Кинематических деструкторов с инерциальной стабилизацией гсн кирпич

Системы наведения ракет

С момента изобретения пороха ракеты пробовали употреблять и в армии и «на гражданке». В армии, естественно, с огромным фуррором, потому что пробы штатского внедрения почаще всего заканчивались смертью изобретателя-рационализатора. Тем не наименее неувязка была общая — ракетой нереально было управлять в полете. В принципе это и не было необходимо, стреляли по площадям.

Противокорабельная ракета «Гарпун»

Задачи появились лишь во время 2-ой Мировой войны, когда немцы применили ракеты Фау-1 и Фау-2 для обстрела Лондона. До того самым известным эпизодом применений ракетного орудия был обстрел Копенгагена Английским флотом в 17-м веке. Когда цель, один из огромнейших городов тех пор и находится он в границах видимости, точность не нужна. А когда дальность выросла до 250 км (Фау-1) возникли и 1-ые системы наведения.

Спитфайр готовится перевернуть ФАУ подцепив ее крылом. Ракета «теряла ориентацию» и разбивалась.

Инерциальная система наведения

Самая обычная и самая 1-ая из всех, ведь принцип был известен тыщи годов назад. Как определяли свое положение путники древности? Считали шаги, чтоб знать пройденное расстояние на земле, а на море употребляли лаг, для определения скорости. Зная направления и скорость, можно осознать, где находится корабль и как скорректировать курс. Также поступает и ракета. Инерциальная система наведения ракеты, зная свои координаты в момент старта, скорость и направление полета, может высчитать текущие координаты и подправить курс.

Что отлично в таком решении? Во-1-х, инерциальная система навигации стопроцентно автономна, ей не необходимы подсказки со стороны, не жутки никакие помехи, а ее работа никак не демаскирует себя. Главные из недочетов — относительно маленькая точность (чем больше расстояние, тем больше будет ошибка) и скорость работы, а еще невозможность наведения на передвигающуюся цель.

Система надежная и обычная, но не довольно четкая. В случае стрельбы по Лондону с побережья Франции этого было практически довольно, но что созодать, в случае когда цель двигается?

Командный метод

Управлять ракетой можно передавая ей команды по радио либо по проводам. Как и в прошлом случае, первыми опять оказались немцы. В нацистской Германии было даже два проекта, того-самого Вернера фон Брауна и компании Хэншель. Проекта фон Брауна «Водопад» был по-настоящему революционным. В нем использовалось два радара, один для подсветки цели, иной — для ракеты. Оператор был должен скооперировать две метки на дисплее радиолокатора, а система управления передать ракете по зашифрованному радиоканалу нужные координаты.

У проекта компании Хэншель ракета управлялась также оператором, но не с помощью радара, а зрительно, с помощью оптики, а управляющие команды передавались не по радио, а по проводам.

Обе идеи в последствии перешли в США (Соединённые Штаты Америки — государство в Северной Америке) (A-1 Гермес) и СССР (Союз Советских Социалистических Республик, также Советский Союз — государство, существовавшее с 1922 года по 1991 год на территории Европы и Азии) (Р-101 и Р-105) но предстоящего развития не получили, хотя научные и технические выработки были внедрены в остальных, наиболее удачных, проектах.

ЗРК MIM-14 «Nike-Hercules»

Радиокомандный метод наведения применялся в русских зенитно ракетных комплексах С-25 «Беркут» и С-75 «Двина», а в США (Соединённые Штаты Америки — государство в Северной Америке) MIM-3 «Nike-Ajax» и MIM-14 «Nike-Hercules». Управление производилось с земли, линию движения рассчитывал так именуемый «счетно-решающий устройство», практически аналоговый комп тех времен. Сама ракета ничего не лицезрела, не слышала и не решала, летела по командам с земли, в отличие от инерциальной ракеты, средства навигации у которой «постоянно с собой».

Зенитно-ракетный комплекс С-75 «Десна»

Посреди класса «воздух-воздух» командное наведения по проводам использовалось в германской «Руршталь» X-4 в 1943 году, на базе которой позднее возникла противотанковая Х-7. Управление по проводам применяется и на данный момент, в противотанковых ракетах, таковых как французский комплекс «Милан», русский «Фагот» либо южноамериканский TOW. Правда, в отличие от первых противотанковых комплексов, в их автоматическая система наведения ракеты: оператор лишь держит прицел на мишени, а не управляет ею конкретно.

Основным достоинством командного метода считается — стоимость. На ракете нет необходимости располагать навигационное оборудование, означает больше места остается для горючего либо боеголовки. Минусы — радиоканал уязвим для помех, его просто можно заглушить, а провода имеют ограниченную длину. К тому же с ростом расстояния до цели падает и точность, потому что сама ракета ничего не испускает и никак помогает собственной станции либо оператору.

Полуактивное самонаведение ракет

При таком методе цель облучает радар наземного (надводного) ракетного комплекса либо самолета. Ракета пользуется таковой «подсветкой», воспринимает отраженный сигнал и на базе его рассчитывает свою линию движения.

Английская ракета Fireflash (пламенная вспышка), была первой где был реализован таковой способ в дальнем 1949 году. «Пламенная вспышка» наводилась просто в самый центр радиолокационного луча.

Таковым образом необходимо было не попросту «светить» на цель радиолокатором, а к тому же буквально задерживать на ней прицел. По британский это именовалось beam rider, в свободном переводе, «управление по лучу». Тот же принцип употребляется на данный момент в противотанковых ракетных комплексах и ракетах воздух-поверхность. Лишь в случае с бронетехникой луч лазерный. В качестве примеров можно привести Hellfire родом из США (Соединённые Штаты Америки — государство в Северной Америке) и русский «Вихрь».

Самыми известным ракетами воздух-воздух с полу-активной системой были южноамериканская AIM-7С Sparrow («Воробей») и русская Р-27. Их основным недочетом была необходимость неизменной «подсветки» цели самолетом.

Управление «через ракету»

В 1943 году в США (Соединённые Штаты Америки — государство в Северной Америке) в рамках проекта Горгона тестировалась возможность управления с помощью камеры установленной на ракете. Камера передавала изображение оператору, который и управлял полетом. Таковой способ получил заглавие «управление через ракету». Естественно в 1943-м ничего толкового с теленаведением не вышло, но сам принцип стал употребляться, лишь заместо камеры используют радар: ракета воспринимает отраженный радиосигнал собственной радиолокационной станции (РЛС) и… . Просто передает информацию собственной РЛС, та, в свою очередь, производит расчеты и посылает корректирующую команду ракете. Выходит некоторый гибрид полу-активной и командной систем.

Принцип этот весьма популярен, он использован и в С-300 и в южноамериканском «Пэтриот» PAC-2. Ракета постоянно поближе к цели, а означает «лицезреет» лучше, при всем этом на борту не надо нести никаких вычислителей, лишь приемник сигнала и ретранслятор. Но если возникнут помехи… Никаких самостоятельных решений не считая самоуничтожения ракета принять не сумеет.

Активное самонаведение

Первой ракетой самонаведения могла стать «Артемида». Сейчас фаворитами снова были английские ученые. Артемида думала для борьбы с германскими крылатыми ракетами Фау-1, для этого на ней устанавливалась радиолокационная головка самонаведения. И было это в 1943 году! Но времени на доводку британцам не хватило, уже через год было принято решение, что Артемида будет обходиться очень недешево, а необходимости в ней особо нет, ведь немцы уже очевидно проигрывали войну в воздухе.

Активное самонаведение значит, что ракета сама испускает зондирующий радиосигнал, сама его воспринимает и рассчитывает линию движения. Естественно, что свой радар должен владеть достаточными для действенной работы размерами, а размеры означают массу. Потому ракеты с активным радиолокационным самонаведением постоянно огромные и предусмотрены для далекого воздушного боя.

Запуск AIM-54 Phoenix с F-14 103 эскадрильи «Радостный Роджер»

P-33 под фюзеляжем МИГ-31

Размер и масса — суровое ограничение для авиации, но для наземного либо морского базирования вес не так критичен. Потому посреди противокорабельных и зенитных ракет (не считая переносных) активное самонаведение весьма всераспространено. Модернизированный комплекс Patrion PAC-3 употребляет ракету MIM-109 с активным радиолокационным самонаведением, так же как и С-400 с ракетами 9М96.

Пассивное самонаведение

Невзирая на два, чудилось бы, несопоставимых слова в одном термине такие системы используются фактически всюду. К примеру, в противорадиолокационных ракетах. Ракета штурмует радиолокационную станцию и собственное излучение ей не надо, она ориентируется по излучению радара противника. В случае утраты сигнала, к примеру очевидного выключения, ракета употребляет инерциальную систему и продолжает двигаться туда, где находился источник радиоизлучения.

Инфракрасная ГСН

Инфракрасная (пассивная) головка самонаведения (ИК (то есть тепловое, инфракрасное, на основе инфракрасного излучения) ГСН) не употребляет радиоволны в принципе. Она практически глядит на мир через инфракрасную матрицу обнаруживая источник тепла, которым обычно является движок самолета (более жгучая точка), а в наиболее современных и продвинутых образчиках — инфракрасный образ цели.

Первыми, кто воплотил термическое самонаведения, были америкосы. AIM-9 Sidewinder была запущена в создание в 1956 году, опосля 6 лет разработки. Sidewinder — это разновидность гремучей змеи, которая, как и остальные змеи семейства, способна ясно «созидать» тело излучаемое жертвой.

AIM-9 Sidewinder (голубого цвета) и AIM-9 (белоснежная)

Разработка русского аналога К-13 началась в 1958-м, опосля того, как в расположении СССР (Союз Советских Социалистических Республик, также Советский Союз — государство, существовавшее с 1922 года по 1991 год на территории Европы и Азии) оказались осколки Sidewinder. Естественно механизм работы был аналогичным. Таковым же остается и сейчас, невзирая на то, что современные ИК (то есть тепловое, инфракрасное, на основе инфракрасного излучения) ГСН числятся уже четвертым поколением.

Пассивный принцип животрепещущ для ракет близкого радиуса деяния, таковых как переносные зенитно-ракетные комплексы либо ракеты воздух-воздух близкого боя.

Ультрафиолетовая ГСН

Способ аналогичный предшествующему, лишь заместо длинноволновой (инфракрасная) — наиболее коротковолновая (ультрафиолетовая, УФ (Ультрафиолетовое излучение — электромагнитное излучение, занимающее диапазон между фиолетовой границей видимого излучения и рентгеновским излучением)) часть диапазона. Это дозволяет повысить разрешающую способность, можно сказать остроту зрения, ракеты, но в свою очередь уменьшает дальность захвата цели. Но основной плюс, сложность обмана ультрафиолетовых датчиков с помощью термических ловушек. Также дозволяет распознавать образ цели, что в сою очередь открывает новейшие способности: противодействие помехам и атаки в более уязвимые части цели (актуальнее всего для надводных кораблей).

Самый продвинутый тип наведения, в особенности в композиции с ИК (то есть тепловое, инфракрасное, на основе инфракрасного излучения) либо УФ (Ультрафиолетовое излучение — электромагнитное излучение, занимающее диапазон между фиолетовой границей видимого излучения и рентгеновским излучением) матрицами.

Оптико-электронная ГСН

Все то же самое. Вот лишь употребляются волны видимого диапазона, практически рядовая цифровая камера. В этом случае особое программное обеспечение ассоциирует увиденную картину с эталонной, описывает тип цели и метод ее атаки. Один из известнейших, израильский комплекс Spike NLOS, оператор может, не только лишь захватить цель опосля запуска вне зоны видимости, да и переназначить цель во время полета либо совсем отменить атаку.

Комбинированные системы

Разумеется, что у всякого метода есть плюсы и недочеты, композиция нескольких приемов может избавится от минусов и усилить плюсы.

Чтоб стрелять (и попадать) на большенный дистанции употребляется связка из самонаведения, командного наведения и инерциального. Ракета выводится в зону встречи с целью «приблизительно» или с помощью радара, или инерциально, чтоб позже отыскать цель без помощи других.

Для баллистических ракет применяется астрокоррекция (ориентация по звездам, как в старину), гравиметрические измерения (гравитационные аномалии Земли в качестве ориентиров) либо сигналы спутника. Крылатые ракеты для компенсации ошибок инерциальной навигации употребляют свой локатор либо камеру для картографирования местности над которой пролетают. Так же вроде бы поступил человек в таком случае, автопилот употребляет известные ориентиры для определения собственного положения.

Очередной пользующийся популярностью прием — объединения систем, применение пассивного способа самонаведения при установке нескольких ГСН. К примеру ИК (то есть тепловое, инфракрасное, на основе инфракрасного излучения)+УФ (Ультрафиолетовое излучение — электромагнитное излучение, занимающее диапазон между фиолетовой границей видимого излучения и рентгеновским излучением) либо ИК (то есть тепловое, инфракрасное, на основе инфракрасного излучения)+телевизионной.

Запуск ракеты «Тамир» противоракетного комплекса «Металлический купол»

В итоге системы наведения ракет можно свести к трем способам:

По известным координатам (инерциальный), с внедрением излучения цели (пассивный) либо внедрение отраженного сигнала (активный). При всем этом сущность методик не изменяется. Зато растут скорость, дальность и точность. До таковой степени, что современные ракеты могут не иметь боеголовки, а уничтожать цель прямым попаданием.

Внедрение инерциальной навигационной системы (ИНС) с несколькими датчиками на примере задачки стабилизации высоты квадрокоптера

В данной статье я постараюсь поведать о собственном опыте сотворения и реализации метода для обработки сигналов с нескольких обычных датчиков, входящих в состав ИНС (в британской версии IMU), для решения задачки стабилизации высоты многороторного летательного аппарата (в моем случае — квадрокоптера). На хабре уже был ряд статей, описывающих, что же это все-таки за игрушка и как её создать самому. Как программеру по профессии, мне было любопытно не только лишь его собрать, да и поколупаться в «мозгах» и создать что-то полезное для общества. В качестве «мозгов» я избрал Arduino и превосходный проект MultiWii. Он стопроцентно открытый, оживленно развивается, но в нем пока есть «белоснежные пятна». К примеру, неудовлетворительно работает стабилизация положения по высоте. И я решил разобраться, можно ли с имеющимся оборудованием сделать лучше эту часть системы.

Для начала незначительно вводной инфы, чтоб прояснить, с чем предстоит иметь дело.
Мультиротор — аппарат с несколькими (3, 4, 6, 8) моторами с пропеллерами, любой из которых делает вертикальную регулируемую тягу. В отличие от вертолета, стабилизация здесь стопроцентно электрическая, и занимается ей процессор с помощью ИНС (полетный контроллер).

Какие задачки нужно решать в полете?

• Определение ориентации (углов по трем осям относительно земли) и стабилизация по ним
• Определение высоты и стабилизация по ней
• Определение координат и полет по данным точкам
• Прием установок с пульта управления и выдача управляющих сигналов на моторы

Что мы имеем в распоряжении?

Сейчас в легкой доступности имеем обычный набор детекторов:

• достаточно отличные 3-х осевые гироскопы.
• средние по качеству 3-х осевые акселерометры
• средний по качеству 3-х осевой магнетометр
• средний либо нехороший барометр

Таковой набор в сборе с Arduino-подобным микропроцессором либо в виде отдельной платки можно отыскать за сумму 70-100$

У всякого датчика свои способности и слабенькие стороны. По отдельности ни один из их не может решить ни одну и вышеперечисленных задач, потому системы ИНС постоянно строятся из композиции датчиков, и самое увлекательное здесь — это вычислительные методы, дозволяющие соединить мощные стороны всякого из датчиков для устранения их недочетов.

1-ая задачка — стабилизация ориентации — достаточно удачно решается гироскопами. Гироскопы весьма буквально меряют угловую скорость и опосля интегрирования можно получить углы. Но у их есть неувязка — показания уплывают с течением времени. Для корректировки этого дрифта применяется акселерометр, который постоянно (ну либо практически постоянно в длительной перспективе) понимает, где земля. Но акселерометр ничего не ощутит, если его крутить вокруг оси Z, потому нам нужен магнетометр, который постоянно понимает, где север.
2-ая задачка — нахождение высоты — отчасти решается барометром. Если обнулить показания на земле, то при подъеме на любой метр мы знаем, как поменяются его показания (естественно, если мы не летаем 12 часов и не начала изменяться погода). Но по условию задачки барометр у нас нехороший, и он выдает высоту +-1м с одичавшим шумом амплитудой приблизительно в этих же границах. В действительности мой датчик указывает последующее (на 10-й секунде перемещен на 1метр):

На помощь барометру может придти сонар, который меряет высоту с весьма высочайшей точностью (даже тот, что я заполучил за 5$, выдает точность ± 3мм по заявлению производителя). Но сонар способен работать лишь невысоко над землей (2-10м), меряет длительно (до 200мс), чувствителен к качеству поверхности, к углу наклона, и может терять сигнал.
3-я задачка — определение координат — не решается никак обозначенными выше датчиками. Акселерометр в композиции с гироскопом может выдать линейные горизонтальные убыстрения, но здесь есть две задачи: повсевременно работающий большой (по сопоставлению с тем, что будем определять) вектор 1G, и отсутствие привязок для корректировки. Так что определение координат остается прерогативой GPS-сенсора, и на высшую точность здесь рассчитывать не приходится.

Во всех любительских полетных контроллерах задачка нахождения ориентации решена отлично и на ней останавливаться не буду. Задачка достаточно обычная и расписана в вебе (один, два). В MultiWii употребляется прекрасное решение без сложностей типа кватернионов и матриц DCM (не забываем, что считать все это будет простой 16-Мегагерцовый микропроцессор), на базе упрощений для малых углов и комплементарного фильтра.

Итак, ориентацию аппарата в пространстве мы знаем с высочайшей степенью точности. Сейчас можно перейти к главный теме статьи, т. е. попытаться сделать лучше результаты, которые выдает барометр (либо сонар), чтоб их можно было скормить ПИД-регулятору. Для этого показания должны поступать без задержек, быть точными в недлинной перспективе и не очень уплывать с течением времени. Тема ПИД-регуляторов заслуживает отдельного пристального исследования, потому что он обширно употребляются в системах управления действиями. Я рекомендую поначалу ознакомиться с их определением, чтоб лучше осознать рассуждения, изложенные ниже.

Сглаживаем

Чем нам не подступают показания барометра в текущем виде? Ну во первых, мощная зашумленность сигнала будет вызывать излишние управляющие действия на моторы. Применив фильтр низких частот, мы уменьшим шум, но потеряем быстроту измерения. А это означает, что любые краткосрочные возмущения останутся без внимания, резкие возмущения отработаются с большенный задержкой, и самое основное, мы не получим дифференциальную составляющую (D) для ПИД-регулятора. Как следует из теории, регулятор без данной составляющей склонен к слабозатухающим осцилляциям вокруг мотивированной величины, что и наблюдается на практике.

Интегрируем

Отлично, оставим барометр и возьмем акселерометр. Вроде все просто — из значения по оси Z вычтем константу 1G, получим линейное вертикальное убыстрение. Два раза проинтегрируем его (практически просуммируем в измерительном цикле) и получим скорость и относительное смещение. Для ПИД-регулятора это вкусные характеристики, с ними можно выстроить неплохую динамическую модель. Да и здесь не все так отлично, как хотелось бы. Наклон аппарата вызовет изменение проекции вектора убыстрения А на ось Z. Вибрации от мотора либо изменение температуры могут вызвать «сдвиг» чувствительности, и наша константа 1G уже не будет соответствовать действительности. Но даже в случае совершенно недвижного аппарата и буквально выставленной 1G, хоть какой детектор выдает шум. А ведь даже крошечная ошибка в течение 10-ка секунд двойного интегрирования растет до размера слона, и вот мы лицезреем скорость 10м/с и высоту 20м (хотя от земли ещё даже не оторвались).

Комплементарный фильтр

Если разъяснять по обычному — этот фильтр применяется к двум величинам, измеряемых различными датчиками, и изменяет одну из их так, что она медлительно стремится ко 2-ой. В измерительном цикле фильтр реализуется обычный формулой:

При всем этом воздействие величины A2 на A1 пропорционально разнице меж ними и определяется коэффициентом k (чем больше, тем слабее воздействие).
Если применить этот фильтр к высоте, отысканной акселерометром, и свидетельствам барометра, получится увлекательная штука: дрифт акселерометра будет повсевременно корректироваться барометром, а показания барометра будут сглаживаться (потому что для A2 этот фильтр работает как фильтр низких частот). Но корректироваться будет лишь 2-ой интеграл, а 1-ый по прежнему расслабленно «дрейфовать» в бесконечность, и в итоге из-за малого коэффициента k барометр просто не сумеет воздействовать на ситуацию.
Почему этот фильтр отлично работает для пары гироскоп + акселерометр? Поэтому что там мы корректируем 1-ый интеграл, и он в конце концов перестает «уплывать», когда величина корректировки за время 1-го цикла сравняется с величиной ошибки гироскопа, прибавляемой в этом же цикле при интегрировании.

ПИД-регулятор приходит на помощь

Да и из пары барометр+акселерометр можно извлечь нечто полезное, если применить к ним ПИД-регулятор (да-да, область их внедрения очень пространна).
Итак, в чем основное слабенькое пространство нашего интегратора убыстрения? В микро-ошибке, которая может появиться по различным причинам, описанным выше, при вычитании константы 1G. Если записать разыскиваемое убыстрение в виде:

то, регулируя величину bias, можно управлять и первым интегралом (скоростью), и вторым (смещением). Итак, цель нашего ПИД-регулятора найдена. Но нужно ещё знать ошибку. Создадим допущение, что bias зафиксируется опосля пришествии некоей стабилизации характеристик системы (температурных, вибрационных и т. д.). Когда bias будет найден, показания акселерометра станут весьма близки к правде и можно применить комплементарный фильтр, скрестив их с барометром. Величина корректировки этого фильтра и будет ошибкой, от которой будет отталкиваться ПИД-регулятор (он стремится свести ошибку к 0 за счет регулирования мотивированной переменной).
Далее находим все три составляющие ПИД-регулятора. Пропорциональная (P) — это сама ошибка. Интегральная (I) — просто интегрируем её. Дифференциальная (D) — по теории нужно дифференцировать ошибку. Но в ней посиживают ужасные шумы барометра и акселерометра. Такое дифференцировать жутко, потому применим хитрость — возьмем за D-составляющую найденную акселерометром скорость с отрицательным знаком. Потому что D призвана ввести затухание в регулятор, скорость здесь полностью сгодится — чем она больше, тем больше нужно её «погасить».

Умножим любой из компонент на свои коэффициенты, сложим и получим bias. Но здесь применим вторую хитрость — не будем добавлять bias впрямую к убыстрению, а прибавим лишь I-часть. Конкретно она обрисовывает величину повсевременно работающей ошибки, что соответствует нашему допущению о неспешном изменении bias.
P и D части прибавим к скорости, умножив на dT (потому что взяли в долг их из убыстрения).
Потому что основная задачка регулятора — отыскать постоянную составляющую ошибки, я решил настроить его довольно «мягко», чтоб по минимуму влиять на краткосрочные конфигурации. Но здесь остается обширное поле для тестов, и все буде определяться поведением настоящих датчиков.

Как же гироскоп?

Выше я упомянул, что для определения высоты нам пригодится ещё и гироскоп. Вправду, описанный чуть повыше метод будет работать, лишь если вектор A (в локальной системе) глядит буквально вдоль оси Z. Как аппарат наклонится, произойдут две противные вещи: проекция A на ось Z поменяется и ПИД-регулятор начнет поновой медлительно и мучительно находить bias. И 2-ая — хоть какое горизонтальное убыстрение начнет давать ненулевую проекцию на локальную ось Z. При углах наклона в 45° уже и не усвоишь, где какое убыстрение.
Но потому что мы знаем точную ориентацию локальной системы относительно глобальной, нет ничего сложного вернуть справедливость — просто спроектируем локальный вектор A на локальный вектор G (вначале отысканный акселерометром и бережно вращаемый гироскопом), который постоянно глядит в землю.
Операция эта обычная и вытекает из определения векторного произведения:

Создать это нужно до вычитания 1G.

Сейчас можно поглядеть на код и результаты.

Данные детекторов приходят в последующих переменных:
EstG.V – вектор G (он получен ранее при нахождении ориентации)
accADC – незапятнанные данные с акселерометра
BaroAlt – данные с барометра, конвертированные в cm
На выходе получаем accZ, vel, alt.

Как видно, вычислительная сложность метода достаточно обычная и Arduino его «переварит» просто (в особенности если перевести в целочисленную математику, но тогда код станет плохо читаем).

PS: в видео есть фраза о выключении метода при определенном угле наклона, и и-за этого возникает выброс ошибки. По сути это ограничение не надо — метод работает размеренно при любом угле от 0° до 360°

Если к этому методу подключить сонар (вмето BaroAlt взять SonarAlt), то кривая высоты смотрится фактически совершенно. Таковым образом, на низкой высоте используем сонар, при возникновении ошибок либо близко к лимиту измерений переключаемся на барометр (за ранее согласовав высоты в период поступления достоверных данных с сонара).

К огорчению, погода пока не дает провести полетные тесты новейшего метода. Как покажутся результаты, выложу графики сонара, отлаженный начальный код всего проекта и полетное видео.

Систематизация

По ориентации направлений осей чувствительности инерциальных измерителей

1) с случайной ориентацией;

2) с ориентацией по звёздам, по осям, агрессивно связанным с объектом;

3) с постоянной ориентацией относительно небесного тела, напр. Земли;

4) с горизонтальной ориентацией.

По наличию стабилизированной платформы

1) со стабилизированной гироскопической либо астроплатформой;

2) бесплатформенные (БИНС).

По способу построения вертикали места

1) с аналитической, либо расчётной, вертикалью;

Механизм работы системы

Способ определения координат средством инерциальной системы заключается в обработке данных о убыстрении тел, также их угловых скоростей. Для этого, снова же, употребляются установленные конкретно на мотивированном объекте чувствительные элементы, благодаря которым генерируется информация о метаположении, курсе движения, пройденном пути и скорости. Не считая того, механизм работы инерциальной навигационной системы дает возможность использовать средства для стабилизации и даже автоматического управления объектом. Для таковых целей как раз употребляются датчики линейного убыстрения с гироскопической аппаратурой. При помощи данных устройств формируется система отчета, работающая относительно линии движения движения объекта. По сгенерированной системе координат определяются углы наклона и поворота. К плюсам данной технологии можно отнести автономность, возможность автоматизации и высшую степень помехоустойчивости.

Сопоставление инерциальных навигационных модулей

Инерциальные навигационные системы

1-ые приборы для прокладки курса возникли в Старом Китае за 2600 лет до н.э., а к XXI веку были разработаны разные виды навигационных систем: радиолокационная, спутниковая, инерциальная и остальные. На их развитие воздействовали как соперничество меж странами в сфере военных технологий, так и технологический прогресс в целом.

Имевшихся к началу XX века средств навигации было довольно для беспрепятственного сообщения меж материками, а вот развитие авиации добивалось все наиболее совершенных систем.

Поначалу на замену ориентированию по солнцу, звездам и наземным объектам пришла навигация по радиомаякам. Маяки передавали опознавательный сигнал на определенной частоте, оборудование на борту самолета воспринимало этот сигнал и засекало направление. Зная азимуты 2-ух таковых маяков, можно было вычислить курс.

Но маяков требовалось много. Их сигнал могли запеленговать и заглушить, а сами маяки — убить, потому вопросец сотворения системы навигации, независящей от наружных источников инфы, стоял весьма остро.

С развитием ракетостроения и выводом на орбиту спутников возникла возможность употреблять для привязки к местности спутниковый сигнал. В истинное время системы навигации GPS и ГЛОНАСС разрешают определять положение объекта в пространстве с точностью до 1 метра и обхватывают практически всю поверхность Земли.

К огорчению, спутниковые навигационные системы унаследовали недочет собственной предшественницы — радионавигации. Они также уязвимы к помехам, плохо работают на полюсах — как из-за особенностей позиционирования спутников на орбите, так и из-за активности ионосферы в этих широтах. Средства радиоэлектронной борьбы (РЭБ) могут исказить спутниковый сигнал и привести к сбою в работе навигационной аппаратуры.

Потому разумеется, что спутниковые системы, какими бы совершенными и точными они ни были, нужно дублировать оборудованием, устойчивым к помехам и независящим от наружных источников инфы. И нерциальные навигационные системы (ИНС), разработка которых началась во 2-ой половине XX века, стопроцентно отвечали сиим требованиям.

Механизм работы инерциальной навигационной системы

Инерциальная навигация базирована на непрерывном измерении характеристик движения — убыстрения и угловых скоростей — относительно установленной системы отсчета (СО). В качестве такой могут выступать:

• случайная СО;
• астрономические объекты (звезды);
• Земля;
• горизонт.

Для определения характеристик движения употребляются особые датчики: акселерометры для определения линейного убыстрения и гироскопы для вычисления угловых скоростей. Поступившие с их данные обрабатываются вычислительной системой.

Схематично изобразить работу ИНС можно последующим образом:

Схема работы ИНС: 1 — блок измерений; 2 — вычислительный блок; 3 — блок времени; 4 — блок ввода исходной инфы; А — ввод начальной инфы; Б — вывод данных о координатах. Источник: Большая Русская Энциклопедия

Основное уравнение для вычисления координат имеет вид:

Вычисления осуществляются по последующему методу:

1. В блок 4 через вход А загружаются исходные данные для калибровки навигационной системы и ориентации инерционных датчиков.
2. Данные поступают в блоки 1, 2, 3.
3. В блоке 3 осуществляется синхронизация с мировым временем, данные о котором поступают в блоки 1, 2 и 4.
4. Блок 1 регистрирует данные о убыстрении.
5. В блоке 2 происходит интегрирование уравнения (1): однократное — для определения скорости, двукратное — для определения координат.
6. Через выход Б осуществляется вывод инфы о местоположении на местности.

Варианты выполнения инерциальных навигационных систем

Существует два варианта выполнения ИНС: платформенный и бесплатформенный. В первом случае датчики располагаются на гиростабилизированной платформе, во 2-м — агрессивно соединены с корпусом устройства.

Платформенные инерциальные навигационные системы бывают 3-х видов:

• геометрического;
• аналитического;
• полуаналитического.

Платформа ИНС. Источник фото: https://oliandr.ru/

В ПИНС геометрического типа гироскопы и акселерометры располагаются на отдельных гиростабилизированных платформах. Платформа с акселерометрами стабилизирована относительно горизонта, с гироскопами — в инерциальном пространстве (относительно дальних галлактических объектов). Определение координат осуществляется средством анализа данных о обоюдном расположении платформ.

В ПИНС аналитического типа датчики располагаются на одной платформе, стабилизированной в инерциальном пространстве. Координаты рассчитываются по изменению положения аппарата относительно гироскопов и акселерометров.

В ПИНС полуаналитического типа платформа с датчиками стабилизирована относительно местного горизонта, а данные обрабатываются на вычислителе, расположенном вне ее.

Вариант выполнения платформенной ИНС нужно подбирать под выполняемые летательным аппаратом задачки. К примеру, геометрические ПИНС имеют высшую погрешность при работе на высокоскоростных военных самолетах и в галлактическом пространстве, потому их, обычно, устанавливали на штатские самолеты, надводные корабли, подводные лодки, также на тихоходные военно-транспортные самолеты и стратегические бомбовозы. Для работы же в галлактическом пространстве и на истребителях употребляли аналитические ПИНС.

ПИНС владеют 3-мя необходимыми плюсами:

• высочайшая точность измерений;
• нет нужды в пересчете из связанной системы координат в нужную;
• высочайшая точность предстартовой подготовки.

Но громоздкость выполнения, высочайшая стоимость и ограничения в измерении углов привели к фактически полному переходу на бесплатформенные инерциальные навигационные системы (БИНС).

Бесплатформенные инерциальные навигационные системы

В крайние годы беспилотные летательные аппараты (БПЛА) делают широкий диапазон задач: от доставки грузов до аэрофотосъемки, разведки и мониторинга. Для роста их эффективности появилась необходимость в уменьшении массогабаритных черт устанавливаемых на борту устройств, в том числе и навигационной системы.

Квадрокоптер с установленной системой ИНС+GPS. Источник фото: Amerisurv.com

БИНС отвечают сиим требованиям, но владеют низкой точностью и склонностью к скоплению ошибки. Согласно Каперко ( Каперко А. Ф., Легостаев В. Л. Систематизация частей программно-технического комплекса бесплатформенной инерциальной навигационной системы), БИНС делятся на три класса точности, характеристики которых приведены в таблице 1.

Таблица 1. Классы точности БИНС.

Для штатских квадрокоптеров довольно систем с низкой точностью, для аппаратов крупнее, также для решения задач навигации и ориентации употребляют системы средней и высочайшей точности.

Создание датчиков БИНС по технологиям для интегральных плат позволило сделать так именуемые MEMS -устройства: микроэлектромеханические системы. Это сходу же вывело навигационное оборудование на новейший уровень по надежности и компактности, хотя для наиболее четких навигационных устройств продолжают употреблять волоконно-оптические и лазерные гироскопы.

Пример MEMS-датчика

Кроме надежности и компактности у БИНС еще есть ряд принципиальных преимуществ:

• неограниченные углы измерения;
• информативность;
• устойчивость к вибрациям и ударам;
• низкое энергопотребление.

Благодаря сиим факторам БИНС, в том числе и на базе МЭМС-датчиков, заняли на рынке весьма крепкое положение, но стопроцентно остальные методы навигации не вытеснили. Причинами послужили повсевременно накапливающаяся погрешность и необходимость кропотливой предполетной калибровки.

Способы компенсации недочетов БИНС

Так как платформенные ИНС владеют точностью, которой не хватает БИНС, то одним из самых тривиальных решений будет создание гибридной системы, объединяющей внутри себя достоинства обоих подходов.

Если БИНС расположить на стабилизированной по двум осям платформе, используя датчики и для навигации, и для стабилизации платформы, то можно получить систему с наилучшей точностью. Лишь она все равно получится наиболее массивной, дорогой, со сложной конструкцией.

Потому большее распространение получили так именуемые встроенные навигационные системы, в каких ИНС объединена с иной измерительной либо навигационной системой — обычно, спутниковой.

В встроенном выполнении происходит повторяющийся перезапуск ИНС с новенькими исходными данными, приобретенными от спутниковой системы. При отсутствии спутникового сигнала погрешность возмещается с помощью алгоритмов оценивания и прогнозирования.

Структурная схема корректировки ИНС с внедрением метода оценивания. АО — метод оценивания; БФ — блок формирования измерений; Θ — настоящая информация о параметрах динамического объекта; х — вектор погрешностей ИНС; X ̂ — оценка вектора x; δ — сигнал с датчика угла прецессии; X ̃ — вектор ошибок оценивания

Структурная схема корректировки ИНС с внедрением метода прогноза. АПМ — метод построения модели; Q — настоящая информация о навигационных параметрах динамического объекта; Ф — матрица модели погрешности ИНС; х — прогноз погрешностей ИНС. Источник: Неусыпкин К. А., Пролетарская В. А., Алексеева Е. Ю. Алгоритмические способы корректировки навигационных систем летательных аппаратов. — Инженерный вестник. — ФГБОУ ВПО «МГТУ им. Баумана», №3, 2013

Ситуация на рынке

Рынок инерциальных навигационных систем интенсивно развивается во всем мире. Если в XX веке они устанавливались в большей степени на военную технику, то с 90-х годов началась их активная демилитаризация.

На данный момент ИНС используются на штатских судах и самолетах, в геофизике, инсталлируются на БПЛА и беспилотные авто, употребляются в передвижных дорожных лабораториях и в системах стабилизации антенн. Компании дают как малогабаритные решения на базе MEMS -датчиков, свободно помещающиеся на ладошки, так и наиболее габаритные, но четкие устройства на базе волоконно-оптических и лазерных гироскопов.

В нашем каталоге также представлены составляющие для ИНС: MEMS-акселерометры AS-100 и MEMS-гироскопы ЛК-МЭМС-ГИРО100 . Их различает низкое энергопотребление, маленькие размеры, малый температурный дрейф, устойчивость к перегрузкам и широкий спектр рабочих температур.

Кроме девайсов у нас представлены встроенные навигационные системы , в том числе на базе одноосных либо трехосных волоконно-оптических гироскопов. Мы хотим предложить как ультра-экономные решения, так и наиболее дорогие, но четкие приборы. Подробнее сможете ознакомиться с ними в каталоге .

Заключение

Современные задачи требуют современных решений. Не стали исключением и навигационные системы. Если на заре мореплавания людям хватало простых устройств, чтоб найти свое положение, то сейчас возросшие скорость и количество тс предъявляют совершенно остальные требования к точности навигационного оборудования.

Не наименьшую роль играет обеспечение его автономности в широком спектре наружных критерий. Инерциальные навигационные системы решают эту задачку, но при всем этом теряют в точности и склонны к скоплению ошибки. Ответом на этот вызов сделалось возникновение встроенных решений, объединивших внутри себя плюсы обоих способов.

Предстоящее развитие навигационных технологий будет заключаться в повышении точности датчиков и обеспечения еще большей автономности за счет совершенствования алгоритмов прогноза и оценивания.

Но уже на данный момент существует широкий круг задач, для которых разработаны действенные решения. Если для вас нужна консультация по выбору навигационной системы, свяжитесь с нами по e-mail либо телефону .

Для того, чтоб научиться читать кинематические схемы, нужно знать обозначения отдельных частей и научиться осознавать взаимодействие отдельных составляющих. Сначала изучим более обозначения более всераспространенных частей, условные обозначения на кинематических схемах представлены в ГОСТ 3462-52.

Обозначение валов

Вал на кинематической схеме обозначается жирной прямой линией. На схеме шпинделя изображается наконечник.

Обозначение подшипников на схемах

Обозначение подшипника зависит от его типа.

Подшипник скольжения изображается в виде обыденных скоб-опор. Если подшипник упрямый опоры изображаются под углом.

Шариковые подшипники на кинематических схемах станков изображаются последующим образом.

Шарики в подшипниках условно изображены в виде круга.

В условных изображениях роликовых подшипников ролики показаны в виде прямоугольников.

Схематическое обозначение соединений деталей

В кинематических схемах изображаются разные типы соединений валов и деталей.

Муфты на кинематической схеме

Условное обозначенние муфты зависит от ее типа, более всераспространенные из их:

• кулачковые
• фрикционные

Обозначения однобоких муфт на кинематических схемах станков показано на рисунке.

Обозначение двухсторонней муфты можно получить зеркально отобразив по горизонтали схему однобокой.

Обозначение зубчатых передач на схемах станков

Зубчатые передачи — один из самых всераспространенных частей станков. Условное обозначение дозволяет осознать какой тип передачи употребляется — прямозубая, кососзубая, шевронная, коническая, червячная. Не считая того, по схеме можно выяснить какое колесо больше, а какое меньше.

Ходовые винты и гайки также довольно нередко можно узреть на кинематических схемах станков, изображаются они последующим образом.

Остальные свойства и описание:

Температура (устойчивость), °C

Температура (крепкость), °C

Вибрация (крепкость) (случайная 20 Hz — 2000 Hz), g

Удары (крепкость) (продолжительность: 1 мс, форма: ½ синуса), g

Время: многофункциональной готовности / исходной выставки, сек

Частота навигационных решений, Гц (единица частоты периодических процессов в Международной системе единиц СИ)

Ethernet (100 Мбит ), RS232, RS485 2W, дискретные сигналы

Напряжение питания / потребляемая мощность

Габаритные размеры ( L x W x H ), мм, с разъёмом

Наработка на отказ (расчетная)

С сентября 2019 года доступна для тестирования и заказов новенькая БИНС МЭМС «ГЛ-ВГ110». В новеньком приборе использованы передовые решения повышающие, до этого всего, многофункциональные способности его внедрения, также главные точностные характеристики. Заместо 3-х одноосных акселерометров, использован кластер из 4-х трехосных акселерометров, рассчитанных на увеличение точности измерений (за счет избыточности) и масштабируемость в спектре убыстрений до ±40g.

Сейчас использован этот же высокопроизводительный микроконтроллер, что и в высокоточных системах. В состав БИНС введены два новейших датчика – баровысотомер (для демпфирования неуравновешенного вертикального канала, что в особенности животрепещуще для грубых датчиков МЭМС) и трехосный магнитометр (для демпфирования курсового канала).

Добавлен новейший скоростной и гальванически развязанный интерфейс Ethernet. Все обозначенные дополнения выполнены при сохранении габаритно-присоединительных размеров и малых конфигурациях схемы наружных подключений.

БИНС МЭМС «ГЛ-ВГ110» предусмотрены для наземного, морского и авиационного внедрения для решения задач навигации (в том числе при пропадании сигнала ГЛОНАСС / GPS — леса, тоннели, при глушении спутниковых сигналов), ориентации, стабилизации, также контроля остальных бессчетных характеристик (наклоны, тангажи, удары, горизонтирование и т.д.).

Некие варианты внедрения:

Обеспечение информацией о координатах объекта при отказе спутниковых систем: спецтранспорт (МВД (Министерство внутренних дел — орган исполнительной власти, правительственное учреждение, в большинстве стран, как правило, выполняющий административно-распорядительные функции в сфере обеспечения общественной безопасности), МО, МЧС и т.д.), перевозка людей, небезопасных и ценных грузов, автострахование, автоматическое определение аварийных и небезопасных ситуаций по нраву движения объекта

Автоматизация управления беспилотных систем и объектов / транспорта: наземного, аква, авиационного

Управление автоматическими системами и робототехника для работы в критериях небезопасных для человека:

Системы стабилизации линий визирования, подсветки, киносъемочного оборудования и т.д.:

Управление морскими платформами, манипуляторами и механизмами подверженными наружным возмущениям (качка, течения)

Системы высокоточного землепользования

Системы обнаружения «закладок» в дорожном (жд) полотне, также функции подготовительной диагностики жд полотна и контроль отличия от норм

Системы стабилизации диаграммы направленности антенн мобильных систем спутникового телевидения, веба, телефонной связи

Применение в исследовательских внутритрубных снарядах контроля нефте и газопроводов

Обеспечение измерения перемещений сотрудника в любом положении тела, в том числе при перемещении ползком, обеспечение четкого позиционирования сотрудника в помещениях при неработающей спутниковой системе, обнаружение «несвойственных» движений сотрудника.

Огромное количество остальных вариантов внедрения, где требуется решение задач оперативного управления, навигации, ориентации и стабилизации

БИНС МЭМС ГЛ-ВГ110 сначала представляет энтузиазм для компаний — разрабов, интеграторов и производителей навигационного оборудования, систем и комплексов стабилизации и ориентации.

Наша компания может оперативно заносить конфигурации и запускать в создание модификации облегченных и удешевленных БИНС МЭМС, в соответствие с определенными требованиями заказчиков, также может быть создание в другом форм-факторе.

Данные, нужные для заказа БИНС МЭМС «ГЛ-ВГ110»:

1. Применение: авиационное, морское, наземное (отметить необходимое)
2. Установка в гиростабилизированный подвес (да, нет).
3. Требуемые характеристики и нужный их темп обновления (отметить нужные характеристики, с указанием частоты обновления параметра):
— угловые скорости,
— перегрузки,
— линейные скорости относительно Земли,
— углы Эйлера,
— координаты,
— одометрические координаты,
— данные от СНС (спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС / GPS / Beidou и т.д.)
— прочее
4. Интерфейс взаимодействия (отметить необходимое):
— RS232,
— RS485,
— RS422,
— Ethernet
5. Источники корректировки (отметить):
— лаг,
— одометр,
— СНС с(путниковые навигационные системы ГЛОНАСС / GPS / Beidou и т.д.) ,
— высотомер,
— ZUPT,
— СВС (система воздушных сигналов)
6. Наружные причины (по способности).
7. Доп описание (пишется в случайном стиле).
8. Контактные данные технического спеца для способности уточнения и согласования