнУЮ системУ беспилотных летательных аппаратов малого класса

Д.А. Ишутин, Д.В. Степанов, Д.Д. Ишутин

Аннотация

магнитометр навигационный система измеритель

Для устранения недостатков известных навигационных систем (инерциальных и спутниковых) и увеличения точности и надежности решения навигационных задач БЛА, в статье рассмотрен вариант комплексной навигационной системы, в состав которых входят измерители (датчики) навигационных параметров инерциальной, спутниковой и магнитной навигационных систем. Описаны проблемы, с которыми столкнулись авторы при интеграции магнитометра в комплексную навигационную систему.

Ключевые слова: навигационная система, магнитный датчик, автоматическая калибровка датчика.

Abstract

Problems of integration of MAGNETIC sensor In navigating system of pilotless flying machines of a small class

To eliminate the shortcomings of the known navigation systems (inertial and satellite) and to increase the accuracy and reliability of the navigational tasks of the UAV, the article considers a variant of the integrated navigation system, which includes sensors (sensors) for the navigation parameters of the inertial, satellite and magnetic navigation systems. The problems that the authors encountered when integrating the magnetometer into the integrated navigation system are described.

Keywords: navigation system, magnetic sensor, automatic calibration sensor.

Введение

Одной из основных систем современных БЛА является навигационная система. В зависимости от решаемых задач при синтезе навигационной системы могут использоваться различные принципы навигации, которые и обуславливают аппаратурный состав системы. Для большинства БЛА основными системами, используемыми для навигации, являются инерциальная (ИНС) и спутниковые радионавигационные системы (СРНС), которые имеют известные достоинства и недостатки, основными из которых являются накопление ошибок позиционирования с течением времени для ИНС и подверженность естественным и искусственным помехам для СРНС. Для устранения указанных недостатков и увеличения точности и надежности решения навигационных задач, в статье предлагается вариант комплексной навигационной системы (КНС), в состав которых входят измерители (датчики) навигационных параметров, принцип действия которых основан на различных физических явлениях: ИНС + СРНС + магнитометр [1]. Кроме того, в статье описаны проблемы, с которыми пришлось столкнуться авторам при интеграции в состав комплексной системы ИНС и магнитометра.

Состав предлагаемой комплексной навигационной системы

Ограничительным фактором при обосновании состава КНС БЛА (а значит и её характеристик, в т. ч. точности!) является масса полезной нагрузки, устанавливаемой на БЛА, в зависимости от выполняемых задач. Например, если масса полезной нагрузки БЛА более 10 килограммов, то в качестве КНС БЛА возможно рассматривать, например, новейшую БИНС-СП-2 (масса не более 2,5 кг) и магнитометр типа МА 8. Но для БЛА, масса полезной нагрузки которого не превосходит 3,5-4 кг (семейство БЛА Орлан), создатели навигационных систем БЛА вынуждены искать альтернативные решения. Для решения данной проблемы автор предлагает в качестве магнитных датчиков КНС БЛА малого класса использовать модуль GY - 273 - 3-x осевой магниточувствительный датчик HMC5883L, а в качестве ИНС - MPU-5060 (гироскоп с акселерометром) фирмы Honeywell.

Реализацию GPS-модуля предлагается выполнить на базе GLONASS, GPS и QZSS приемника LEA-6N швейцарской компании U-Blox в паре с российским МНП-М7
(на микросхеме ADSP-BF534 компании Analog Devices) (Рис.1).

а) б) в)

Рис. 1 Внешний вид: а) модуль GY - 273 (HMC5883L) фирмы Honeywell; б) MPU-5060 фирмы Honeywell; в) GPS-модуль LEA-6N компании U-Blox МНП-М7

Цифровой компас GY-273 на чипе HMC5883L фирмы Honeywell с 12-разрядным АЦП и разрешением 2 мГc имеет низкое рабочее напряжение, малое энергопотребление (напряжение питание составляет 2.2-3.6 В), обладает высокой скоростью опроса - до 160 раз в секунду, с точностью определения углов ориентации <1 градуса, диапазон измерения магнитного поля - ±8 Гаусс. Невысокая стоимость магниточувствительного датчика способствует его популярности среди радиолюбителей.

В отличие от навигационных систем серийно выпускаемых БЛА (например «Орлан 10»), для снятия показаний с датчика использован микрокомпьютер Raspberry Pi 3 model B. После подготовки микрокомпьютера и написания оригинального скрипта для получения данных с магнитометра на языке программирования Python, магнитометр подключается к микрокомпьютеру, при этом на экране видеомонитора наблюдается изменение снимаемых показаний напряженности внешнего магнитного поля с трёх ортогональных осей датчика при изменении его пространственного положения. (Рис.2).

Рис. 2 Снимаемые с датчика HMC5883L показания напряженности внешнего магнитного поля при изменении его пространственного положения

Для лучшей визуализации процесса был разработан скрипт, позволяющий наблюдать на экране видеомонитора изменение направления стрелки магнитного компаса без необходимости проведения математических операций пользователем (Рис. 3).

Рис. 3 Наблюдаемая на экране видеомонитора стрелка магнитного компаса

Сверка полученных результатов визуализации магнитометра HMC5883L с показаниями механического магнитного компаса показала первую проблему, с которой столкнулись авторы - магнитометр имеет значительную (более 50 градусов!) погрешность определения направления на магнитный полюс Земли.

Вывод: при интеграции магнитного датчика в КНС БЛА обязательно необходима его калибровка!

В различных источниках литературы описаны множество примеров калибровки магнитных датчиков, однако не все они, по мнению авторов, применимы на практике. Методом «проб и ошибок» были найдены два наиболее приемлемых, с точки зрения практической реализации, метода калибровки магнитометра HMC5883l:

1. Автоматический метод - основан на принципе построения корректировочной матрицы из облака значений для корректировки снимаемых показаний с датчика.

2. Ручной метод - основан на фиксации снимаемых показаний со всех осей магнитометра через макетный стенд и вычисления сдвигов по трём осям с помощью программы MagMaster.

Применение автоматического алгоритма проведения калибровки магнитного датчика позволило достаточно быстро получить корректировочную матрицу, при этом полученные калиброванные показания магнитометра более точные по сравнению со вторым методом калибровки. С помощью корректировочной вычисляются актуальные значения напряженности внешнего магнитного поля (получаются путем умножения значений, считанных с датчика, на рассчитанную корректировочную матрицу). Суть алгоритма калибровки заключается в аппроксимации облака полученных значений вектора напряженности внешнего магнитного поля (при вращении датчика) в виде эллипсоида. При этом параметры эллипсоида подбираются таким образом, чтобы они максимально точно совпадали с полученным облаком точек, построенных на основе показаний магнитометра. Для получения облака значений с трёх осей датчика был написан скрипт (Рис.4), собирающий снимаемые показания с трёх осей датчика в текстовый файл.

Рис. 4 Часть программы для получения облака значений с трёх осей магнитометра

Для получений достоверного результата необходимо собрать в текстовом файле около 30 тысяч строк с данными. Для сбора данных датчик следует вращать во всех направлениях около 20 минут. Для визуализации собранного облака значений напряженности внешнего магнитного поля была использована программа Google Sketch UP c плагином CLOUD, в которой был получен вытянутый по оси Y эллипсоид (в идеале должен иметь форму шара, тогда бы можно было обойтись и без калибровки) (Рис.5). Полученные таким образом значения параметров магнитного поля, собранные в текстовом файле (около 30 тысяч строк) обрабатываются с помощью программы Magneto, которая позволяет получить величину смещения, коэффициенты масштаба и коэффициенты для ортогонализации осей магнитометра (Рис.6).

Рис. 5 Облако собранных значений напряженности внешнего магнитного поля в программе Google Sketch UP

Рис. 6 Результат обработки полученного облака значений в программе Magneto

В данной программе рассчитанные параметры выводятся в готовом к использованию виде, без необходимости дополнительных преобразований. После проведения калибровки показания магнитометра стали повторять показания магнитной стрелки механического компаса с погрешностью менее 1 градуса.

Необходимо отметить, что стоит магнитометру придать наклон по двум его осям, показания стрелки компаса «уплывают», данный эффект объясняется наличием магнитного наклонения и увеличения его значения от экватора к полюсам Земли [1, 2].

Для компенсации наклона магнитометра, чтобы показания курса БЛА соответствовали реальным, необходимо знать углы наклона по двум осям. Возможно определение этих углов расчетным путем [3], однако это потребует увеличение вычислительных мощностей и включение дополнительных блоков, что в условиях ограниченной массы полезной нагрузки БЛА не всегда возможно. В качестве внешних независимых источников данных о повороте магнитометра можно использовать гироскоп с акселерометром MPU-5060. Данный датчик оснащён 16-битным АЦП, имеет напряжение питания 3-5В, диапазон ускорений: ± 2 ± 4 ± 8 ± 16g, диапазон «гиро»: ± 250 500 1000 2000 ° / s, ток при работе составляет 5.3 мА.

Для объединения двух датчиков и организации их работы в едином комплексе, было доработано программное обеспечение для магнитометра с учетом его наклона. Для поворота вектора были применены матрицы поворота, после чего погрешность ориентации магнитометра уменьшилась до 1 градуса. Кроме того, для смягчения вращения стрелки компаса был использован упрощённый фильтр Калмана.

Заключение

Анализ проведенной работы показал, что магнитометр GY - 273 нельзя однозначно назвать цифровым компасом, кроме того, основным недостатком магнитных датчиков остается подверженность магнитным помехам [4], которые могут оказать существенное влияние на их функционирование. В статье предложен алгоритм проведения процедуры калибровки и комплексирования магнитометра с гироскопом и акселерометром (MPU-5060), в результате авторы получили приемлемые результаты измерений курса БЛА (менее 1 градуса).

Литература

1. Белоглазов И.Н. Основы навигации по геофизическим полям / И.Н. Белоглазов, Г.И. Джанджагва, Г.П. Чигин. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1985. 328 с.

2. Гетеромагнитная микроэлектроника: Сб. докл. и ст. II и III науч.-техн. совещ. / Под общ. ред. проф. А.А. Игнатьева. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2005. Вып. 2. Методы проектирования магнитоэлектронных устройств. 196 с.: ил.

3. Гурьев И.С. Адаптивные магнитометрические системы контроля пространственного положения. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1985. 96с.

4. Ишутин Д.А. Перспективы развития навигационных систем крылатых ракет на основе использования магнитного поля Земли / Д.А. Ишутин, Д.В. Степанов, А.А. Головков. Сборник трудов XXIII Международной НТК «Радиолокация, навигация и связь», ВГУ, Воронеж, 2017. т.3, с. 869-873.

Размещено на Allbest.ru