Экономика в промышленности Под редакцией профессора А. В. Ляшенко Саратов Издательство Саратовского университета 2016
|
Скачать 2.32 Mb.
|
МАГНИТОИНЕРЦИАЛЬНЫЙ МОДУЛЬ ДЛЯ НОВЫХ ПРИМЕНЕНИЙА. А. Лекарев, Д. М. Спиридонов, А. А. Игнатьев*, А. А. Солопов** ОАО «Институт критических технологий» Россия, 410040, Саратов, пр. 50 лет Октября, 110А E-mail: kbkt@renet.ru *Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского Россия, 410012, Саратов, Астраханская, 83 E-mail: kof@sgu.ru **ПАО «Тантал» Россия, 410040, Саратов, пр. 50 лет Октября, 110А E-mail: solopov@pao-tantal.ru В статье описаны состав, принцип действия, схемотехнические решения, назначение нового магнитоинерциального модуля. Кроме классического набора инерциальных измерителей (трехосного блока акселерометров и трехосного блока гироскопов) модуль включает в свой состав трехосный блок магнитометров, баровысотометрический датчик, прецизионный датчик температуры, приемник спутниковых сигналов и целый ряд вспомогательных и вычислительных устройств и узлов. Ключевые слова: мультисенсорный магнитоинерциальный модуль, трехосные блоки магнитометров, акселерометров, гироскопов, баровысотомер, приемник спутниковой навигационной системы, структурная и функциональная избыточность информации, навигация по магнитному полю Земли, автономная ориентация. Magnitoinertial Module for New Solution А. А. Lekarev, D. М. Spiridonov, А. А. Ignatiev, A. A. Solopov The article describes the structure, operation, scheme-technical solutions, purpose and application problems solved magneto-inertial module. The module, in addition to the classic set of inertial measuring devices (three-axle unit accelerometers and tri axial block gyroscopes) includes in its membership three-axle unit magnetometers, pressure sensor measures the height, a precision temperature sensor, integrated GPS/GNSS navigation system enhanced accuracy and a number of auxiliary and computing device sand nodes. Key words: multisensor magnitoinertsialny module; blocks tri axial magnetometers, accelerometers, gyroscopes, pressure sensor measures the height, GPS/GNSS, structura land functional redundancy of information, navigation through the magnetic fields of the Earth. Разработанный магнитоинерциальный модуль (МИМ-1) является новым измерительным инструментом для решения задач автономной навигации-ориентации по геофизическим полям Земли, который был продемонстрирован на мировом авиакосмическом салоне МАКС-2016 (г. Жуковский, 26–29 августа 2016 г.). На его встроенный вычислитель МИМ-1 возлагаются следующие функции:
Внешний вид МИМ-1 представлен на рис. 1. а б Рис. 1. Магнитоинерциальный модуль: а – общий вид; б – без кожуха и основания В состав разработанного МИМ входит целый ряд классических инерциальных измерителей, а также дополнительные измерительные устройства для реализации алгоритмов навигации, коррекции, ориентации подвижных объектов. Диапазоны измерения, разрешающая способность, температурный диапазон работы МИМ были выбраны исходя из конкретных требований, основанных на анализе динамики летательного аппарата и режимов его эксплуатации. Однако методы и подходы, использованные для реализации схемотехнических решений и программно-алгоритмического обеспечения, описанного в [1], могут быть использованы применительно ко многим типам задач. Блок-схема МИМ (далее – модуль), раскрывающая состав его функциональных элементов, изображена на рис. 2. Основными инерциальными измерителями являются два двухосевых акселерометра AD22293 и два двухосевых гироскопа ADXRS290. Для измерения проекций вектора напряженности МПЗ на оси связанной системы координат используется два двухосевых магниторезистора HMC1002. В состав модуля включен цифровой прецизионный датчик измерения рабочей температуры для последующей компенсации температурных дрейфов. Вышеупомянутые компоненты образуют в модуле блок измерителей (БИ). В качестве эталонного измерительного канала определения географических координат используется модуль спутниковой навигационной системы (СНС) с повышенной точностью позиционирования Δ  <� 1 м. Для коррекции высотного канала спутниковой системы и инерциальных измерителей по высоте в модуле установлен барометрический высотомер LPS331AP.Основной разъем (программирование, вывод данных, отладка) Блок измерителей (БИ) Субмодуль измерения и преобразования (СИП) 2D-акселерометр AD22293 2D-акселерометр AD22293 ФНЧ 2-го порядка Делительные цепочки на точных резисторах 2D-магниторезистор НМС 1002 1D-магниторезистор НМС 1001 Схема масштабирования смещения ФНЧ 4-го порядка 6-каналь-ный АЦП AD 73360 Микроконтроллер STM32F407 Cortex-M4 2D-гироскоп ADXSR290 2D-гироскоп ADXSR290 Баровысотомер LPS331AP Термодатчик TSYS01 GPS/GLONASS Модуль UBLOX NEO-7P UART 12S SPI SPI 12S Программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС) 4хARINC429 приемное устройство 1хARINCK429 передающее устройство RS-232 приемопередатчик RS-485 приемопередатчик DC-DC 27V–5V МИМ Блок интеграции в штатное пилотажно-навигационное оборудование (БИШПНО) USB-HUB FA1.1S Блок вычислителя периферии и спутниковой системы GPS/GNSS антенна ST- Link/V2 Program- mer Штуцер баровысотомера USB-UART FT234XD USB-UART FT234XD USB FS UART UART SWD 1 Рис. 2. Блок-схема МИМ: 1 – SPI/USART parallel code Ряд измерителей, установленных в модуле, имеет аналоговый выходной сигнал. Для ограничения спектра сигналов от измерителей, фильтрации, масштабирования, смещения сигнала проведен расчет требуемых масштабных коэффициентов и амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) фильтров, рассчитаны соответствующие этим АЧХ параметры фильтров на операционных усилителях (ОУ). Совокупность схем масштабирования-смещения, фильтров и аналогово-цифровых преобразователей (АЦП) образует в МИМ субмодуль измерения и преобразования (СИП). Реализация встраиваемых алгоритмов и опрос всех измерителей в модуле возлагаются на микроконтроллер (МК) STM32F407. Встроенные периферийные модули контроллера (SPI, UART, I2C, SWD, SPORT) соединены с цифровыми измерителями и АЦП, входящими в состав БИ+СИП. В состав блока вычислителей и периферии (БВП), в который входит микроконтроллер, включен и модуль GPS/GNSS с внешней выносной антенной. Для взаимодействия с оборудованием летающих лабораторий, штатным пилотажно-навигационным оборудованием, системами сбора данных и вычислителем верхнего уровня модуль содержит разработанный БИШПНО, в состав которого входит ПЛИС с реализованным на ней последовательным каналом информационного обмена по ГОСТ 18977-79 (ARINC-429) [2]. В БИШПНО также входит два дополнительных интерфейса RS-232 и RS-485 для проведения комплексных измерений на земле. Блок измерителей разделен на две платы – вертикальную и горизонтальную. На вертикальной плате установлены соответствующие инерциальные измерители AD22293, ADXRS290 и магнитометр HMC1002. На горизонтальной – помимо горизонтально сориентированных инерциальных измерителей – расположены схемы масштабирования и смешения сигналов, фильтры нижних частот на прецизионных операционных усилителях ADA4528, многоканальный 16-битный АЦП AD73360, барометрический высотомер LPS331AP и высокоточный датчик температуры TSYS01. Результаты расчета фильтра нижних частот в САПР FilterPro для магнитометрического и акселерометрического каналов приведены в виде АЧХ на рис. 3–6 с соответствующими схемами на операционных усилителях. В магнитометрическом канале для достижения требуемой крутизны спада и повышения соотношения сигнал/шум предусмотрен четырехполюсный фильтр Батерворта с включением ОУ по схеме Сайлена–Кея. Расчетная частота среза фильтра 15 Гц. Крутизну спада и сдвиг фаз можно оценить, обратившись к рис. 3, где верхняя кривая характеризует АЧХ фильтра. Резкий спад амплитуды 10 дБ наблюдается вблизи частоты 15 Гц. Схемотехническое решение для реализации фильтра с АЧХ (см. рис. 3) представлено на рис. 4. 0 10 –10 –20 –30 –40 –50 –60 –70 1 10 100 ν, Гц А, дБ Рис. 3. АЧХ магнитометрического канала 2,0 кОм 2,0 кОм 18,0 кОм 330 мф 10,0 мф 15,0 кОм 16,0 кОм 1,0 мф 470 нф Рис. 4. Схема включения ОУ для магнитометрического канала Схема включения акселерометра стандартная, внутренний резистор используется не в составе RC-цепи (как рекомендует изготовитель), а как делитель напряжения для схемы масштабирования и смещения. К выходу делителя подключен фильтр нижних частот (ФНЧ) второго порядка того же типа, что и в магнитометрическом канале, только с меньшей крутизной спада. АЧХ акселерометрического канала изображена на рис. 5. Крутизна спада АЧХ находится на уровне 8 дБ. Схемотехническое решение реализации ФНЧ акселерометричекого канала представлено на рис. 6. Выводы ФНЧ акселерометрического и магнитометрического каналов измерений соединены с шестью входами АЦП для последующего преобразования. На плате БИ располагаются источник опроного напряжения (ИОН) для АЦП и объединенные на одной шине датчики давления и температуры. 0 10 –10 –20 –30 –40 –50 –60 –70 1 10 100 ν, Гц А, дБ Рис. 5. АЧХ ФНЧ акселерометрического канала 330 мф 2,7 кОм 18,0 кОм 680 нф Рис.6. Схема включения ОУ для ФНЧ акселерометрического канала Конечная характеристика каналов БИ после преобразований сигналов схемой оцифровки, масштабирования и смещения представлена в табл. 1. Таблица 1 Характеристики измерительного канала МИМ-1
*МЗБ – младший значаший бит АЦП. Блок вычислителя и периферии (БВП) выполнен на плате двухсторонне фольгированного стеклотекстолита и включает в себя элементы, указанные на рис. 2. Входы аппаратных периферийных устройств МК подключены к соответствующим выводам измерителей и устройств с БИШПНО. На плате БВП установлены приемник спутниковой навигационной системы повышенной точности и дополнительные периферийные устройства для отладки и программирования МК, который осуществляет опрос всех измерителей и организует прием данных со спутникового канала. Параметры канала приема спутникового сигнала GPS представлены в табл. 2. Glonass-приемник описан в табл. 3. Таблица 2 Параметры GPS-приемника с системой обработки МИМ-1
Таблица 3 |
Похожие:
 |
Экономика в промышленности Под редакцией профессора А. В. Ляшенко... Решением Президиума вак министерства образования и науки РФ издание включено в Перечень ведущих рецензируемых изданий, в которых |
 |
Издательство саратовского университета Для преподавателей, научных работников и студентов, обучающихся по специальности «Социально-культурный сервис и туризм» |
|
Учебное пособие для преподавателей и студентов медицинских институтов... Ценность брошюры заключается также и в том, что в ней напоминается о многих ученых, внесших большой вклад в развитие неврологии и... |
|
Издательство саратовского университета Франции и Англии xvii–xix вв до нынешних проблем культурного сотрудничества в Западной Польше. Особое внимание уделяется практике... |
|
Учебник для вузов Под редакцией Заслуженного деятеля науки Российской Федерации, профессора Р. С. Белкина |
|
К. Гроер Д. Кавалларо Перевод с английского канд мед наук Е. Б. Клейменовой... Книга рекомендована Управлением учебных заведений Министерства здравоохранения и медицинской промышленности Российской Федерации... |
|
Учебное пособие под редакцией профессора С. И. Данилова Грибковые заболевания кожи. Учебное пособие под ред проф. Си. Данилова спбгма им. И. И. Мечникова спб: 2005. С. 124 |
|
Весы 2009 -№39 Альманах гуманитарных кафедр Балашовского института... Альманах гуманитарных кафедр Балашовского института Саратовского государственного университета им |
|
Радиожурналистика под редакцией профессора A. A. Шереля Рекомендовано Министерством образования Российской Федерации в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся... |
|
Радиожурналистика под редакцией профессора A. A. Шереля Рекомендовано Министерством образования Российской Федерации в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся... |
|
Методическое пособие для студентов 2-го курса, обучающихся по специальности... Под редакцией зав кафедрой пропедевтики внутренних болезней профессора В. В. Аникина |
|
Методические рекомендации по оформлению отчета производственной практики... Под редакцией заведующей кафедрой госпитальной педиатрии д м н., профессора М. А. Скачковой |
|
Н. И. Бычков, Ю. Л. Колчинский, С. М. Семин Под общей редакцией доктора... Экзаменационные билеты для приема теоретического экзамена по безопасной эксплуатации самоходных машин категории «С» |
|
Регламент информационно-вычислительной сети сгту Ивс саратовского государственного технического университета объединяет подразделения университета в информационно-коммуникационную... |
|
Собриология наука об отрезвлении общества под редакцией профессора А. Н. Маюрова Собриология. Наука об отрезвлении общества. /Под ред проф. А. Н. Маюрова. Авторы: А. Н. Маюров, В. П. Кривоногов, Н. А. Гринченко,... |
|
Собриология наука об отрезвлении общества под редакцией профессора А. Н. Маюрова Собриология. Наука об отрезвлении общества. /Под ред проф. А. Н. Маюрова. Авторы: А. Н. Маюров, В. П. Кривоногов, Н. А. Гринченко,... |